Геохронология

Геохронологическая шкала. Международная стратиграфическая комиссия.

Важнейшие группы организмов тоже нужно хотя бы примерно себе представлять (и упомянуть в словарике).

Корреляция – сложная задача. Главными помощниками стратиграфов являются ископаемые остатки древних организмов. Сходные комплексы ископаемых организмов в двух удаленных местонахождениях — довод в пользу одновозрастности соответствующих слоев.

Трудности: сходные флоры и фауны могут сформироваться неодновременно в разных местах (напр., из-за того, что там в разное время сложились соответствующие условия среды). Какие-то виды могут появиться (вымереть) в одном регионе раньше, чем в других. Приходится детально разбираться с каждой конкретной ситуацией.

«Руководящие формы» — это группы организмов, дающие самые надежные датировки для тех или иных отложений. Например, для мезозойских отложений важной руководящей группой являются аммониты, для среднего кембрия — мелкие слепые трилобиты—агностиды, и т. д. Руководящие формы должны удовлетворять нескольким требованиям: 1) широкое распространение, 2) массовость, 3) хорошая сохраняемость, 4) быстрая эволюция (недолгий интервал существования), 5) желательна также встречаемость в отложениях разных типов – напр., для корреляции континентальных и морских отложений (поэтому планктонные животные лучше бентосных, споры и пыльца – лучше, чем листья и корни).

Кроме палеонтологических данных, стратиграфы используют для корреляции слоев и маркеры небиологической природы. Удобным маркером может служить прослойка вулканического пепла, образовавшаяся в результате извержения, или прослой с повышенной концентрацией редкого элемента иридия, который может образоваться в результате падения и взрыва крупного метеорита, в котором содержание иридия было выше, чем в земной коре. Для установления одновозрастности слоев в двух соседних геологических разрезах порой бывает достаточно идентичности литологических характеристик (цвет, структура, состав породы).

При переходе железосодержащих веществ из жидкого состояния в твердое (например, при застывании лавы) в образующихся минералах сохраняется остаточная намагниченность, причем ее вектор совпадает с ориентацией магнитного поля Земли в момент образования минерала.

Магнитное поле Земли время от времени претерпевает инверсии (Северный магнитный полюс меняется местами с Южным). Остаточная намагниченность горных пород позволяет определить, когда образовался данный слой: в эпоху «прямой» или «обратной» полярности.

Палеомагнитные данные сами по себе не дают абсолютных датировок. Момент каждой конкретной инверсии магнитного поля Земли нужно «привязывать» к геохронологической шкале на основе других данных (палеонтологических, радиометрических и др.), но когда это уже сделано, «палеомагнитку» можно использовать для определения возраста отложений.

Стратиграфы составили детальные палеомагнитные (или магнитостратиграфические) шкалы для Кайнозойской и Мезозойской эр. Чем глубже в прошлое, тем больше трудностей встает на пути применения этого метода. Одна из них связана с тем, что палеомагнитные интервалы отсчитывают от современности в глубь веков, причем каждая незамеченная, пропущенная или сомнительная инверсия магнитного поля ведет к наращиванию суммарной ошибки.

Пока вещество находится в жидком состоянии (жидкая магма) его химический состав переменчив: происходит перемешивание, диффузия, многие компоненты могут улетучиваться и т. д. Но когда минерал затвердевает, он начинает вести себя как относительно замкнутая система. Это значит, что присутствующие в нем радиоактивные изотопы не вымываются и не улетучиваются из него, и уменьшение их количества происходит только за счет распада, который идет с известной постоянной скоростью. Все продукты распада в идеале тоже остаются внутри минерала.

Если в новообразовавшейся магматической породе: 1) изначально не было продуктов распада данного изотопа; 2) если атомы изотопа и образующиеся продукты его распада не вымывались, не улетучивались и не внедрялись извне, то мы можем очень точно определить возраст породы, измерив соотношение масс изотопа и его продуктов. Знать изначальное содержание изотопа в породе для этого не нужно. Например, если в породе обнаружено соотношение 40K и (40Ar + 40Ca), равное 1:1, то эта порода образовалась 1,3 млрд лет назад (1 период полураспада).

Для молодых отложений (не старше 100 тысяч лет), особенно для сохранившихся в них органических материалов, используется радиоуглеродный метод. 14C образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки ядер азота нейтронами космических лучей: 14N + n —> 14С + p. Углерод 14С окисляется до 14СO2 и распространяется в атмосфере. Растения используют 14СO2 в ходе фотосинтеза для производства органики наравне с обычной углекислотой. В результате соотношение 14C/12C в живых организмах оказывается таким же, как в атмосфере (порядка 10–12). После смерти организма приток углерода в него прекращается (система становится условно замкнутой, как и в случае с затвердевшим минералом), и начинается неуклонное экспоненциальное снижение соотношения 14C/12C за счет распада радиоактивного изотопа 14C.

Трудности: 1) Захороненная органика может загрязняться посторонним углеродом, как «древним» (с низкой долей 14C), так и «молодым». В результате возникают, соответственно, «ошибки омоложения» и «ошибки удревнения». Кроме того, соотношение 14C/12C в атмосфере не постоянно. Хозяйственная деятельность человека и особенно испытания ядерного оружия сильно сказываются на этой величине. Темпы образования 14C в верхних слоях атмосферы зависят от интенсивности космического и солнечного излучения, а это величины переменные.

Метод изохрон 1) не требует изначального отсутствия дочернего нуклида, 2) имеет «внутреннюю защиту от ошибок».

Метод основан на анализе содержания трех нуклидов – материнского радионуклида (M), дочернего радиогенного нуклида (D1), а также другого, нерадиогенного (D2), изотопа того же элемента, что и дочерний нуклид D1 – в разных образцах породы, отличающихся по содержанию материнского нуклида М.

На момент кристаллизации расплава разные образцы породы могут отличаться по химическому (элементному) составу, однако изотопный состав каждого из элементов будет одинаков для разных образцов. Поэтому изохрона – линия, выражающая зависимость отношения концентраций [D1]/[D2] от [M]/[D2] – будет в этот момент прямой, параллельной оси абсцисс. По мере превращения нуклида M в нуклид D2 изохрона будет продолжать оставаться прямой (чем больше ядер M содержал образец в начальный момент, тем больше в нем будет накапливаться ядер D1 со временем); и угол ее наклона будет показывать нам возраст породы. Если же с течением времени будет иметь место вынос или привнос какого-либо из нуклидов (M, D1 или же D2), то изохрона перестает быть прямой линией! Таким образом, метод изохрон обладает «встроенной защитой», которая показывает, «исправны» радионуклидные часы или же они «барахлят».

Измеренние возраста пород океанической коры дало блестящее подтверждение теории тектоники плит.

Литосферные плиты движутся из-за конвекционных потоков, существующих в мантии. Там, где восходящий поток мантийного вещества подходит к поверхности, образуется рифт – область формирования новой океанической коры.