Относительное время: геологическая колонка

История геологического времени начинается в середине XVII в. с разгоревшейся тогда дискуссии о происхождении окаменелостей и о том, как морские ракушки могли оказаться внутри пород на вершинах гор.[64] Популярнее всего в то время была гипотеза о том, что окаменелости вырастали внутри самих горных пород и только имитировали живые организмы. В эту полемику вступил Нильс Стенсен (Николаус Стенон) (1638-1686) – маленький, учтивый учёный-анатом из Дании, который стал основателем современной геологии. Тщательно изучив окаменелости, породы и слои во многих частях центральной и южной Европы Стенсен в своей книге «О твёрдом» (De solido), изданной в 1669 г. во Флоренции, выдвинул три самых основных принципа геологии:

1) Принцип суперпозиции. Учитывая то, что осадочные слои располагаются один над другим, и что отложения осаждаются из воды (обычно океанской), нижний слой должен был отложиться первым, а верхний слой последним. Таким образом, последовательность горных пород образует относительную хронологию геологических событий с течением времени.

2) Принцип первичной горизонтальности. Когда лежащие друг на друге осадки отлагаются из воды, это происходит почти горизонтальными слоями. Таким образом, любое наклонение или складывание этих изначально горизонтальных слоёв должно быть следствием более поздних событий.

3) Принцип боковой непрерывности. Отложение осадков из воды происходит слоями с непрерывными сторонами. Таким образом, соответствующие горизонтальные слои на противоположных сторонах долины изначально должны были образоваться как непрерывные слои, позднее разрезанные долиной. Стенсен был первым, кто нарисовал реальное геологическое поперечное сечение, показывающее, как формы рельефа меняются со временем, построив свой чертёж на основе наблюдений за слоями пород в Тоскане (Рис. 3.2).

Рисунок 3.2. Первые геологические поперечные сечения, сделанные Нильсом Стенсоном в 1669 г. и включённые в его книгу De solido. Стенсон начертил поперечные сечения Тосканы, показав шесть разных этапов её развития. Последовательность начинается со схемы 25 (внизу справа) и кончается схемой 20 (вверху слева). Стенсон усмотрел два цикла; в каждом из которых осадочные слои откладываются, затем подрываются ростом пещер, и наконец обрушиваются, создавая горы и долины. Предложенная Стенсоном трактовка роли пещер была неверной (в действительности происходят разломы), но его идея относительной последовательности осадочных слоёв была правильной. Рисунок предоставлен Коллекциями по естествознанию библиотеки Оклахомского университета.

Сегодня три этих базовых геологических принципа кажутся нам сами собой разумеющимися, но в XVII в. эти выводы шокировали настолько, что в них трудно было поверить. Из наблюдений Стенсена следовало, что мир был значительно древнее, чем 6000 лет, определяемых по буквальному прочтению хронологий Книги Бытие, потому что на то, чтобы отложения образовали множество слоёв, превратились в горную породу, а затем их разрезали долины, требовалось время.

Это общее неверие в длительные периоды, нужные для протекания геологических процессов, сохранялось до начала XIX в., когда английского землемера и инженера-строителя по имени Вильям Смит (1769-1839) заинтриговали отношения, которые он увидел в слоях пород в Англии и Уэльсе.[65] Внимательно исследуя эти слои от места к месту, он заметил, что во многих из осмотренных им пород содержались окаменелости. Более того, он заметил, что (независимо от места находки) в некоторых слоях пород содержались одинаковые окаменелости, а в горных породах выше или ниже содержались другие характерные наборы окаменелостей. Поскольку Смит был геодезистом и составлял карты пород для строительства каналов, он начал отмечать, в каких слоях были какие окаменелости. В конечном итоге Смит стал таким опытным, что, встречаясь с окаменелостью, которую он до того не встречал, он мог определить породу, из которой эта окаменелость была взята. Затем Смит использовал принцип суперпозиции Стенсена, чтобы определить, какие из этих слоёв пород (с характерными для них окаменелостями) были относительно древнее или моложе, чем другие слои пород с окаменелостями, характерными для них. Таким образом, Смит первым осознал принцип последовательности фауны, гласящий, что последовательные слои пород содержат различные наборы окаменелостей и что, чем моложе слои, тем более сложные формы жизни в них обнаруживаются.

За много лет, посетив и соотнеся сотни мест, Смит смог начертить карту, изображающую вертикальную последовательность относительно более и менее древних слоёв пород. Труд Смита привёл к изданию в 1815 г. первой современной геологической карты (рис. 3.3), а также к созданию первой геологической колонки. Примерно в то же время, когда работал Смит, другие геологи начали разбивать последовательность пород на последовательные системы слоёв; т.е выделять слои кембрийские, ордовикские, силурийские, девонские и пр., названные по разным местам, где были найдены породы определенного типа и с определённым содержанием окаменелостей (напр., девонские слои названы по графству Девон в Англии). Промежутки времени, за которые отложились сходные типы пород и окаменелостей, были названы геологическими периодами, а более мелкие подразделения в рамках этих периодов – эпохами. Когда эта система идентификации пород распространилась на другие страны и континенты, периоды и эпохи были объединены в более крупные единицы (эры и эоны). В конечном итоге эта система была распространена на слои пород по всему миру. Сегодняшняя геологическая колонка, в отличие от первой, составленной Смитом для Великобритании, охватывает почти все слои пород на планете Земля (рис. 3.4).

Геологическое время (информация от Геологического общества Америки)

Таблица 3.4. Геологическая колонка, в которой показаны основные эоны, эры, периоды и эпохи геологического времени.

Геологическая колонка, которая есть у нас сегодня, изначально была основана на относительном времени (где слои древнее или моложе относительно друг друга). Однако примерно в последние 50 лет геологи с помощью процесса радиометрического датирования вулканических пород смогли определить абсолютный возраст этих слоёв (вулканические породы – это те, которые затвердевают из расплавленного материала, а не отлагаются из воды; см. гл. 5, табл. 5.2). Вулканические породы часто прорезают осадочные породы или вторгаются в них, и когда это происходит, вулканическая порода должна быть моложе осадочной породы, через которую она проходит. Это называется принципом секущих взаимоотношений. Таким образом осадочным породам можно присвоить приблизительный абсолютный возраст относительно породы вулканической, и именно так были определены все даты, указанные в геологической колонке в таблице 3.4.

Относительно абсолютных датировок важнее всего осознать, что они подходят в относительную шкалу времени, разработанную за предшествующую сотню лет. Другими словами, породы, помещённые по относительному времени в юрский период, не датируются радиоактивными методами, скажем, как девонские – они датируются как юрские (табл. 3.4). Это соответствие и совпадение с относительным временем и являются независимой проверкой надёжности радиоактивных датировок абсолютного времени.