Геохронометрические методы

Геохронометрические методы объединяют приемы, определяющие в стандартных единицах физического времени (в годах) удаленность образования геологических объектов от современности… или продолжительность их существования…. Для определения так называемого абсолютного возраста (устаревший термин) применяются «…изотопные, или радиометрические, или изотопно-геохронометрические методы. Они основаны на особенности радиоактивных химических элементов, входящих в состав многих минералов, преобразовываться в их стабильные изотопы с постоянной скоростью, свойственной каждому элементу. Устанавливая соотношение мобильные и стабильных изотопов в анализируемой пробе, можно определить в единицах астрономического времени удаленность образования радиоактивного элемента и, соответственно, возраст породы, в строении которой принимает участие исследуемый минерал…

…Определение возраста горных пород явилось первым практическим применением процесса радиоактивного распада, открытого А.Беккерелем. Уже в 1902 г. П.Кюри показал, что это явление дает человеку меру времени, а в 1904 г. Э.Резерфорд и Б.Болтвуд доказали постоянство отношений U/Ra и U/Th в земных телах. Исследования А.Холмса заложили основу методики определения геологического возраста пород по изотопам и привели в созданию первой геохронологической шкалы.

В настоящее время изотопные методы основаны на распаде тех радиоактивных элементов, которые преобладают в земной коре. Из приблизительно 1600 природных и искусственных изотопов только 272 стабильны…. Для определения возраста используются долгоживущие радиоактивные изотопы. Применение этих методов корректно лишь при двух допущениях: 1) скорость радиоактивнго распада неизменна в течение всей геологической истории, 2) все устойчивые изотопы образовались в анализируемом минерале только за счет распада исходных радиоактивных изотопов. Данное допущение непосредственно проверить невозможно, его можно лишь проконтролировать путем сравнения с результатами определения возраста того же объекта другими методами…

…Наиболее применимые в геологической практике методы изотопного определения возраста следующие.

Калий-аргоновый метод. Используется для магматических и метаморфических пород по минералам, содержащим калий (слюды, полевые шпаты, роговые обманки, пироксены), для осадочных пород – по глаукониту. Глауконит предварительно должен быть исследован на предмет отсутсвия изменений вторичными процессами. Смысл анализа измененного глауконита отсутствует, т.к. будет определен возраст перехода глауконита в измененное состояние, а не возраст образования породы. Погрешность метода составляет 4%. Наиболее надежным считается для среднепалеозойских и кайнозойских образований….

….Рубидий-стронциевый метод. Применяется для магматических и метаморфических пород по минералам, содержащим рубидий (амазонит, биотит, мусковит, микроклин). Точность метода составляет 3-5%. Применяется для докембрийских и фанерозойских образований…

…Свинцовый метод. Используется преимущественно для докембрийских в двух вариантах: свинцово-изотопном и свинцово-изохронном. При первом варианте исследуются минералы, содержащие уран и торий: уранинит, настуран, монацит, циркон, ортит, колумбит и др. Погрешность составляет 5%. Во втором варианте исследуют породы: гнейсы, кристаллические сланцы, мраморы, джеспиллиты, известняки. Возрастполучается по четырем изотопным отношениям: ²⁰⁷Pb/²³⁵U, ²⁰⁶Pb/²³⁸U, ²⁰⁸Pb/²³²Th, ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb. Совпадения результатов свидетельствуют о их достоверности. Наиболее близки к истинным значениям отношения ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb для докембрия, остальные – для фанерозоя….

Уран-свинцовый изохронный метод в настоящее время считается наиболее точным (погрешность – доли %)…

…Радиоуглеродный метод. Примеянется только для позднего плейстоцена - голоцена, от 1 до 60 000 лет. Этим методом исследуются объекты органической природы: древесина, древесный уголь, торф, кости, раковины, сталактиты, в которых содержится естественный радиоуглерод ¹⁴С. Погрешность метода – 5%....

В настоящее время разрабатываются калий-кальциевый и уран-ксеноновый методы датировок докембрийских образований. Кроме того, ведется работа по применению почти по всем перечисленным методам нейтронно-активационных вариантов, которые смогут датировать открытые системы….

…При использовании единиц времени в геологии рекомендуется международная система сокращенных обозначений с буквой «а» (от лат. annum – год): Ка (Kilo-annum) – 10³ лет, Ма (Mega-annum) – 10⁶ лет, Ga (Giga-annum) – 10⁹» (цит. по Прозоровскому, 2003, с. 132-137).

Хроностратиграфические подразделения (Международный Стратиграфический Справочник-1999, Episodes, 1999, vol. 22, no. 4)

Хроностратиграфические подразделения - это совокупность пород, как слоистых, так и неслоистых, которые сформировались в течение определенного интервала геологического времени. Подразделения геологического времени, в течение которых сформировались хроностратиграфические подразделения, называются геохронологическими подразделениями.

1. Хроностратиграфия.Раздел стратиграфии, который изучает временные соотношения и возраст совокупностей пород.

2. Хроностратиграфическая классификация.Организация пород в подразделения на основе их возраста или времени образования.

Целью хроностратиграфической классификации является организация пород, образующих земную кору, в подразделения, имеющие собственные названия (хроностратиграфические подразделения), соответствующие интервалам геологического времени (геохронологические подразделения) и служащие основой временной корреляции и системы регистрации событий геологической истории.

3. Хроностратиграфическое подразделение.Совокупность образований, которая включает все породы, сформировавшиеся за определенный промежуток времени. Хроностратиграфические подразделения ограничены синхронными горизонтами. Ранг и относительная величина подразделений в хроностратиграфической иерархии определяются продолжительностью временного интервала, который они отражают, а не их физической мощностью.

4. Хроностратиграфический горизонт (хроногоризонт - Chronohorizon).Стратиграфическая поверхность или плоскость, которая является повсеместно одновозрастной.

Международный стратиграфический справочникрекомендует следующие официальные хроностратиграфические термины и геохронологические эквиваленты для обозначения подразделений различного ранга и временного объема. Принятая иерархия официальных хроностратиграфических и геохронологических терминов Хроностратиграфические: Эонотема Эратема Система Серия = Отдел Ярус Подъярус; Геохронологические: Эон Эра Период Эпоха Век Подвек или век.

Ярус (и век). Ярус назван основным рабочим подразделением хроностратиграфии, так как он соответствует по своему рангу и объему целям внутрирегиональной хроностратиграфической классификации. Ярус включает все породы, сформировавшиеся в течение века. Ярус - это подразделение наименьшего ранга в хроностратиграфической иерархии, которое может быть выделено в глобальном масштабе. Он является подразделением серии=отдела. Ярус определяется по стратотипам его границ в разрезах, которые внутри непрерывной стратиграфической последовательности отложений, предпочтительно морских, содержат обозначенную точку, выбранную для потенциальной корреляции.

Обратимся с Стратиграфическому Кодексу России (2006). В нем нет отдельно выделенных хроностратиграфических подразделений. Стратиграфическим кодексом предусмотрены две группы стратиграфических подразделений — основные и специальные.

Среди основных терминов СК-2006 упомянуты следующие: стратотип стратиграфической границы, точка глобального стратотипа границы и шкала геологического времени,что несомненно является огромным прогрессом российской стратиграфии на пути адаптации к принципам стратиграфии, действующим во всем остальном научном сообществе.

«Стратотип стратиграфической границы (лимитотип) — выбранный в качестве эталонного разрез, в котором фиксируется положение нижней границы стратона.

Точка глобального стратотипа границы (Global Stratotype Section and Point) — точка, выбранная в конкретном разрезе толщи пород и в определенном географическом районе, являющаяся стандартом для определения нижней границы каждого подразделения Общей стратиграфической шкалы…

…Шкала геологического времени (Геохронометрическая шкала) — последовательный ряд датировок нижних границ общих стратиграфических подразделений, выраженных в годах и вычисленных с помощью изотопных и других методов» (цит. по Стратиграфическому Кодексу, 2006, с. 14-15).

Рис. 9.1. Международная стратиграфическая шкала (www.stratigraphy.org)

В опубликованном Международной комиссией по стратиграфии (МКС) варианте Международной стратиграфической шкалы (МСШ) – Шкале геологического времени – 2004 (ШГВ–2004) (Gradstein et al. 2004) (рис. 9.1) фактически предложены новые правила проведения ярусных границ в осадочных бассейнах. В понятие «ярус» вложен однозначный хронологический смысл. Его начало определяется конкретной временнόй датой, которая закреплена «золотым гвоздем» в стратотипе ярусной границы. Прослеживание ярусной границы рекомендуется проводить с применением руководящего корреляционного события (рrincipal correlative event).

Для проведения нижних границ ярусов выбраны самые разнообразные руководящие корреляционные события – по смене разных фаунистических групп (для маастрихта – 12 равнозначных биособытий), по основанию магнитных хронов (апт, танет), по наличию глобальной геохимической аномалии (даний) и т.д. Причем руководящие биособытия могут быть основаны на смене (появлении или исчезновении) различных фаунистических групп: двустворок (коньяк, сантон), лилий (кампан), аммонитов (турон, баррем, готерив, титон, кимеридж, келовей, бат, байос, аален и др.), планктонных фораминифер (сеноман), известкового наннопланктона (танет, зеландий, альб) (Gradstein et al. 2004). В большинстве случаев для проведения ярусной границы предложено несколько событий, и лишь в исключительных случаях (пример – апт) МКС не удалось увязать ярусную с глобальным исчезновением или появлением организмов.

Несмотря на то, что ярусные границы провозглашены МКС изохронными, при их прослеживании на основе рекомендованного корреляционного события синхронными они быть не могут в силу диахронности самих событий. На этот неоспоримый факт исследователи обращают внимание уже около 140 лет (Головкинский, 1868; Лазарев, 2003). Диахронность биозональных и литологических границ впервые была установлена Н.А. Головкинским, который на примере пермской формации Центральной части Волжско-Камского бассейна открыл чечевицеобразное строение лито- и биостратиграфических горизонтов, формирование которых он связывал с миграцией береговой линии (рис. 9.2.). Говоря современным языком, «чечевицы» Головкинского явились «прасеквенциями» (Кринари, 2004) или «праклиноформами», а их автор – родоначальником хроностратиграфической концепции.

Рис. 9.2. Рисунки из монографии Н.А.Головкинского, иллюстрирующие «чечевицеобразное» строение литологического тела, образовавшегося при миграции береговой линии.

Н.А. Головкинский отмечал: «… с каждым новым исследованием открывались новые факты, обнаруживающие неправильность учения об одновременном существовании и одновременном исчезновении повсеместных фаун. Понятие о медленном изменении органического населения и о фациях постепенно вырабатывалось и теперь едва ли какой-нибудь геолог…, будет отвергать для различных местностей разновременное существование одинаковых форм и одновременность различных» (Головкинский, 1868). Остается только констатировать, что идеи Н.А. Головкинского, не принятые и не понятые его современниками, реализовались через 140 лет в новом варианте МСШ.

Руководящее корреляционное событие, как и любое событие в геологической истории, имело некоторую скорость распространения. И чем она меньше, тем больше будет отклонена прослеживаемая граница от виртуальной изохронной линии. Учитывая, что разные фаунистические группы в разные геологические эпохи осваивали морские бассейны и исчезали из них с разной скоростью, границы, проведенные на основе прослеживания биособытий, будут в различной степени диахронными. Ниже будет показано, как можно выявить диахронность нижних границ лито- и биостратонов, используя признак «наибольшего веса» (Мейен, 1981), за который принято событие с наибольшей скоростью распространения.

Границы большинства мезозойских ярусов рекомендовано проводить по смене аммонитовых фаз (Gradstein et al. 2004). По мнению МКС, геоисторическая смена почти всех мезозойских ярусов может быть прослежена в осадочных бассейнах и, в том числе, на РП, путем выделения в разрезах и сопоставления последовательной смены скоррелированных с Западно-Европейским стандартом аммонитовых зон.

Подошвы всех лито- и биостратонов испытывают возрастное скольжение в большей или меньшей степени. Если для определения временного промежутка, в течение которого начинал формироваться лито- или биостратон, использовать несколько последовательностей событий, одна из которых будет представлять собой смену более скоростных событий, возрастное скольжение основания данного стратона проявится отчетливо. Следовательно, историко-геологические этапы, в течение которых происходит формирование лито- или биостратонов, в той или иной степени пересекаются во времени.

Для проведения глобальной границы, максимально приближенной к изохронной линии, требуется выбрать самое высокоскоростное событие из всех доступных для регистрации и проследить его в как можно большем числе разрезов.

Именно по причине возможного пересечения во времени смежных историко-геологических этапов в новом варианте МСШ (ШГВ–2004) осуществлен переход к шкале физического времени, в которой понятие «ярус» нельзя истолковать по-разному.

Контрольные вопросы:

70. Время в стратиграфии (принцип хронометрии, взаимоотношение принципов Стенона и Головкинского, цель измерения геологического времени)

71. Геохронометрические методы

72. Определения и виды хроностратиграфических подразделений (по Степанову, по Международному стратиграфическому справочнику).

73. Основное рабочее подразделение хроностратиграфии, причина перехода стратиграфии от историко-геологического времени к физическому.

74. Стратотип стратиграфической границы, точка глобального стратотипа границы, шкала геологического времени, руководящее корреляционное событие.

75. Шкала геологического времени: методика построения и использования в стратиграфической практике.

76. «Изохронность» ярусных границ при их прослеживании.

77. О скорости геологических событий и возрастном скольжении границ.