периодизация геологической истории земли

Геохронология. Периодизация геологической истории

Геологам приходится иметь дело с толщами горных пород, накопившимися за длительную геологическую историю планеты. Необходимо знать, какие из слагающих изучаемую территорию пород моложе, а какие древнее, в какой последовательности они формировались, к каким интервалам геологической истории относится время их образования, а также уметь сопоставлять по возрасту удалённые друг от друга толщи горных пород.

Учение о последовательности формирования и возрасте горных пород называется геохронологией. Различаются методы относительной и методы абсолютной геохронологии.

Относительная геохронология

Эти методы базируются на нескольких простых принципах. В 1669 г. Николо Стено сформулировал принцип суперпозиции, гласящий, что в ненарушенном залегании каждый вышележащий слой моложе нижележащего. Обратим внимание, что в определении подчёркивается применимость принципа только в условиях ненарушенного залегания.

Следующий важнейший принцип, известный как принцип пересечений, сформулирован Джеймсом Хаттоном. Этот принцип гласит, что любое тело, пересекающее толщу слоев, моложе этих слоев.

Нужно отметить и ещё один важный принцип, гласящий, что время преобразования или деформации пород моложе, чем возраст образования этих пород.

Рассмотрим использование этих принципов на примере толщ осадочных пород, прорванных несколькими секущими магматическими телами.

Последовательность событий следующая. Первоначально происходило накопление осадочных толщ нижнего слоя (1), затем, последовательно накопление вышележащих слоев (2, 3, 4, 5), каждый из которых моложе нижележащего. Накопление осадочных пород в подавляющем большинстве случаев происходит в форме горизонтально лежащих слоев, так первоначально залегали и сформированные слои (1-5). Позднее эти толщи были деформированы (6), и в них внедрилось тело магматических пород 7. Затем, вновь горизонтально, началось накопление вышележащего слоя, залегающего на и внедрившемся магматическом теле. При этом, учитывая, что образующийся слой лежит на выровненной горизонтальной поверхности, очевидно, что его накоплению предшествовало выравнивание территории – её размыв (8). Вслед за размывом территории накопился следующий слой (9). Наиболее молодым образованием является магматическое тело 10.
Подчеркнём, что, рассматривая историю геологического развития территории, разрез которой изображён на рисунке, мы пользовались исключительно относительным временем, определяя лишь последовательность образования тел.

Среди биостратиграфических методов долгое время оставался важнейшим метод руководящих форм. Руководящими формами называют остатки вымерших организмов соответствующие следующим критериям:

При определении возраста среди найденных в изучаемом слое ископаемых выбираются наиболее для него характерные, затем они сопоставляются с атласами руководящих форм, описывающими, какому интервалу времени свойственны те или иные формы. Первый из таких атласов был создан ещё в середине XIX века палеонтологом Г. Бронном.

На сегодняшний день основным в биостратиграфии является метод анализа органических комплексов. При применении этого метода вывод об относительном возрасте строится на сведениях обо всём комплексе окаменелостей, а не на находках единичных руководящих форм, что значительно повышает точность.

В ходе геологических исследований стоят задачи не только расчленения толщ по возрасту и отнесения их к какому-либо интервалу геологической истории, но и сопоставления – корреляции – удалённых друг от друга одновозрастных толщ. Наиболее простым методом выявления одновозрастных толщ является прослеживание слоёв на местности от одного обнажения к другому. Очевидно, что этот метод эффективен только в условиях хорошей обнажённости. Более универсальным является биостратиграфический метод сопоставления характера органических остатков в удалённых разрезах – одновозрастные слои обладают одинаковым комплексом окаменелостей. Этот метод позволяет проводить региональную и глобальную корреляцию разрезов.

Принципиальная модель использования окаменелостей для корреляции удалённых разрезов отражена на рисунке.

Одновозрастными являются слои, содержащие одинаковый комплекс окаменелостей

Абсолютная геохронология

Методы абсолютной геохронологии позволяют определить возраст геологических объектов и событий в единицах времени. Среди этих методов наиболее распространены методы изотопной геохронологии, основанные на подсчёте времени распада радиоактивных изотопов, заключенных в минералах (или, например, в остатках древесины или в окаменелых костях животных).

Сущность метода заключена в следующем. В состав некоторых минералов входят радиоактивные изотопы. С момента образования такого минерала в нём протекает процесс радиоактивного распада изотопов, сопровождающийся накоплением продуктов распада. Распад радиоактивных изотопов протекает самопроизвольно, с постоянной скоростью, не зависящей от внешних факторов; количество радиоактивных изотопов убывает в соответствии с экспоненциальным законом. Принимая во внимания постоянство скорости распада, для определения возраста достаточно установить количество оставшегося в минерале радиоактивного изотопа и количество образовавшегося при его распаде стабильного изотопа. Эта зависимость описывается главным уравнением геохронологии:

Для определения возраста используются многие радиоактивные изотопы: 238 U, 235 U, 40 K, 87 Rb, 147 Sm и др. Названия изотопно-геохронологических методов обычно образуются из названий радиоактивных изотопов и конечных продуктов их распада: уран-свинцовый, калий-аргоновый и т.д. Результаты определения возраста геологических объектов выражаются в 106 и 109 лет, или в значениях Международной системы единиц (СИ): Ma и Ga. Эта аббревиатура означает, соответственно, «млн. лет» и « млрд. лет» (от лат. Mega anna – млн. лет, Giga anna – млрд. лет).

В ходе лабораторных исследований определяются содержания 87 Rb и 87 Sr, при этом содержание последнего складывается из суммы стронция, изначально содержащегося в минерале ( 87 Sr)₀, и стронция, возникшего в процессе радиоактивного распада 87 Rb за период существования минерала:

На практике измеряются не содержания указанных изотопов, а их отношения к стабильному изотопу 86Sr, что даёт более точные результаты. Вследствие этого уравнение приобретает вид

В полученном уравнении имеются два неизвестных: время t и начальное отношение изотопов стронция. Для решения задачи анализируются несколько образцов, результаты наносятся в виде точек на график в координатах 87 Sr/ 86 Sr – 87 Rb/ 86 Sr. В случае корректно отобранных проб все точки ложатся вдоль одной прямой – изохроны (следовательно, имеют один и тот же возраст). Возраст анализируемых образцов рассчитывается по величине угла наклона изохроны, а начальное стронциевое отношение определяется по пересечению изохронной оси 87 Sr/ 86 Sr.

В случае если на графике точки не ложатся на одну линию можно говорить о некорректности подбора проб. Во избежание этого необходимо соблюдать следующие главные условия:

Не останавливаясь на методики определения возраста другими методами, отметим лишь особенности некоторых из них.

В настоящее время наиболее точным считается самарий – неодимовый метод, принятый в качестве стандарта, с которым сравниваются данные других методов. Это связан о с тем, что в силу геохимических особенностей данные элементы наименее подвержены влиянию наложенных процессов, часто значительн о искажающих или сводящих на нет результаты определений возраста. Метод основан на распаде изотопа 147 Sm с образованием в качестве конечного продукта распада 144 Nd.

Калий – аргоновый метод основан на распаде радиоактивного изотопа 40 К. Этот метод давно и широко используется для определения возраста всех генетических типов горных пород. Он наиболее эффективен при определении времени формирования осадочных пород и минералов, например, глауконита. Применительно к магматическим и особенно метаморфическим породам, затронутым наложенными изменениями, этот метод часто даёт «омоложенные» датировки, что связано с потерей подвижного аргона.

Радиоуглеродный метод основан на распаде изотопа 14 С, образующегося в верхних слоях атмосферы в результате воздействия космического излучения на атмосферные газы (азот, аргон, кислород). В последствии 14 С, как и нерадиоактивный изотоп углерода, образует углекислый газ СО₂, и в его составе вовлекается в фотосинтез, оказываясь таким образом в составе растений и, далее, пищевой цепочке передается животным. В гидросферу 14 С попадает в результате обмена СО₂ между атмосферой и Мировым океаном, далее он оказывается в костях и карбонатных раковинах водных обитателей. Интенсивное перемешивание воздушных масс в атмосфере и активное участие углерода в глобальном круговороте химических элементов приводит к выравниванию концентраций 14 С в атмосфере, гидросфере и биосфере. Для живых организмов равновесное состояние достигается при удельной активности 14 С, составляющей 13,56 ± 0.07 распадов в минуту на 1 грамм углерода. Если организм умирает, то прекращается поступление 14С; в результате радиоактивного распада (перехода в нерадиоактивный 14 N) удельная активность 14 С уменьшается. Измерив значение активности в пробе и сопоставив её со значением удельной активности в живой ткани, несложно рассчитать время прекращения жизнедеятельности организма по формуле

Радиоуглеродного датирование позволяет определять возраст образцов, содержащих углерод (кости, зубы, раковины, древесина, уголь и т.д.) возрастом до 70 тыс. лет. Это определяет его использование в четвертичной геологии и, особенно, в археологии.

В завершение рассмотрения методов изотопной геологии следует отметить, что, несмотря на получение «абсолютных», выраженных в годах, датировок, мы имеет дело с модельным возрастом – полученные результаты неизбежно содержат некоторую ошибку и, более того, продолжительность астрономического года в ходе длительной геологической истории менялась.

Изучение ритмичности ленточных глин позволяет не только определять абсолютный возраст, но и проводить корреляцию расположенных неподалёку друг от друга разрезов, сопоставляя мощности слоёв.

На сходном принципе основан и подсчёт годичных слоёв в осадках соляных озёр, где летом, за счёт повышения испарения, происходит активное осаждение солей.

К недостаткам сезонно-климатических методов следует отнести их неуниверсальность.

Периодизация геологической истории. Cтратиграфическая и геохронологическая шкалы

Оперируя категорией относительного времени необходимо иметь универсальную шкалу периодизации истории. Так, применительно к истории человечества, мы употребляем выражения «до нашей эры», «в эпоху Возрождения», «в XX веке» и т.п., относя какое-либо событие или предмет материальной культуры к определённому временному интервалу. Аналогичный подход принят и в геологии, для этих целей разработаны Международная геохронологическая шкала и Международная стратиграфическая шкала.

Стратиграфическая шкала – шкала, показывающая последовательность и соподчинённость стратиграфических подразделений, слагающих земную кору и отражающих пройденные землёй этапы исторического развития. Объектом стратиграфической шкалы являются слои горных пород. Основа современной стратиграфической шкалы была разработана ещё в первой половине XIX века и была принята в 1881 г. на II сессии Международного геологического конгресса в Болонье. Позднее стратиграфическая шкала была дополнена геохронологической шкалой.

Геохронологическая шкала – шкала относительного геологического времени, показывающая последовательность и соподчинённость основных этапов геологической истории Земли и развития жизни на ней. Объектом геохронологической шкалы является геологическое время.

Шкала геологического времени (или геохронометрическая шкала) представляет собой последовательный ряд датировок нижних границ общих стратиграфических подразделений, выраженных в единицах времени (чаще в миллионах лет) и вычисленных с помощью методов абсолютного датирования.

Объектом геохронологической шалы служат геохронологические подразделения – интервалы геологического времени, в течение которого образовались горные породы, входящие в состав данного стратиграфического подразделения.

Всем стратиграфическим подразделениям соответствуют подразделения геохронологической шкалы.

Эратемы, в свою очередь, включают в свой состав системы. Система – это отложения, образовавшиеся в течение периода; длительность периодов составляет десятки миллионов лет. Одна система от другой отличается комплексами фауны и флоры на уровне надсемейств, семейств и родов. В фанерозое выделяются 12 систем: кембрийская, ордовикская, силурийская, девонская, каменноугольная (карбоновая), пермская, триасовая, юрская,, меловая, палеогеновая, неогеновая и четвертичная (антропогеновая). Названия большинства систем происходят от географических названий тех местностей, где они были впервые установлены. Для каждой системы на геологических картах приняты определенный цвет, являющийся международным, и индекс, образованный начальной буквой латинского названия системы.

Наряду с основными подразделениями стратиграфической и геохронологической шкал применяются региональные и местные подразделения.

К региональным стратиграфическим подразделениям относятся горизонт и лона.

Лона является частью горизонта выделяемой по комплексу фауны и флоры, характерному для данного региона, и отражает определенную фазу развития органического мира данного региона. Название лоны даётся по виду-индексу. Геохронологическим эквивалентом лоны является время.

Местные стратиграфические подразделения представляют собой толщи пород, выделяемые по ряду признаков, в основном по литологическому или петрографическому составу.

Серия охватывает достаточно мощную и сложную по составу толщу горных пород для которых имеются какие-то общие признаки: сходные условия образования, преобладание определенных типов горных пород, близкая степень деформаций и метаморфизма и т.д. Серии обычно соответствуют единому крупному циклу развития территории.

Границы местных стратиграфических подразделений часто не совпадают с границами подразделений единой стратиграфической шкалы.

Источник

Геологические периоды земли – от огненной планеты до обители жизни

Считается, что наша планета возникла в результате аккреции (гравитационного притяжения) газов и пыли, но это утверждение имеет много опровержений. Теорию поддерживают геологи и физики. Отталкиваясь от нее, можно изучить процессы, которые способствовали возникновению жизни на планете. Геологическая история Земли для удобства была поделена учеными на несколько частей, которые отождествляют крупные промежутки времени: эра – период – эпоха – век.

Периоды формирования земли

4,5 миллиарда лет назад на земле еще даже не зарождалась жизнь, она была похожа на раскаленный ад, где то и дело взрывались вулканы, все вокруг было заполнено пеплом, пылью и огнем. Именно отсюда берут начало геологические периоды Земли. Температура поверхности достигала 1000 градусов Цельсия. Тогда атмосфера не была наполнена воздухом – только водяной пар, азот и углекислый газ. Вся планета представляла собой раскаленное море лавы, казалось, ничто живое не сможет зародиться в этой печке. Ученые утверждают, что в это время Земля столкнулась с планетой Теей, что стало причиной ее раскола и формирования Луны.

Додекамбрийский период

Это самый продолжительный геологический период развития Земли. Ни один человек не может точно сказать, какие его временные рамки. Это первая ступень, которую преодолела наша планета, прежде чем стать обителью жизни в космосе.

Додекамбрийские геологические периоды в хронологическом порядке:

Из-за столкновения с другой планетой образовалась атмосфера, но Земля все еще была не пригодной для жизни. Постоянные извержения вулканов, нескончаемые метеоритные дожди, катаклизмы, выжигающие кислород, но, несмотря на то, что сейчас один метеорит приводит к катастрофическим последствиям, тогда именно внутри этих раскаленных космических камней на планету попала вода.

Благодаря этому образовались моря и океаны, а температура поверхности постепенно начала снижаться. В этот ранний геологический период появились первые соединения, напоминающие РНК. В дальнейшем они получили липидную оболочку, которая утолщалась, защищая генетический материал. Учитывая огромную конкуренцию за энергию, они образовали колонии, которые и стали прообразом многоклеточных организмов. Процесс был очень долгим, но Земля уже перестала быть огненным ядовитым шаром, а жизнь постепенно начала наполнять просторы. Благодаря фотосинтезу планета заполнилась кислородом, стало возможно формирования более развитых форм жизни. Когда самый ранний геологический период закончился, на Земле уже начали появляться бактерии.

Первая жизнь, вероятно, не развивалась до 3,8 миллиарда лет назад и состояла из одноклеточных прокариотических клеток (лишенных как ядра, так и мембраны). Формы жизни, с которыми мы знакомы, появились около 570 миллионов лет назад.

Палеозойская эра

Геологическая история палеозойской эры начинается с Кембрия, когда вся планета была во власти бактерий и водорослей. В течение миллионов лет ничего не менялось, никакого скачка в эволюции. Она застыла на месте, но атмосфера насыщалась кислородом, благодаря зеленым бактериям.

Последовательность геологических периодов в хронологическом порядке:

Кислород, который был в воде, окислял железо, и оно оседало на дно, соединяясь в большие глыбы. Спустя колоссальное количество времени, это оно станет одним из основных полезных ископаемых, что так необходимы в нашей жизни.

4 миллиарда лет назад, из-за сильнейшей тектонической активности, возник суперконтинент – Родиния. На Земле начинают взрываться вулканы, выбрасывая в атмосферу углекислый газ, которой смешивается с паром и выпадает на землю в виде кислотных дождей. Из-за большого скопления пыли и углекислого газа в атмосфере, тепло Солнца не задерживается, и температура начинает стремительно снижаться. Начинается первый, но самый жестокий ледниковый период, за всю историю существования нашей планеты. Если эпохи, перечисленные ранее, были во власти огня, то сейчас Земля погребенная под трехкилометровым слоем льда.

Тектоническая активность снова начинает возрастать, вулканы, окруженные льдом, разрываются, снова наполняя планету углекислым газом. 15 миллионов лет потребовалось, чтобы полностью растопить мерзлоту. Несмотря на это, жизнь на планете существовала и в холодное время. Бактерии мутировали, приобретали стойкость и даже без тепла и света им удалось жить и развиваться.

Теперь планета наполняется кислородом, она готова принять жизнь и стать ее обителью. Температура поверхности 22 градуса – это идеальные условия для эволюции. Именно в кембрийский геологический период формирования Земли, появились первые растения, черви, моллюски и другие простейшие организмы.

Пока жизнь есть только в воде, но она захватывающая. Многоклеточные организмы еще не имеют позвоночника, эволюция наградила их нервной системой, острыми зубами и глазами. Теперь они могут существовать и даже охотиться. Прогресс не стоял на месте, мир наполнялся живыми существами, и они готовы были выйти на поверхность.

460 миллионов лет произошел новый сдвиг плит, образовался континент Гондвана, который потом разделился на 6 материков. Первые, кто осмелился выйти на поверхность – растения. Солнце все еще подвергало планету радиации, до формирования озонового слоя. Для нормального существования на суше должно пройти еще 150 миллионов лет.

Землю начали заселять растения, а в последующем, и животные вышли на поверхность в поисках еды. Около 360 миллионов лет назад эти животные были больше похоже на рептилий. Но природа была неумолима. Вулканы снова начали извергаться, атмосфера стала токсичной, и большинство животных, которым удалось выйти на поверхность погибли. Выжили только те, кто смог зарыться под землю, в поисках защиты от токсинов и пищи. В геологической истории Земли этот период назвали Пермским вымиранием.

Мезозойская эра

В это время жизнь на земле восстановилась, после катаклизмов. Планета была во власти огромных животных, хищных и травоядных динозавров. Спустя миллион лет появились и первые млекопитающие, праотцы грызунов. Земля снова стала обителью для живых существ, но мирное существование нарушил огромный метеорит, который упал на поверхность более 66 миллионов лет назад. Этот геологический период называют эрой динозавров, особенно известен Юрский.

Хронология геологических периодов Мезозойской эры:

Ученые выдвинули еще одну теорию, помимо падения астероида, это извержение вулканов. Большое количество пыли закрыло Солнце, растения больше не получали свет и погибали, а с ними и травоядные животные. Нарушилась пищевая цепочка, и хищники также умирали от голода.

Погибшие животные оседали на дно океана, и оказались погребенными под большим пластом осадочных пород. Из-за отсутствия доступа кислорода, высокого давления, они разлагались, превращаясь в нефть и газ.

Кайнозойская эра

Когда крупные динозавры вымерли, сохранившиеся мелкие млекопитающие смогли расти и стать доминирующими. Эволюция человека также происходила в эту эпоху.

Хронология геологических периодов Кайнозойской эры:

Климат резко изменился за относительно короткий период времени, став намного холоднее и суше, чем в мезозойскую эру, эволюция пошла резко вверх. Ледниковый период сковал большую часть Земли, но жизнь адаптировалась относительно быстро. Все виды жизни эволюционировали в современные формы. Геологическая история кайнозойской эры еще не закончилась и, скорее всего, не закончится, пока не произойдет еще одно массовое вымирание.

Заключение

Наша планета преодолела много этапов, прежде чем стать домом для животных и людей. Ни катаклизмы, ни даже падение метеорита не смогли прекратить развитие жизни, и она превратилась в голубую планету. Все эти процессы привели к появлению полезных ископаемых, которые сейчас очень важны для технического прогресса. Массовое вымирание некоторых видов позволило другим животным, а главное людям выжить и достигнуть современных высот. Изучение геологических эр земли дало возможность узнать больше о мире, и о происхождении человечества.

Источник