Тема  2.2

Относительный и абсолютный возраст горных пород и методы определения.

Возраст Земли.

Возраст Земли как планеты по последним данным оценивается – 4,6 млрд.лет. изучение метеоритов и лунных пород так же подтверждает эту цифру. Однако самые древние породы Земли, доступные непосредственному изучению, имеют возраст около 3,8 млрд. лет. Поэтому весь древний этап истории Земли носит название до геологической стадии. Объектом же геологического изучения является история Земли за последние3,8 млрд. лет, которая выделяется в ее геологическую стадию.

     Для выяснения закономерностей и условий образования г.п. необходимо знать последовательность их образования и возраст т.е. установить их геологическую хронологию.

     Различают относительный возраст горных пород (относительная хронология) и абсолютный возраст г.п. (абсолютная геохронология).

     Установлением возраста горных пород занимается наука - стратиграфия (лат. Stratum - слой).

   Относительный возраст горных пород и методы его определения

 Определение относительного возраста пород – это установление, какие породы образовались раньше, а какие – позже.

     Относительный возраст осадочных г.п. устанавливается с помощью геолого - стратигафических (стратиграфического, литологического, тектонического, геофизических) и биостратиграфических методов.

Стратиграфический метод основан на том, что возраст слоя при нормальном залегании определяется – нижележащие их слои являются более древними, а вышележащие более молодыми. Этот метод может быть использован и при складчатом залегании слоев. Не может быть использован при опрокинутых складах.

Литологический метод основан на изучении и сравнении состава пород в разных обнажениях (естественных- в склонах рек, озер, морей, искусственных – карьерах, котлованах и т.д.). На ограниченной по площади территории, отложения одинакового вещественного состава (т.е. состоят из одинаковых минералов и горных пород), могут быть одновозрастными. При сопоставлении разрезов различных обнажений используют маркирующие горизонты, которые отчетливо выделяются среди других пород и стратиграфически выдержаны на большой площади.

     Тектонический метод основан на том, что мощные процессы деформации г.п. проявляются (как правило) одновременно на больших территориях, поэтому одновозрастные толщи имеют примерно одинаковую степень дислацированности (смещения). В истории Земли осадконакопления периодически сменялись складчатостью и горообразованием.

     Возникшие горные области разрушались, а на выровненную территорию вновь наступало море, на дне которого уже не согласно накапливались толщи новых осадочных г.п. в этом случае различные несогласия служат границами, подразделяющими разрезы на отдельные толщи.

     Геофизические методы основаны на использовании физических характеристик отложений (удельного сопротивления, природной радиоактивности, остаточной намагниченности г.п. и т.д.) при их расчленении на слои и сопоставлении.

     Расчлинении пород в буровых скважинах на основании измерений удельного сопротивления г.п. и пористости называется электрокаротаж, на основании измерений их радиоактивности – гамма-каротаж.

     Изучении остаточной намагниченности г.п. называют палеомагнитным методом; он основан на том, что магнитные минералы, выпадая в осадок, распластаются в соответствии с магнитным полем Земли той эпохи которая, как известно, постоянно менялась в течении геологического времени. Эта ориентировка сохраняется постоянно, если порода не подвергается нагреванию выше 500 С (т.н. точка Кюри) или интенсивной деформации и перекристаллизации. Следовательно, в различных слоях направление магнитного поля будет различным. Палеомагнитизм позволяет т.о. сопоставлять отложения значительно отдаленные друг от друга (Западное побережье Африки и Восточное побережье Латинской Америки).

     Биостратиграфические или палеонтологические методы  состоят в определении возраста г.п. с помощью изучения ископаемых организмов (подробно палеонтологические методы будут рассмотрены в следующей лекции).

     Определение относительного возраста магматических и метаморфических горных пород (все выше охарактеризованные методы – для определения возраста осадочных пород) осложнено отсутствием палеонтологических остатков. Возраст эффузивных пород, залегающих совместно с осадочными устанавливаются по отношению к осадочным породам.

     Относительный возраст интрузивных пород определяется по соотношению магматических пород и вмещающих осадочных пород, возраст которых установлен.

     Определение относительного возраста метармофических пород аналогично определению относительного возраста магматических пород.

Абсолютный возраст горных пород и методы его определения

Абсолютная геохронология устанавливает возраст г.п. в единицах времени. Определение абсолютного возраста необходимо для корреляции и сопоставления биостратиграфических подразделений различных участков Земли, а так же установления возраста лищенных палеонтологических остатков фанерозойских и докембрийских пород.

     К методам определения абсолютного возраста пород относятся методы ядерной (или изотопной геохронологии) и не радиологические методы.

     Урано-ториево-свинцовый метод базируется на использовании трех процессов радиоактивного распада изотопов урана и тория:

 ²¹⁸U ²⁰⁶Pb ²³⁵U ²⁰⁷Pb ²³²Th ²⁰⁸Th ²⁰⁸Pb. Период полураспада ²³⁸U составляет 4510 млн. лет, ²³⁶U- 713 млн. лет и ²³²Th 15170 млн. лет. Исходя из продолжительности распада минералы, содержащие эти элементы, используются для определения возраста . Измерив в минерале содержание радиоактивных изотопов урана и тория и радиогенных частей трех изотопов свинца, а так же содержание нерадиогенного изотопа свинца ²⁰⁴Pb находят 6 изотопных отношений. Одно из них в настоящее время считается фиксированным (²³⁸U / ²³⁵U = 137,7), а остальные пять (²⁰⁶Pb/ ²³⁸U, ²⁰⁷Pb/ ²³⁵U, ²⁰⁸Pb/²³²Th, ²⁰⁷Pb/ ²⁰⁶Pb, ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb) дают возможность оценить возраст минерала. Близость всех пяти результатов свидетельствует о достоверности проведенного анализа.

Более перспективен способ определения возраста по обыкновенному свинцу – по любому из соотношений ²⁰⁷Pb, ²⁰⁶Pb или ²⁰⁸Pb, ²⁰⁴Pb в галените, который содержит ничтожные количества урана и тория, а так же по U/Pb в цирконе Эти отношения практически не меняются со временем, и они тем больше, чем позднее минералы выделились из содержащей уран и торий магмы.

      Свинцовый метод – наиболее старый и хорошо разработанный метод ядерной геохронологии. Впервые его применил в 1907 году Б. Болтвуд в Канаде. В настоящее время он усовершенствовал и используется с непременным анализом изотопного свинца на масс-спектрометре. Поэтому его не редко называют свинцово-изотопным методом. Для измерения возраста по свинцово-изотопному методу применяют минералы, содержащие уран и торий.

      Рубидий - стронциевый метод основан на очень медленном распаде радиоактивного изотопа ⁸³Rb и превращении его в изотоп стронция ⁸⁷Sr. Ныне радиоактивный изотоп рубидия составляет в среднем 27,85 % природного рубидия. Период полураспада рубидия равен 47000 млн лет.

     Возраст пород, содержащих только стронций (без рубидия), оценивается грубым стронциевым методом по отношению ⁸⁷Sr/ ⁸⁶Sr. Изотоп рубидия присутствует в виде примеси в калиевых минералах, чаще всего в биотите, мусковите, лепидолите. Из–за низкой скорости распада рубидия данный метод широко применяется для определения возраста докембрийских и палеозойских пород.

     Калий – аргоновый метод основан на распаде радиоактивного ⁴⁰K, при котором около 12% этого изотопа превращается в аргон ⁴⁰Ar с периодом полураспада 1300 млн. лет. Постоянная радиоактивного распада X_k = 0,058 5 млрд. лет^-1 . Остальные 88% калия переходят в ⁴⁰K с более высокой скоростью (постоянная радиоактивного распада x_a = 0,472 млрд. лет^-1). Этот метод применяется пи исследовании слюд, амфиболов, калиевого полевого шпата, глауконита и валовых проб изверженных пород с возрастом от десятков тысяч до сотен миллионов лет. Определение возраста метаморфических пород калий-аргоновым методом не рекомендуется из-за значительных утечек аргона, происходящих при температурах свыше 300 ºС и при больших давлениях.

     Самарий – неодимовый метод основан на очень медленном распаде изотопа самария ¹⁴⁷Sm, который встречается в смеси со стабильными изотопами ¹⁴⁴Sm, ^148-150Sm, ¹⁵²Sm, ¹⁵⁴Sm с периодом полураспада 153 млрд лет (постоянная радиоактивного распада x = 0,006 54 млрд. лет^-1). Конечным продуктом распада является радиогенный ¹⁴⁴Nd.

Самарий – неодимовый метод считается одним из наиболее надежным (наряду с U/Pb по циркону) для определения возраста глубокометаморфизованных раннедокембрийских пород, хотя так же иногда дает заниженные значения.

     Радиоуглеродный метод базируется на определении радиоактивного изотопа ¹⁴С в органических остатках или в породах с высоким содержанием органического вещества. Этот изотоп постоянно образуется в атмосфере из азота ¹⁴N под воздействием космического излучения и усваивается живыми организмами. После отмирания происходит распад ¹⁴С и, зная скорость его распада, удается определить возраст захоронения организма. Период полураспада ¹⁴С равен 5750 лет. Поэтому с помощью этого метода определяется возраст осадков не древнее 60-80 тыс. лет.

     Метод треков осколочного деления урана базируется на том , что во всех минералах, содержащих уран, возникают структурные изменения, фиксирующие пробег осколков от спонтанного деления урана. Они видны в виде треков при увеличении под микроскопом. Обычно подсчитывается плотность этих треков, т.е. их число на единицу поверхности. Чем больше возраст минерала, тем больше плотность треков при прочих равных условиях. Для определения содержания урана образец минерала облучают нейтронами. При этом возраст минерала будет являться функцией отношения числа треков от спонтанного деления урана, к числу вновь появившихся треков на единицу площади или объема. В последние годы трековый метод стали использовать для определения возраста четвертичных вулканических пород.

Радиогеохронологические методы непрерывно совершенствуются, повышается их точность, разрабатываются новые более тонкие методики. Они имеют наибольшую ценность для определения возраста магматических и метаморфических пород, лишенных каких либо органических остатков, широко применяются так же для установления возраста фанерозойских отложений, для определения положительности стратиграфических подразделений разного ранга, выделенных на основе палеонтологического метода.

Наиболее подходящим для радиометрического датирования (исключая радиоуглеродный метод) являются магматические породы. Меньше подходят метаморфические породы, поскольку они часто прошли не один, а два-три этапа метаморфизма, каждый из которых мог сопровождаться потерей радиогенных изотопов.

Опыт радиометрического датирования магматических и метаморфических пород показал, что наибольший смысл имеет комплексное применение разных методов к одной и той же породе и к разным составляющим ее минералам, а так же к породе в целом («по валу».)

Измеряя возраст пород одним методом и по одним минералам, например урано-свинцовым по циркону или самарий-неодимовым по породе, мы получаем возраст, наиболее близкий к первичному возрасту породы или ее первому метаморфизму, а  данные других методов и по другим минералам позволяют датировать более поздние эпохи метаморфизма.                                            

По результатам вышеперечисленных исследований можно составить стратиграфическую колонку. Пример колонки приведен ниже.

Контрольные вопросы.

1. Возраст Земли.

2. Методы определения возраста горных пород.

3. Значение стратиграфической колонки в геологии.

Стратиграфическая колонка .