Завдання історичної геології та основні етапи її розвитку
Методи визначення віку гірських порід
Історична геологія вивчає закономірності розвитку земної кори в часі та просторі з моменту її утворення до наших днів.
Історична геологія вивчає:
вік гірських порід, тобто хронологічну послідовність їх утворення і положення в розрізі земної кори, залишки вимерлих тварин і рослин та історію розвитку органічного світу.
фізико-географічні умови земної поверхні - положення суші та моря, рельєф, клімат, що існували в різний час геологічної історії.
тектонічну обстановку і характер магматичної діяльності минулих епох, розвиток земної кори, історію виникнення і розвитку дислокацій - піднять, прогинів, складок, розривних порушень та інших тектонічних елементів.
закономірну приуроченість родовищ корисних копалин до певним структурам, магматичним тілам, своєрідним комплексам геологічних утворень
Історична геологія є одним з великих розділів геологічних наук, в якому в хронологічному порядку розглядається геологічне минуле Землі. Оскільки геологічним спостереженнями доступна поки земна кора, остільки розгляд різноманітних природних явищ і процесів поширюється на земну кору. Формування Земної кори визначають різноманітні фактори, з яких провідними є - час, фізико-географічні умови і тектоніка. Тому для відновлення історії земної кори вирішуються такі завдання:
Визначення віку гірських порід.
Відновлення фізико-географічних умов земної поверхні минулого.
Відновлення тектонічних рухів і різних тектонічних структур
Визначення будови і закономірностей розвитку земної кори
1.Включает вивчення складу, місця і часу утворення пластів гірських порід і їх кореляцію. Її вирішує розділ історичної геології - стратиграфія.
2.Рассматрівает - клімат, рельєф, розвиток стародавніх морів, річок, озер і т.д. в минулі геологічні епохи. Всі ці питання розглядає палеогеографія.
3.Тектоніческіе руху змінюють первинне залягання гірських порід. Вони відбуваються внаслідок горизонтальних або вертикальних рухів окремих блоків земної кори. Визначенням часу, характеру, величини тектонічних рухів займається геотектоніка. Тектонічні рухи супроводжуються проявом магматичної діяльності. Час і умови утворення магматичних порід відновлює петрологія.
4. Вирішується на основі аналізу та синтезу результатів вирішення перших трьох завдань.
Всі основні завдання тісно пов'язані між собою і вирішуються паралельно з допомогою різних методів.
Основні етапи розвитку історичної геології
Як наука історична геологія почала формуватися на рубежі 18-19 століть, коли У. Сміт в Англії, а Ж. Кюв і А. Броньяр у Франції прийшли до однакових висновків про послідовну зміну шарів і знаходяться в них залишків викопних організмів. На основі біостратиграфічних методу були складені перші стратиграфічні колонки, розрізи, що відображають вертикальну послідовність осадових порід. Відкриття цього методу поклало початок стратиграфічному етапу розвитку історичної геології. Протягом першої половини 19 століття були встановлені майже всі основні підрозділи стратиграфічної шкали, проведена систематизація геологічного матеріалу в хронологічній послідовності, розроблена стратиграфічна колонка для всієї Європи. У цей період в геології панувала ідея катастрофізму, яка пов'язувала всі зміни, що відбуваються на Землі (зміна залягання товщ, освіта гір, вимирання одних видів організмів і поява нових та ін) з великими катастрофами.
Ідею катастроф змінює вчення про еволюцію, яке всі зміни на Землі розглядає як результат дуже повільних і тривалих геологічних процесів. Основоположниками вчення є Ж. Ламарк, Ч. Лайєль, Ч. Дарвін.
До середини 19 ст. відносяться перші спроби провести реконструкцію фізико-географічних умов по окремим геологічним епох для великих ділянок суші. Ці роботи, проведені вченими Дж. Дана, В.О. Ковалевським та ін, поклали початок палеогеграфічного етапу розвитку історичної геології. Велику роль для становлення палеогеографії мало запровадження поняття про фації ученим А. Гресслі в 1838 р. Сутність його полягає в тому, що породи одного і того ж віку можуть мати різний склад, що відображає умови їх утворення.
У другій половині 19 ст. зароджується уявлення про геосинкліналях як протяжних прогинах, заповнених потужними товщами осадових порід. А до кінця століття А.П. Карпінським закладаються основи вчення про платформи.
Подання про платформи і геосинкліналях як найголовніших елементах структури Земної кори дає початок третьому «тектонічному» етапу розвитку історичної геології. Воно вперше було викладено в працях вченого Е. Ога «Геосинкліналі і континентальні площі». У Росії поняття про геосинкліналях було введено Ф.Ю. Левінсон-Лессингом на початку 20 ст.
Таким чином, ми бачимо, що до середини 20 ст. історична геологія розвивалася з переважанням якогось одного наукового напрямку. На сучасному етапі історична геологія розвивається за двома напрямками. Перший напрямок - це детальне вивчення геологічної історії Землі в області стратиграфії, палеогеографії і тектоніки. При цьому вдосконалюються старі методи досліджень і залучаються нові, такі як: глибоке і надглибоке буріння, геофізичні, палеомагнітние; космічного зондування, абсолютної геохронології і т.д.
Другий напрямок - роботи зі створення цілісної картини геологічної історії земної кори, виявлення закономірностей розвитку і встановленню причинного залежності між ними.
Методи визначення віку гірських порід
Вивченням тривалості і послідовності геологічних подій займається геохронологія (від греч.ge + chronos + logos). Вона у свою чергу підрозділяється: на абсолютну і відносну.
Абсолютна геохронологія встановлює час виникнення гірських порід та інших геологічних явищ в астрономічних одиницях (роках).
Методи визначення абсолютного віку
1. Метод стрічкових глин - заснований на явищі зміни складу опадів, які відкладаються в спокійному водному басейні при сезонному зміну клімату. За 1 рік утворюється 2 шари. В осінньо-зимовий сезон відкладається шар глинистих порід, а у весняно-літній утворюється шар піщаних порід. Знаючи кількість таких пар шарів, можна визначити - скільки років формувалася вся товща.
2.Методи ядерної геохронології
Ці методи спираються на явище радіоактивного розпаду елементів. Швидкість цього розпаду постійна і не залежить від будь-яких умов, що відбуваються на Землі. При радіоактивному розпаді відбувається зміна маси радіоактивних ізотопів і накопичення продуктів розпаду - радіогенний стабільних ізотопів. Знаючи період піврозпаду радіоактивного ізотопу, можна визначити вік мінералу його містить. Для цього потрібно визначити співвідношення між змістом радіоактивної речовини і продукту його розпаду в мінералі.
У ядерній геохронології основними є:
Свинцевий метод - використовується процес розпаду 235U, 238U, 232Th на ізотопи 207Pb і 206Pb, 208Pb. Використовуються мінерали: монацит, ортіта, циркон і уранініт. Період напіврозпаду ~ 4,5 млрд. років.
Калій-аргоновий - під час розпаду До ізотопи 40К (11%) переходять в аргон 40Ar, а інші в ізотоп 40Ca. Оскільки До присутній у породоутворюючих мінералах (польові шпати, слюди, піроксени і амфіболи), метод широко застосовується. Період напіврозпаду ~ 1.3млрд. років.
Рубідій-стронцієвий - використовується ізотоп рубідію 87Rb з утворенням ізотопу стронцію 87Sr (використовувані мінерали - слюди містять рубідій). Через велику періоду напіврозпаду (49.9 млрд. років) застосовується для найбільш древніх порід земної кори.
Радіовуглецевий - застосовується в археології, антропології та найбільш молодих відкладень Земної кори. Радіоактивний ізотоп вуглецю 14С утворюється при реакції космічних часток з азотом 14N і накопичується в рослинах. Після їх загибелі відбувається розпад вуглецю 14С, і за швидкістю розпаду визначають час загибелі організмів і вік вміщуючих порід (період напіврозпаду 5.7тис. Років).
До недоліків усіх цих методів відносяться:
невисока точність визначень (похибка у 3-5% дає відхилення в 10-15 млн. років, що не дозволяє розробляти дробову стратифікацію).
спотворення результатів через метаморфізму, коли утворюється новий мінерал, аналогічний мінералу материнської породи. Наприклад, серицит-мусковіт.
Тим не менш, за ядерними методами велике майбутнє, оскільки весь час удосконалюється апаратура, яка дозволяє отримувати більш надійні результати. Завдяки цим методам встановлено, що вік Земної кори перевищує 4.6 млрд. років, тоді як до застосування цих методів він оцінювався лише в десятки і сотні мільйонів років.
Відносна геохронологія визначає вік порід і послідовність їх утворення стратиграфічні методами, а розділ геології, що вивчає взаємини гірських порід в часі і просторі називається стратиграфией (від лат. Stratum-шар + грец. Grapho).
Методи відносної геохронології поділяються на:
біостратиграфічних або палеонтологічні,
НЕ палеонтологічні.
Палеонтологічні методи (Біостратиграфія)
В основі методу-визначення видового складу викопних решток давніх організмів та подання про еволюційний розвиток органічного світу, згідно якого в стародавніх відкладеннях знаходяться залишки простих організмів, а в більш молодих - організми складної будови. Ця особливість використовується для визначення віку порід.
Для геологів важливим моментом є те, що еволюційні зміни в організмах і поява нових видів відбувається в певний проміжок часу. Межі еволюційних перетворень - це межі геологічного часу накопичення осадових шарів і горизонтів.
Викопні організми поділяються на 2 типи. До першого належать такі, які існували тривалий час без особливих змін і зустрічаються в декількох пластах осадової товщі. Другий тип - це організми, які мешкали у вузькому відрізку часу і зустрічаються в окремих пластах осадових порід. Їх називають керівні копалини або керівні форми. Керівні форми повинні: часто і у великих кількостях зустрічатися в шарі і легко розпізнаватися; мати вузький віковий (або вертикальний) інтервал поширення, але широке горизонтальне розповсюдження, щоб можна було порівняти віддалені розрізи.
Метод визначення відносного віку шарів за допомогою керівних копалин так і називається метод керівних копалин. Згідно з цим методом одновіковими є шари, в яких містяться близькі керівні форми. Цей метод став першим палеонтологічними методом визначення віку порід. На його основі була розроблена стратиграфія багатьох регіонів.
Щоб уникнути помилок, поряд з цим методом використовується метод палеонтологічних комплексів. У цьому випадку використовується весь комплекс вимерлих організмів, зустрінутий в досліджуваній товщі. При цьому можуть бути виділені:
1-копалини форми, жили тільки в одному шарі; 2-форми, що вперше з'явилися в досліджуваному шарі і переходять у вищерозміщений (проводиться нижня межа шару); 3-форми, що переходять з нижнього шару і закінчили своє існування в досліджуваному шарі (доживають форми) ; 4-форми, що жили в нижньому або верхньому шарі, але не зустрінуті в досліджуваному шарі (верхня і нижня межі шару).
Чи не палеонтологічні методи
Основні з них поділяються на:
літологічні
структурно-тектонічні
геофізичні
Літологічні методи розділення товщ спираються на відмінності окремих шарів, складових досліджувану товщу за кольором, речовинним складом (мінералого-петрографічним), текстурним особливостям. Серед верств і пачок у розрізі знаходять такі, які різко відрізняються за цими властивостями. Такі шари і пачки легко визначаються в сусідніх відслоненнях і простежуються на великі відстані. Їх називають маркірують горизонтом. Метод поділу осадової товщі на окремі пачки і шари називається метод маркованих горизонтів. Для окремих регіонів або вікових інтервалів маркірують горизонтом можуть бути прошаруй вапняку, кременистих сланців, конгломерати тощо
Мінералого-петрографічний метод застосовується, коли відсутня маркирующий горизонт і осадова товща за літологічним складом досить одноманітна, тоді для зіставлення у розрізі окремих шарів і їх відносного віку спираються на мінералого-петрографічні особливості окремих шарів. Наприклад, в декількох шарах пісковика встановлені такі мінерали як рутил, гранат, циркон і визначили їх% вміст. За кількісним співвідношенням цих мінералів поділяють товщу на окремі шари або горизонти. Таку ж операцію проводять у сусідньому розрізі, а потім зіставляють результати між собою і проводять кореляцію шарів у розрізі. Метод трудомісткий - необхідно відібрати і проаналізувати велику кількість зразків. У той же час метод можна застосовувати для невеликих площ.
Структурно-тектонічний метод - в його основі лежить уявлення про існування перерв у осадконакоплении на великих ділянках земної кори. Перерви в осадконакоплении наступають тоді, коли ділянка морського басейну, де накопичувалася осадова товща, стає піднесеним і на цей період тут припиняється формування опадів. У подальший геологічний час дана ділянка може знову почати занурення, знову стати морським басейном, в якому відбувається накопичення нових осадових товщ. Кордон між товщами представляє собою поверхню незгоди. За таких поверхнях проводять розчленування осадової товщі на пачки і зіставляють їх у сусідніх розрізах. Товщі, укладені між однаковими поверхнями незгоди розглядаються як одновікові. На відміну від літологічного методу структурно-тектонічний метод використовується для зіставлення великих стратиграфічних підрозділів у товщах.
Окремим випадком структурно-тектонічного методу є метод рітмостратіграфіі. У цьому випадку проводять розчленування осадового розрізу на пачки, які формувалися в басейні при чергуванні занурення і підняття поверхні осадконакопичення, яке супроводжувалося настанням і відступом моря. Таке чергування відбилося на осадової товщі як послідовна зміна горизонтів глибоководних порід на мілководні і навпаки. Якщо така послідовна зміна горизонтів спостерігається в розрізі багаторазово, то кожну з них виділяють в ритм. І за такими ритмам зіставляють стратиграфічні розрізи в межах одного басейну осадконакопичення. Цей метод широко використовується для кореляції розрізів потужних вугленосних товщ.
Визначення відносного віку магматичних порід і рудних жив (або ДАЕК)
Процес формування магматичних тіл супроводжується їх впровадженням у осадову товщу порід. Тому в основі визначення їх віку лежить вивчення взаємовідносин між магматичними і жильними тілами і пачками осадових порід, які вони перетнули, і вік яких встановлений.
Геофізичні методи засновані на порівнянні порід за фізичними властивостями. За своєю геологічною сутності геофізичні методи близькі мінералого-петрографічним методу, оскільки і в цьому випадку виділяються окремі горизонти, зіставляються їх фізичні параметри і за ними проводиться кореляція розрізів. Геофізичні методи не носять самостійного характеру, а застосовуються в комплексі з іншими методами.
Розглянуті методи абсолютної і відносної геохронології дозволили визначити вік і послідовність утворення гірських порід, а також встановити періодичність геологічних явищ і виділити етапи в тривалій історії Землі. У кожен етап послідовно накопичувалися товщі порід, і це накопичення відбувалося в певний проміжок часу. Тому будь-яка Геохронологічна класифікація містить подвійну інформацію і об'єднує дві шкали - стратиграфическую і геохронологічної. Стратиграфічна шкала відображає послідовність накопичення товщ, а Геохронологічна шкала - відповідний цьому процесу період часу.
На основі великої кількості даних по різних регіонах і континентах була створена спільна для земної кори Міжнародна Геохронологічна шкала, що відбиває послідовність підрозділів часу, протягом яких формувалися певні комплекси відкладень і еволюцію органічного світу.
У стратиграфії підрозділу розглядаються від великих до дрібних:
еонотема - група - система - відділ-ярус. Їм відповідають
еон - ера - період - епоха - століття
Кожен підрозділ в геохронологічної шкалою має свою назву. Назви походять від грецьких слів (археос-древній і т.д.) або від місця, де вони вперше були виділені. Крім того, кожен підрозділ має свій колір і індекс, який складається з початкових букв назви підрозділу і цифр. Наприклад: D2ef означає - ейфельского ярус середнього девону. Такими індексами зручно користуватися при складанні геологічної карти або геологічного розрізу. Геологічна карта відображає поширення гірських порід і їх вік на поверхні Землі. Тому вона складається на топооснови різного масштабу. Геологічні розрізи свідчать про поширення гірських порід від поверхні Землі до певних глибин, спроектованих на вертикальну площину. У залежності від поставлених геологічних завдань, розрізи також складаються в різному масштабі.