Геохронологическая шкала
Ученые не сразу научились определять астрономический (в годах, столетиях и.т.д.) возраст горных пород и длительность подразделений стратиграфической шкалы. Здесь на помощь геологам пришли радиологические методы. Они позволяют устанавливать возраст горных пород в абсолютных единицах времени - тысячах и миллионах лет.
Геохронологическая шкала (греч. ге – земля, хронос - время) - шкала геологического времени, создавалась параллельно со стратиграфической шкалой. Первоначально она указывала не астрономическое время (в годах), а лишь относительную последовательность и соподчиненность во времени геологических событий, выделенных по данным эволюции органического мира. Подразделения геохронологической шкалы соответствуют определенным подразделениям стратиграфической шкалы. Так, группы горных пород образовались в течение одной эры; системы - в течение периода и т. д.
Время в годах (астрономическое время) было введено в геохронологическую шкалу после появления радиологического исчисления возраста конкретных геологических образований.
Эта геологическая летопись позволяет установить примерное время появления на Земле различных групп растений и животных. По сравнению с возрастом Земли вся эволюция жизни на нашей планете заняла относительно небольшой промежуток времени. Каменная летопись содержит также ценные сведения о климатических условиях различных эпох и о распределении по земному шару суши и моря (рис. 8.1.).
Радиологические методы
Радиологические методы основаны на использовании явления самопроизвольного распада радиоактивных элементов - урана, тория, рубидия, углерода, калия и др. Радиоактивные изотопы не только распадаются сами, и, следовательно, их содержание в геологических телах не остается постоянным, уменьшается во времени, но и порождают ядра новых (дочерних) элементов, количество которых во времени растет. В закрытой системе все они остаются в одном теле и их соотношение, учитывая постоянство скорости распада, позволяет надежно рассчитать время образования данного геологического тела (время закрытия системы). На этом основаны методы определения радиологического возраста, называемого часто абсолютным, что не точно. В данной системе за 0 принимается текущий момент.
В геохимии в настоящее время для определения геологического возраста используются следующие пары материнских и дочерних элементов:
|
238U→206Pb |
87Rb→87Sr |
|
235U→207Pb |
147Sm→144Nd |
|
232Th→208Pb |
187Re→187Os |
|
40K→40Ar |
176Lu→176Hf |
Рис. 5.1. Время появления на Земле различных групп растений и животных.
На основании законов радиоактивного распада можно написать соотношение между числом атомов материнского нуклида (М) и образующегося из него дочернего изотопа (D): D = M(eλt – 1)
Это уравнение является основным для исчисления радиогенных нуклидов по величине константы распада (λ) за время (t). Если известны количества материнского и дочернего нуклидов и константа распада, то можно вычислить то время, за которое накопились эти дочерние продукты. Для этого необходимы два основных условия:
Минерал в течение всей своей истории должен быть закрытой системой для D и M, в нем не должно происходить ни выноса, ни привноса как дочерних так и материнских атомов.
В момент кристаллизации минерал не содержал атомов дочернего нуклида, т.е. все обнаруженные в нем атомы D образовались в результате распада атомов типа M и являются радиогенными
Наибольшее распространение для датирования геологических объектов имеют уран – свинцовый и калий - аргоновый методы.
Свинец имеет четыре изотопа 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb. Первый из них не радиогенный, а потому сохраняющий свое содержание, но не распределение, в земной коре. Три остальные представляют собой конечные члены рядов радиоактивного распада 238U, 235U, 232Th c периодами распада 4,5 млрд. лет, 0,7 млрд. лет и 14 млрд. лет, соответственно. На рисунке 5.2. приведены вариации изотопного состава свинцов, как функция времени.
Значения для радиогенных свинцов нормированы по стабильному изотопу 204Pb. Кривые показывают накопление разных изотопов свинца во времени.
Если система остается закрытой все время существования природного объекта (не испытывает ни привноса, ни выноса урана и свинца), по четырем изотопам свинца можно определить возраст ее образования. В этом случае все три радиогенных изотопа дают одинаковые возрастные значения. Цифры возраста, полученные по отношениям 207Pb/235U и 206Pb/238U должны ложиться на кривую, называемую конкордия. Однако, во многих случаях результаты, полученные по разным изотопам, несколько различаются между собой (дискордантны). В этих случаях применяют специальные методы корректировки полученных данных.
Калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород основан на распаде широко распространенного в природе изотопа калия с атомной массой 40 (40К). Около 12% указанного изотопа калия в процессе радиоактивного распада переходит в аргон с тем же атомным весом (40Ar), который остается внутри кристаллической решетки минерала. Определяется соотношение в калиевых минералах изотопов аргона и калия с атомным весом 40 (40Ar/40К).
Каждый метод, естественно, имеет определенные рамки точности, т.е. определенный доверительный интервал. В последнее для датировок время геологических объектов начинает использоваться все боле широкий спектр радиоактивных элементов. Существенную помощь в расшифровке геологических процессов оказывают и стабильные изотопы.
Благодаря внедрению в геологию радиологических методов, удалось выявить продолжительность геологической истории Земли, каждой ее эры, периода и т.д. Геологическая история из относительной последовательности (раньше позже) перешла в историю временную.
Более того, в геологии появилось понятие интенсивность, которое подразумевает результат какого-либо процесса в единицу времени.