Вік Землі та її геологічних об’єктів

План лекції:

1 Загальні зауваження.

2 Відносна геохронологія.

3 Абсолютна геохронологія.

4 Геохронологічна шкала.

1 Загальні зауваження

Завжди, на протязі історичного розвитку людства, окремих його представників цікавили проблеми часу і віку, відносно різноманітних природних об’єктів і процесів. Припущення стосовно віку Землі, віку деяких геологічних об’єктів та часу проходження геологічних процесів робили ще вчені Вавилону, Давнього Єгипту, Греції, Китаю на протязі першого тисячоліття до нашої ери. Але то були лише припущення, не пов’язані з конкретними науковими дослідженнями і розрахунками.

Першу наукову спробу визначення віку Землі зробив у XVII столітті видатний англійський вчений І. Ньютон. За його розрахунками вік Землі складав близько 6000 років.

Пізніше, французький вчений Ж. Бюффон, на основі експериментальних досліджень швидкості охолодження металевих куль і гіпотези про первинний вогняно-рідинний стан Землі, визначив вік Землі приблизно у 75 тисяч років.

З часом робились також спроби визначення віку Землі на основі вивчення товщини осадових відкладів в морях і океанах і швидкостей сучасного накопичення подібних відкладів. При цьому припускалось, що швидкість сучасного осадконакопичення приблизно дорівнює швидкості накопичення осадів у минулому. Максимальний вік Землі при цих дослідженнях був визначений у 350 млн. років.

У подальшому також робились і інші спроби визначення віку Землі або її окремих складових. Наприклад, у 1862 р. англійський фізик В. Том сон, виходячи із припущення про первинний розплавлений стан земної кори і подальше її охолодження і затвердіння, визначив вік сучасної твердої земної кори у межах від 20 до 400 млн. років.

На основі сучасних досліджень віку геологічних об’єктів отримана наступна інформація:

1) вік найдавніших, виявлених на Землі порід становить 3,8 млрд. років (метаморфічні породи у Західній Гренландії);

До речи, у межах Українського кристалічного щита встановлені метаморфічні породи віком 3,7 млрд. років.

2) вік мінералу циркону, знайденого в пісковиків Західної Австралії становить близько 4,1-4,2 млрд. років;

3) вік найдавніших метеоритів, знайдених на Землі становить 4,5 млрд. років;

4) вік порід Місяця досягає 4,3-4,6 млрд. років.

Таким чином, припускаючи одночасність утворення планет Сонячної системи та їх супутників, вік Землі вважається рівним близько 4,5-5 млрд. років.

В історії формування і розвитку Землі виділяють догеологічний і геологічний періоди. Догеологічний період охоплює проміжок часу від моменту виникнення Землі як планети до початку формування земної кори. Геологічний період охоплює проміжок часу від початку формування земної кори до сьогодення. Фактично, геологічний період - це період розвитку земної кори.

При вивченні геологічних об’єктів земної кори і геологічних процесів, які відбувались на протязі розвитку земної кори, в геології використовуються відносна та абсолютна системи геологічного літочислення.

Відносне літочислення або відносна геохронологія визначає вік і послідовність утворення геологічних об’єктів, а також вік і послідовність проходження геологічних процесів у порівнянні один до одного.

Абсолютне літочислення або абсолютна геохронологія визначає конкретний вік гірських порід, а також час проходження геологічних процесів та їх тривалість в одиницях часу (роках).

2 Відносна геохронологія

Методи визначення відносного віку гірських порід базуються на їх порівняльному аналізі та виявленні більш давніх і більш молодих порід. Цими методами неможливо встановити - коли и на протязі якого часу були сформовані ті чи інші гірські породи, але дозволяють визначити відносний вік гірських порід і геологічних об’єктів, складених цими породами.

Основними методами визначення відносного віку порід і геологічних об’єктів є стратиграфічний, палеонтологічний та петрографічний методи.

Стратиграфічний метод базується на вивченні взаємного співвідношення послідовності залягання шарів осадових гірських порід в геологічному розрізі. Осадові породи утворюються з осадів, які накопичуються переважно на дні водних басейнів (озер, морів, океанів) і в долинах річок. Осади при цьому накопичуються шарами - послідовно, знизу-вверх. Нижній шар, звичайно, є більш давнім, ніж всі шари, які залягають зверху над ним. Це правило, або постулат, було встановлено і сформульоване ще у XVII ст. датським вченим Н. Стеноном.

Але, це правило справедливе лише для непорушеного (первинного) залягання гірських порід. У процесі подальшого геологічного розвитку території первинне залягання шарів може бути зміненим тектонічними рухами. При цьому шари осадових порід зминаються у складки, перевертаються, розриваються і переміщуються один відносного другого. Наслідком вказаних змін первинного залягання порід може бути фактичне залягання більш давніх порід зверху над більш молодими (подібне залягання порід є характерним для так званих складчастих областей). У такому випадку формальне використання стратиграфічного методу дасть помилкові результати.

Тому, для більш надійного визначення відносного віку порід у складчастих областях, необхідно використання додаткових методів. Найбільш важливим, серед цих методів, є палеонтологічний метод.

Палеонтологічний метод базується на вивченні наявних в шарах гірських порід скам’янілих залишків (викопних рештків) вимерлих тварин і рослин, які були найбільш широко розповсюджені в конкретний геологічний період. В основі методу лежить закон, відповідно до якого в природі не може існувати зворотна еволюція органічного світу. Організм ніколи не може повернутися до передпредкового стану навіть тоді, коли він знаходиться в умовах, близьких до умов існування його предків. Порівняння скам’янілостей залишків рослин і тварин дає змогу встановити процес розвитку органічного світу і виділити в геологічній історії Землі ряд етапів з характерними для кожного з них тваринами і рослинами. Встановивши подібність керівних скам’янілостей флори і фауни в шарах гірських порід, приходять до висновку про їх одночасне утворення.

Цей метод широко застосовують в геології, оскільки він дає можливість визначити приблизний вік будь-яких шарів, які містять залишки скам’янілих організмів, незалежно від порушень первинного залягання порід і відстані між територіями вивчення. Особливо важливе значення палеонтологічний метод має при вивченні так званих флішових відкладів, коли вся товща гірських порід на великій території складається з монотонного перешарування порівняно однакових за складом порід.

Застосування даного методу неможливе тільки у випадку відсутності в породах залишків рослин і тварин. Сукупності таких порід називаються “німими” товщами.

Петрографічний метод базується на виділенні у геологічних розрізах шарів або сукупності шарів, які відмінні від підстелюючих і перекриваючих шарів за кольором, речовинним складом, структурними і текстурними особливостями, включеннями та іншими показниками. Якщо такі шари простежуються у незмінному вигляді на значних територіях, вони називаються маркуючими горизонтами. За їх допомогою вдається порівняти геологічні розрізи між собою і побудувати так званий зведений розріз району досліджень. Фактично, петрографічний метод є доповненням стратиграфічного методу.

Однак, маркуючи горизонти у деяких випадках можуть змінювати свій літологічний склад і вік при простяганні на великі відстані. Тому, застосування даного методу повинно бути комплексним з іншими методами відносної геохронології.

Петрографічний метод є корисним при вивченні відносного віку не тільки осадових порід, але також магматичних і метаморфічних.

Однією із складових частин петрографічного методу є мінералогічний метод, який полягає у порівнянні окремих шарів гірських порід за так званими мінералогічними асоціаціями (закономірними сукупностями мінералів). Цей метод може окремо застосовуватись лише на обмежених територіях з однаковими умовами геологічного розвитку.

3 Абсолютна геохронологія

Абсолютна геохронологія визначає вік гірських порід в одиницях часу - роках, тисячоліттях, мільйонах і мільярдах років. Вік порід визначається за вмістом продуктів розпаду деяких хімічних елементів, що містяться в мінералах, які складають дані гірські породи. Процес розпаду таких хімічних елементів, які отримали назву радіоактивних, проходить з постійною швидкістю для кожного конкретного елемента. Це явище було відкрите у 1896 р. французьким фізиком А. Бекерелем.

Процес розпаду радіоактивних елементів відбувається безперервно і не залежить від того, де ці елементи знаходяться – в надрах Землі, на її поверхні, на інших планетах або у космічному просторі.

У 1902 р. видатні фізики П. Кюрі та Е. Резерфорд висловили думку про те, що явище радіоактивного розпаду елементів можна використовувати у якості міри геологічного часу. Таким чином, на початку ХХ ст. наука отримала геологічний “годинник”.

У результаті радіоактивного розпаду з’являються атоми стійких хімічних елементів, які не піддаються подальшому розпаду і накопичуються у конкретному мінеральному утворенні. Кількість стійких елементів збільшується відповідно до віку гірських порід.

Вік мінералів і відповідно гірських порід, які містять радіоактивні елементи вираховується з використанням головного рівняння геохронології, яке виглядає наступним чином:

t = 1/l ln (N_k/N_t + 1),

де: N_k – кількість ізотопів кінцевого продукту розпаду; N_t – кількість радіоактивних ізотопів, які ще не розпалися; t – вік мінералу з моменту його утворення; l - постійна величина швидкості радіоактивного розпаду для кожного конкретного радіоактивного елемента.

На практиці часто замість постійної величини розпаду використовують період напіврозпаду радіоактивного елемента – це час, за який кількість радіоактивних ізотопів даного хімічного елемента зменшується наполовину.

Різні елементи розпадаються з різною швидкістю, а тому розроблено декілька методів визначення віку гірських порід та створено шкалу абсолютного літочислення історії Землі.

Назви методів визначення абсолютного віку порід утворюються від назви радіоактивних ізотопів і кінцевих продуктів їх розпаду.

Провідними методами абсолютної геохронології, які ще узагальнено називаються радіологічними методами, є: радіовуглецевий, калій-аргоновий, рубідій-стронцієвий та уран-торій-свинцевий.

Радіовуглецевий (вуглецевий) метод ґрунтується на явищі розпаду радіоактивного ізотопу вуглецю – ¹⁴С. Даний ізотоп вуглецю утворюється, по-перше, у верхніх шарах атмосфери в результаті взаємодії космічного випромінювання (нейтрони і протони) з ядрами атмосферних газів – N₂, O₂, Ar, а по-друге – в результаті фотосинтезу рослин. У результаті взаємообміну хімічними елементами між атмосферою, гідросферою і біосферою, радіоактивний вуглець засвоюється рослинними і тваринними організмами. Коли організми відмирають, засвоєння припиняється і починається розпад ізотопу вуглецю, який при цьому перетворюється на стабільний ізотоп азоту – ¹⁴N. Період напіврозпаду ізотопу ¹⁴С складає близько 5730 років.

За кількістю вуглецю, що розпався (визначається з використанням спеціальних приладів – мас-спектрометрів) і періодом його напіврозпаду вираховується час захоронення рослин і тварин у гірських породах.

Об’єктами радіовуглецевого датування можуть бути будь яки взірці деревини, вугілля, торфу, раковини молюсків, кістки, пергамент, волосся, або гірські породи які ці взірці вміщують. При цьому, максимальний вік вказаних об’єктів не повинен перевищувати 70 тис. років.

З допомогою радіовуглецевого методу, наприклад, вивчається вулканічна діяльність, яка відбувалась на Землі у четвертинному періоді (по залишках деревини в лаві); визначається вік різних зледенінь на планеті; датуються періоди відмирання певних груп тварин та ін. З допомогою даного методу був встановлений вік останнього прориву вод з протоки Босфор у Чорне море (7500-8000 років), наслідком чого стало сірководневе зараження Чорного моря.

Особливо ефективно вказаний метод використовується при археологічних дослідженнях.

Калій-аргоновий метод ґрунтується на визначенні вмісту радіоактивного аргону в калієвих мінералах. Оскільки відомо, що в процесі самочинного розпаду калію 11% атомів ⁴⁰К переходять в аргон ⁴⁰Ar, а решта 89% – в ізотоп кальцію ⁴⁰Ca. Вік мінеральних утворень при цьому визначається за величиною співвідношення ⁴⁰Ar/ ⁴⁰К. Чим більше це співвідношення, тим старший об’єкт, який підлягає визначенню. Даний метод має ту перевагу, що калій є дуже поширеним у земній корі хімічним елементом і входить до складу понад 100 мінералів різноманітних гірських порід. Період напіврозпаду ⁴⁰К становить 1250 млн. років.

Калій-аргоновий метод використовується для визначення віку порід на протязі всього геологічного часу – від архейського еону до сучасності, і для всіх типів порід – осадових, магматичних, метаморфічних.

При датуванні даним методом віку осадових порід, особливо важливим є мінерал глауконіт, широко розповсюджений у морських відкладах.

Рубідій-стронцієвий метод ґрунтується на розпаді ізотопу рубідію ⁸⁷Rb і перетворенні його в стабільний ізотоп стронцію ⁸⁷Sr. Ізотоп ⁸⁷Rb присутній у багатьох породоутворюючих мінералах у розсіяному стані. Найчастіше він знаходиться у польових шпатах і слюдах (біотит, мусковіт, лепідоліт). Абсолютний вік гірських порід розраховується по співвідношенню Rb/Sr, яке визначається на мас-спектрометрі.

Рубідій-стронцієвий метод використовується не тільки для визначення віку земних порід, але і для датування метеоритів і порід Місяця. Цим методом, зокрема, вік порід Місяця оцінюється у 4,3-4,6 млрд. років.

Уран-торій-свинцевий метод ґрунтується на радіоактивному розпаді ізотопів урану і торію. Наслідком цього розпаду є утворення стабільних ізотопів свинцю і атомів гелію. Схематично,даний процес виглядає наступним чином:

²³⁸U ® ²⁰⁶Pb + 8He;

²³⁵U ® ²⁰⁷Pb + 7He;

²³²Th ® ²⁰⁸Pb + 6He.

Вік порід вираховується за ізотопним співвідношенням: ²⁰⁶Pb/²³⁸U, ²⁰⁷Pb/²³⁵U, ²⁰⁸Pb/²³²Th, що дає можливість контролювати одержані результати.

Періоди напіврозпаду ²³⁸U, ²³⁵U та ²³²Th відповідно дорівнюють: 4,47, 0,70 та 14,01 млрд. років, тому даний метод придатний для визначення віку гірських порід, утворених протягом усієї геологічної історії Землі, а також для визначення віку метеоритів і порід Місяця.

Не завжди гірські породи містять одночасно ізотопи урану і торію. Уран входить до складу більш ніж 200 мінералів, а торій вміщують лише близько 30 мінералів. Тому, у більшості випадків для визначення абсолютного віку порід використовується тільки уран. Відповідно, такий метод визначення віку порід називається уран-свинцевим.

Для визначення абсолютного віку порід використовують мінерали, які містять понад 1 % урану або торію. Основними з цих мінералів є: уранініт, циркон, монацит, ортит і торит.

Уран-торій-свинцевий метод на сьогодні є одним з найбільш досконалих методів визначення абсолютного віку гірських порід.

Широке застосування радіологічних методів у різних країнах дали можливість визначити абсолютний вік гірських порід, які належать до різних підрозділів шкали відносного літочислення. При цьому, найдавніші породи на Землі мають вік не більше ніж 3,6-3,8 млрд. років. У той же час, вік найдавніших гірських порід Місяця досягає приблизно 4,5 млрд. років. Якщо припустити одночасність процесів утворення планет земної групи, то можна прийти до висновку, що на Землі поки-що не встановлені породи такого віку. Можливо вони знаходяться на глибинах, недоступних для вивчення, або зазнали суттєвих змін у результаті тривалого геологічного розвитку земної кори.

4 Геохронологічна шкала

У результаті геологічних досліджень товщ осадових порід в різних районах Землі у кінці XVIII і у першій половині XIX століть, геологами було зібрано дуже багато фактичних геологічних матеріалів. Аналіз цих матеріалів показував, що певні товщі порід, знаходячись на відстані десятки, сотні і тисячі кілометрів одна від одної, мають однаковий вік свого утворення.

Також було встановлено, що у послідовному нашаруванні товщ осадових порід на всіх континентах відображається історія розвитку земної кори та еволюційна історія розвитку органічного світу на Землі.

Узагальнення отриманих матеріалів дозволило створити єдину для всієї Землі шкалу геолого-історичного розвитку земної кори.

У 1881 році ця шкала була вперше затверджена на Другому Міжнародному геологічному конгресі у м. Болоньї, під назвою – геохронологічна шкала. У подальшому, в процесі поступлення нових геологічних матеріалів шкала постійно вдосконалювалась.

Геохронологічна шкала являє собою послідовну сукупність геохронологічних і стратиграфічних складових частин або одиниць, що визначають етапи розвитку земної кори.

Слово “хронос” у перекладі з давньогрецької означає – час, а слово “стратос” у перекладі з латинської – шар.

Стратиграфічні одиниці відповідають певним матеріальним тілам – шарам або товщам осадових порід, а геохронологічні одиниці відповідають часу утворення тієї чи іншої стратиграфічної одиниці.

Найменування стратиграфічних і геохронологічних одиниць в шкалі є міжнародними. Основні з цих найменувань затверджені на ІІ і ІІІ сесіях Міжнародного геологічного конгресу в 1881 і 1900 рр.

Співвідношення геохронологічних і стратиграфічних одиниць наведене в таблиці 6.1.

Таблиця 6.1 - Співвідношення геохронологічних і стратиграфічних одиниць

Геохронологічні одиниці	Стратиграфічні одиниці
Еон	Еонотема
Ера	Група (ератема)
Період	Система
Епоха	Відділ
Вік	Ярус

Найбільшою геохронологічною одиницею є еон. В історії розвитку земної кори виділяють три еони (від найбільш давнього): архейський, протерозойський та фанерозойський. Інколи архейський і протерозойський еони об’єднують під назвою – криптозой, що перекладається з давньогрецької, як час прихованого життя. Фанерозойський еон – час явного життя.

Архейський еон (скорочено – архей) – це найдавніший етап у розвитку земної кори. Почався він приблизно 4000 млн. років тому, а закінчився 2600 млн. років тому. Загальна тривалість архею складає близько 1400 млн. років. Назва походить від давньогрецького слова archaios – давній.

Під час даного етапу фактично почались різноманітні перетворення і розвиток первинної земної кори. На протязі всього архейського еону проходило потужне гороутворення земної кори, а в кінці – інтенсивні тектонічні рухи і вулканізм. В археї почалось формування кристалічного фундаменту земної кори, який складався з магматичних і метаморфічних порід. Яких-небудь ознак життя в гірських породах даного віку достовірно не встановлено. Тому, дуже важко розділити архейський еон на більш дрібні геохронологічні складові (ери, періоди, епохи). Різні дослідники роблять це по різному, але загальновизнаного такого розділення не існує.

Протерозойський еон (скорочено – протерозой) – це етап розвитку земної кори, який почався після архею. Його нижня геохронологічна межа становить 2600 млн. років, а верхня – 570 млн. років. Загальна тривалість протерозою складає близько 2030 млн. років. Назва походить від давньогрецьких слів: proteros – ранній і zoe – життя. Тобто, можна сказати, що протерозой це етап раннього життя на планеті.

Загальновизнаного розподілу протерозою, як і архею, не існує, але найбільш розповсюдженим є розподіл протерозойського еону на три складові: ранній протерозой (2600-1900 млн. р), середній (1900-1600 млн. р) і пізній (1600-570 млн. р).

Розподіл протерозою на окремі складові є більш обґрунтованим, ніж розподіл архею, це пов’язане з тим, що в протерозої на планеті з’явилось життя, яке було представлене примітивними безхребтовими (губки, хробаки та ін), а також різноманітними водоростями. Сліди діяльності вказаних організмів збереглися в осадових породах.

Формування кристалічного фундаменту земної кори у протерозої було завершено. Деякі ділянки земної кори у цей час зазнали підняття і, відповідно, на них відбувались інтенсивні процеси розмиву і геологічного вивітрювання гірських порід. Вказані процеси також супроводжувались вулканізмом. Крім того у протерозої відбувалось багатократне зледеніння і проходження, пов’язаних з цим геологічних процесів.

Наслідком розмиву на суші магматичних і метаморфічних гірських порід, та знесення уламків в моря і океани, стало утворення осадових порід, та в цілому почалось формування осадового чохла земної кори.

Фанерозойський еон (скорочено – фанерозой) – це етап розвитку земної кори який почався після протерозою і продовжується донині. Загальна тривалість фанерозою складає близько 570 млн. років. Назва походить від давньогрецьких слів: phaneros – явний та zoe – життя. У фанерозої відбувався розквіт різноманітного життя на планеті.

Базуючись на еволюції органічного світу та історичному розвитку геологічних процесів Землі фанерозой поділяють на палеозойську, мезозойську і кайнозойську ери. Кожна з них поділяється на більш дрібні етапи – періоди, які виділено на основі аналізу палеонтологічних даних.

Палеозойська ера (ера давнього життя) продовжувалася близько 340 млн. років (570 – 230млн.р).Вона поділяється на наступні періоди (від більш давніх до більш молодих): кембрійський, ордовицький, силурійський, девонський, кам’яновугільний, пермський.

Земна кора у цей час продовжує змінюватись і розвиватись. Періоди підняття суші чергуються з періодами її опускання і затоплення. На початку ери (ордовицький період) проходили потужні вулканічні процеси. У середині ери (кам’яновугільний період) відбувається накопичення в болотах величезних мас залишків рослин, які перетворилися на вугілля.На протязі ери відбулися також два глобальних гороутворення, які отримали назви: каледонське і герцинське. Під час каледонського гороутворення, наприклад, виникли такі гірські системи, як: Саяни, Алтай, Північний Тянь-Шань, гори Шотландії, Аппалачі. Під час герцинського – Урал, Судети, Південний Тянь-Шань. Рослинний і тваринний світ на протязі палеозойської ери швидко розвивався. Найбільш характерними бури різноманітні папороті, амфібії, примітивні риби, корали, водорості, плазуни.

Мезозойська ера (ера середнього життя) продовжувалася близько 165 млн. років (230 – 65 млн. р). Вона поділяється на наступні періоди (від більш давніх до більш молодих): тріасовий, юрський, крейдовий.

На початку мезозойської ери відбувалось підняття материків і, відповідно, відступ морів. У середині ери (юрський період) почалось потужне мезозойське гороутворення, яке супроводжувалось інтрузивним та ефузивним вулканізмом. У цей час були закладені сучасні океани – Атлантичний, Тихій, Індійський. У кінці ери (крейдовий період) почали формуватись основи таких гірських систем, як: Альпи, Кавказ, гори Криму, Памір, Гімалаї, Анди, Кордильєри.

Тваринний і рослинний світ під час мезозойської ери розвивався і вдосконалювався, але все ще суттєво відрізнявся від сучасного. З’явилися птахи і ссавці, в морях переважали різноманітні молюски (амоніти, белемніти).

В середині мезозою (юрський період) відбувається розквіт плазунів, окремі види яких досягають до 5 м у висоту і 20 м у довжину (динозаври).

Дата добавления: 2014-01-04