Периодизация истории Земли

Одной из главных задач геологии всегда было определение возраста горных пород. Какие слои моложе, какие — древнее? Этот вроде бы простой вопрос порождает огромное количество новых вопросов. Но всегда возникают два главных: каков относительный возраст слоев и каков их абсолютный возраст? В первом случае нам достаточно убедиться в том, что какие-то слои моложе других, а во втором требуется определить возраст породы в абсолютных цифрах — в годах. Например, гранит имеет абсолютный возраст 400 млн лет.

Абсолютная геохронология. Когда мы говорим об абсолютной геохронологии, то подразумеваем возраст формирования какой-либо горной породы в астрономических единицах времени — годах, продолжительность которых признается абсолютной и неизменной в масштабе времени. Проблема определения абсолютного возраста горных пород, продолжительности существования Земли издавна занимала умы геологов, и попытки ее решени я предпринимались много раз, для чего использовались различные явления и процессы.

Ранние представления об абсолютном возрасте Земли были курьезными. Современник М. В. Ломоносова, французский естествоиспытатель Ж. Бюффон (1707— 1788) определял возраст нашей планеты всего лишь в 74 800 лет. Другие ученые выдвигали различные цифры, но не превышавшие 400—500 млн лет (рис. 2.11). Здесь надо отметить, что все их попытки были заранее обречены на неудачу, так как они исходили из постоянства скоростей процессов, которые, как известно, менялись в геологической истории Земли. И только в первой половине XX в. появилась реальная возможность измерять действительно абсолютный возраст горных пород, геологических процессов, Земли и планет. Она базировалась на открытии процесса радиоактивного распада не;

Рис. 2.11. Представления о возрасте Земли устойчивых изотопов целого ряда химических элементов. Поскольку этот физический процесс идет с постоянной скоростью и не зависит ни от каких внешних воздействий, ученые получили «атомный часовой механизм», позволяющий измерять возраст интересующего их геологического объекта.

Так возник радиометрический метод определения абсолютного возраста горных пород, в основе которого лежит физическое явление радиоактивного распада изотопов: ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰К, ⁸⁷Sr, ¹⁴С, ³Н и многих других. Все эти изотопы нестабильны и обладают вполне определенной, экспериментально выявленной скоростью распада, обычно характеризуемой периодом полураспада, т. е. временем, в течение которого распадается половина атомов данного нестабильного изотопа.

Период полураспада радиоактивного элемента известен, и определение возраста заключается в том, чтобы найти отношение массы вновь образованного химического элемента к массе материнского изотопа. Радиометрический возраст надо определять по минералам, содержащим радиоактивные элементы, при этом отсчет времени в «атомных часах» начинается сразу же после кристаллизации данного минерала, который все последующее время ведет себя как замкнутая система и сохраняет все продукты распада и то количество исходного материнского изотопа, которое осталось после распада. Кроме этого, мы должны быть уверены в том, что ничто постороннее не попало в минерал за время, прошедшее с момента его образования.

Науку, занимающуюся определением абсолютного возраста минералов и горных пород, называют радиологией. В ее арсенале насчитывается много методов, которые постоянно совершенствуются и имеют конечной целью повышение точности определений.

Относительная геохронология. Все события, которые происходили на Земле за доступное наблюдению время, запечатлены в горных породах, как осадочных, так и магматических. Нужно только уметь увидеть отражение этих событий в породах и определить время, когда они происходили.

Еще в 1669 г. Н. Стено (1638—1686), выдающийся ученый-геолог, открыл важный закон последовательности напластования осадочных пород и показал, что слои, которые залегают выше, моложе слоев, располагающихся под ними, т. е. ниже. Это сейчас кажется очевидным, а 300 лет назад об этом и не догадывались.

Таким образом возникла наука о последовательности формирования пластов горных пород — стратиграфия (от лат. stratum — слой, grapho — пишу).

Существуют различные методы стратиграфического расчленения разреза горных пород, т. е. описания последовательности образования слоев, а также сопоставления удаленных друг от друга обнажений слоев горных пород. Один из наиболее важных среди них — палеонтологический метод.

Практически во всех слоях осадочных горных пород встречаются окаменелые остатки животных и растений. Известно, что многие из них в те или иные периоды вымирали, а на смену им приходили новые виды. Для геологии особое значение имеют такие организмы, которые жили короткое время, но были широко распространены на всем земном шаре. Раз время жизни у них относительно небольшое, то они встречаются в ископаемом состоянии только в пластах, обладающих маленькой мощностью, например в несколько десятков метров, но зато на огромной площади. Поэтому, обнаружив определенную ископаемую фауну в пласте в одном месте и встретив ее же в пласте, расположенном за сотни километров от первого, можно будет с уверенностью сказать, что эти пласты имеют один и тот же возраст (рис. 2.12). Такую фауну называют руководящей.

В последние десятилетия особое внимание стали уделять очень мелким организмам, которых много в слоях осадочных морских пород, — фораминиферам, обладающим известковым скелетом, и радиоляриям, со скелетом из кремнистых минералов. Эта микрофауна, в.

Рис. 2.12. Сопоставление разрезов палеонтологическим методом. Во 2-м разрезе отсутствует слой б, в 3-м разрезе отсутствуют слои а, б, в. В 1-м и 4-м разрезах представлены все слои отличие от макрофауны, распространена в осадочных толщах намного шире.

Для стратиграфического расчленения разрезов осадочных горных пород широко используют также пыльцу и споры ископаемых растений, которые содержатся как в морских, так и в континентальных отложениях. Они попадали туда, так как ветры разносили их на большие расстояния. Кроме палеонтологического метода для стратиграфического расчленения и сопоставления между собой разрезов осадочных горных пород, используют и некоторые другие, в частности палеомагнитный.

Относительная и абсолютная геохронологии горных пород дают геологам возможность подойти к выяснению истории развития Земли, к выделению в ее геологической истории основных этапов, отличающихся друг от друга и разделенных какими-то более кратковременными событиями.

Геологическая хронология. В геологии как ни в какой другой науке важно установление последовательности событий, их хронологии, основанной на естественной периодизации геологической истории. Геологическая хронология, или геохронология, основана на выяснении геологической истории наиболее хорошо изученных регионов, например в Центральной и Восточной Европе. На основе широких обобщений, сопоставления геологической истории различных регионов Земли, выявления закономерностей эволюции органического мира на первых международных геологических конгрессах в конце прошлого века была выработана и принята Международная геохронологическая шкала, отражающая последовательность подразделений времени, в течение которого формировались определенные комплексы отложений, и эволюцию органического мира. Таким образом, Международная геохронологическая шкала — это естественная периодизация истории Земли.

Она выделяет следующие геохронологические подразделения: эон, эра, период, эпоха, век, время. Для каждого из них характерен свой комплекс отложений, выделенный в соответствии с изменением органического мира и называемый стратиграфическим: эонотема, группа, система, отдел, ярус, зона. Следовательно, группа — стратиграфическое подразделение, а соответствующее ей временное геохронологическое подразделение представляет собой эру. Поэтому существуют две шкалы: геохронологическая и стратиграфическая. Первую мы используем, когда говорим об относительном времени в истории Земли, а вторую — когда имеем дело с отложениями, так как в каждом месте земного шара в любой промежуток времени происходили какие-то геологические события. Другое дело, что накопление осадков не было повсеместным.

Геохронологическая шкала приведена в таблице 2.3. Содержание ее с момента принятия не раз меняли и уточняли. В настоящее время выделяют три наиболее крупных стратиграфических подразделения — эонотемы: архейскую, протерозойскую и фанерозойскую, которым в геохронологической шкале соответствуют зоны различной длительности. Архейская и протерозойская эонотемы, охватывающие почти 80% времени существования Земли, выделяют в криптозой, так как в докембрийских образованиях полностью отсутствует скелетная фауна, отчего и палеонтологический метод к их расчленению неприменим. Поэтому разделение докембрийских образований базируется в первую очередь на общегеологических и радиометрических данных. Фанерозойский эон охватывает всего 570 млн лет, и расчленение соответствующей эонотемы отложений базируется на Общая стратиграфическая (геохронологическая) шкала¹

Геологический возраст указан по «Глобальной шкале геологического времени» на 2015 г. (Cohen et al., 2013). Возраст некоторых подразделений (жирные цифры) указан по Стратиграфическому кодексу (2006). Знак — означает приблизительный возраст границ ярусов, для которых не утвержден стратотип границы или нет рассчитанного геохронологического возраста.

Окончание табл. 2.3

большом разнообразии многочисленной скелетной фауны. Фанерозойскую эонотему подразделяют на три группы — палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую, соответствующие крупным этапам естественной геологической истории Земли, рубежи которых отмечены достаточно резкими изменениями органического мира.

Названия эонотем и групп происходят от греческих слов: archaios — древний, древнейший; proteros — первичный; palaios — древний; mesos — средний; kainos — новый; kryptos — скрытый; phaneros — явный, прозрачный (появилась скелетная фауна). Слово «зой» происходит от zoe — жизнь. Следовательно, словосочетание «кайнозойская эра» означает эру новой жизни и т. д.

Группы подразделяют на системы, отложения которых сформировались в течение одного периода и характеризуются только им свойственными семействами или родами организмов, а если это растения, — то родами и видами. Системы были выделены в различных регионах и в разное время начиная с 1822 г. В настоящее время выделяют 12 систем, названия большей части которых происходят от тех мест, где они впервые были описаны. Например, названия юрской системы — от Юрских гор в Швейцарии, пермской — от Пермской губернии в России, меловая система названа по наиболее характерным породам — белому писчему мелу и т. д. Четвертичную систему нередко именуют антропогеновой, так как именно в этом возрастном интервале появился человек. Системы подразделяют на два или три отдела, которым соответствуют ранняя, средняя и поздняя эпохи. Отделы, в свою очередь, разделяют на ярусы, характеризующиеся присутствием определенных родов и видов ископаемой фауны. И наконец, ярусы подразделяют на зоны, являющиеся наиболее дробной частью Международной стратиграфической шкалы, которой в геохронологической шкале соответствует время. Названия ярусам даны большей частью по географическим названиям районов, где тот или иной ярус был выделен: например албанский, башкирский, маастрихтский ярусы и т. д. В то же время зона обозначается по наиболее характерному виду ископаемой фауны. Зона охватывает, как правило, только определенную часть региона и развита на меньшей площади, нежели отложения яруса.

Всем подразделениям стратиграфической шкалы соответствуют геологические разрезы, в которых они были впервые выделены. Поэтому такие разрезы являются эталонными, типичными. Их называют стратотипами, ведь в них содержится только им свойственный комплекс органических остатков, определяющий стратиграфический объем данного стратотипа.

Определение относительного возраста каких-либо слоев и заключается в том, что мы сравниваем обнаруженный нами комплекс органических остатков в изучаемых слоях с комплексом ископаемых в стратотипе соответствующего подразделения Международной геохронологической шкалы, т. е. мы определяем возраст отложений относительно стратотипа. Именно поэтому палеонтологический метод, несмотря на присущие ему недостатки, остается наиболее важным методом определения геологического возраста горных пород. Определение относительного возраста, например девонских отложений, свидетельствует лишь о том, что эти отложения моложе силурийских, но древнее каменноугольных. Однако мы не можем установить длительность формирования девонских отложений и дать заключение о том, когда (в абсолютном летосчислении) произошло накопление этих отложений. Только методы абсолютной геохронологии способны ответить на этот вопрос.

Вопросы

• 1. Что такое абсолютный возраст горных пород?
• 2. На чем основан метод определения абсолютного возраста горных пород?
• 3. В чем заключается определение радиометрического возраста горных пород?
• 4. Что такое относительный возраст горных пород?
• 5. В чем заключается суть палеонтологического метода?
• 6. Что такое руководящая фауна?
• 7. Что представляет собой геохронологическая шкала?
• 8. Какие существуют геохронологические подразделения?
• 9. Какие наиболее крупные эонотемы вам известны?
• 10. На каких признаках основывается разделение докембрийских образований?
• 1 1. Что такое стратотип?
• 12. В чем заключается определение относительного возраста пород?
• — ВЫВОДЫ —

Периодизация геологической истории Земли заключается в установлении относительного возраста пород: слои, залегающие выше, моложе слоев, залегающих ниже. Выявление абсолютного возраста пород возможно с использованием изотопного метода, так как радиоактивные элементы содержатся в большинстве минералов. Сейчас создана геохронологическая шкала, в которой для всех временных подразделений указан абсолютный возраст.