Геологічне літочислення

Потреба в надійних засобах визначення часу стала відчуватися задовго до того, як були виділені основні підрозділи геохронологічної шкали. Були зроблені спроби визначити вік найбільш древніх осадових порід. Намагалися, наприклад, розділити сумарну потужність морських осадових порід на континентах на товщину шару опадів, щорічно виноситься з континентів річками. Вважалося, що отриманий результат являє мінімальний час, за яке могла накопичитися товща осадових порід. Але цей простий розрахунок включав деякі невідомі чинники, які тому повинні були оцінюватися довільно. Найбільш помилкові висновки тягло за собою припущення про те, що швидкість надходження опадів завжди була однаковою; Зараз ми знаємо, що це не так. Величини, отримані за допомогою цього розрахунку – від 100 до 300 мільйонів років – не задовольняли більшість вчених, які вважали, що найбільш стародавні осадові пласти належить набагато старше.
Визначення віку радіометричним методом. Наступний етап у визначенні часу подій історії Землі почався в 1896 р з відкриттям природної радіоактивності. Дослідження, що послідували за цим відкриттям, поклали кінець приблизності оцінок, так як радіоактивність дає спосіб безпосереднього вимірювання дійсного віку порід. У першому розділі книги згадувалося, що внутрішнє тепло Землі приблизно наполовину – результат природної радіоактивності. Хімічні елементи, що володіють в тій чи іншій мірі природною радіоактивністю, входять до складу великої кількості мінералів. До таких елементів відносяться уран, торій, рубідій, стронцій і вуглець. Радіоактивні форми цих елементів мають властивість мимовільного і постійного розпаду атомів. При цьому атоми випускають елементарні енергетичні частинки і перетворюються в «дочірні» атоми, які за будовою відрізняються від вихідних.
Для будь-якого радіоактивного елемента швидкість розпаду постійна і може бути виміряна з достатньою точністю. На цьому заснований метод визначення віку деяких порід, сутність якого зводиться до наступного. Породи складаються з мінералів, а мінерали містять різні елементи, в тому числі і радіоактивні. У будь-якому мінералі, що входить до складу магматичних порід, радіоактивний розпад починається з того моменту, як мінерал викристалізувався з магми. Для кожного радіоактивного елемента відомі дві величини: вихідне кількість цього елемента в мінералі і швидкість розпаду. Третя величина – кількість елемента в мінералі в даний час – може бути виміряна. Якщо всі ці три величини відомі, можна розрахувати час, що минув з моменту кристалізації мінералу з магми і визначити приблизно – з точністю до 5% – вік магматичної породи, до складу якої входить цей мінерал.
Подібним же чином для мінералу, що входить до складу метаморфічної породи, ми можемо розрахувати час, що минув з моменту кристалізації нових мінералів в породі з елементів, які були присутні в ній до початку метаморфізму. Таким чином, вимірювання радіоактивності дають важливу інформацію про час освіти магматичних і метаморфічних порід. Інша працювати з осадовими породами.
У чому ж їх відмінність? Хоча радіоактивний мінерал може входити до складу осадової породи, утворився він не в цій породі. Він був принесений звідкись ззовні і представляв собою речовина іншого походження і давніше, ніж порода, в утворенні якої він брав участь. З тих пір, як мінерал був відкладений, він не піддавався перекристалізації. Таким чином, природний радіоактивний розпад в деякій, можливо значною, мірою вже стався в цьому мінералі до того, як він став частиною осадової породи. Припустимо, що ми виміряли ступінь розпаду в цьому мінералі і таким чином отримали його вік. Все, що можна сказати на цій підставі про осадової породи як пласті, це те, що порода молодше, ніж розглянутий нами мінерал. Коротше кажучи, шар осадової породи не може бути датований безпосередньо радіометричним способом, тобто шляхом вимірювання радіоактивності. На перший погляд це ставить нас в скрутне становище, оскільки геохронологическая шкала заснована на осадових породах, і визначення віку потрібно головним чином для підрозділів цієї шкали.

Належність їх до певних систем встановлюється за що містяться в них копалин, тому вони названі відповідно до геохронологічної шкалою. Між верхніми шарами залягають два древніх лавових потоку; в нижніх пластах є дві дайки (рис. 5), що представляють результат интрузий магми. Вік цих ДАЕК по радіометричним визначень становить відповідно 250 і 210 мільйонів років. Під час затвердіння магми, що послужила вихідним матеріалом для утворення цих ДАЕК, осадові пласти у вузькій зоні зіткнення з магмою «спеклися» і зазнали хімічних змін в результаті впливу гарячої магми, Однак змінена зона відсутня на верхній поверхні ДАЕК. Це означає, що під час освіти интрузии і затвердіння магми шар, який зараз перекриває дайку, ще не утворився. В іншому випадку, він також піддався б змінам під дією тепла і хімічних реакцій. Тому поверхні розділу, до яких приурочені покрівлі обох ДАЕК, повинні бути результатами двох тривалих періодів, протягом яких ерозія знищила шари, колись залягали вище сучасних поверхонь розділу. Отже, ці поверхні, подібно до поверхні (П) на рис. 8, є поверхнями незгоди. З огляду на радиометрические датування цих двох ДАЕК, можна бачити, що тріасовий пласт, який молодший за однією з ДАЕК, але старше іншого, повинен мати вік менш ніж 250, але більш ніж 210 мільйонів років. Віднімаючи одну цифру з іншої, отримуємо 40 мільйонів років – максимальну тривалість тріасового періоду, визначену для цього окремого випадку.
Звертаючись до двох древнім лавовим потокам, ми застосовуємо той же принцип. Лава змінила нижележащие породи, але не впливала на вище розташовані, так як останні відкладалися лише після затвердіння потоку лави. Радіометричний вік шарів лави свідчить про те, що в даному випадку юрські шари не старше 200 мільйонів років і не молодше 140 мільйонів років і що тривалість юрського часу (за цими даними) становить 60 мільйонів років. Ці цифри постійно уточнюються за допомогою нових радіометричних датувань магматичних порід, що знаходяться в подібному співвідношенні з осадовими шарами в інших частинах світу. Цифри, наведені в таблиці 1, являють собою результат, отриманий до теперішнього часу, проте в майбутньому і дані цифри повинні бути в свою чергу уточнені. Датування підрозділів геохронологічної шкали, як і будова самої шкали, постійно уточнюється.
Як показує таблиця 1, систематичні датування шарів закінчуються на рівні 580 мільйонів років, поблизу основи кембрійської системи. Нижележащие докембрийские породи включають лише невелика кількість осадових пластів і головним чином складаються з складного комплексу магматичних і метаморфічних порід. Багато з цих порід були датовані. Виміряний до теперішнього часу вік найбільш древніх порід досягає 3,7 мільярда років, але, звичайно, будуть виявлені і давніші. Що стосується віку самої Землі, то він не визначений точно, але різні дані, в тому числі астрономічні, дозволяють припустити, що Земля як планета налічує 4,5 мільярда років.
Радіоактивний вуглець. Визначення віку радіоактивних атомів (ізотопів) в мінералах має в більшості випадків один істотний недолік. Швидкості радіоактивного розпаду настільки малі, що багатьма існуючими методами вимірювань не можна встановити різницю між зовсім молодими породами, мають вік в декілька сот тисяч років.
Тому, в загальному, у нас мало надійних визначень віку в інтервалі, скажімо, останніх 500 000 років; одним з винятків є датування, отримані вимірами вмісту радіоактивного вуглецю (С14). Цей ізотоп вуглецю розпадається досить швидко, що робить його придатним для датування об’єктів, вік яких укладено в межах близько 50 000 років. Радіоактивний вуглець відіграє важливу роль в біосфері, що дає можливість визначати вік не самих порід, а органічної речовини, що міститься в гірських породах.
Радіоактивний вуглець постійно виникає в атмосфері під дією радіації, що надходить з космічного простору. Він змішується зі звичайним, нерадіоактивним вуглецем, утворює вуглекислий газ (CO2) і швидко поширюється по всій атмосфері, гідросфері і біосфері. Його кількісне співвідношення зі звичайним вуглецем залишається постійним у всій системі, так як швидкість радіоактивного розпаду знаходиться в рівновазі зі швидкістю утворення радіоактивного вуглецю, поки остання зберігається постійною. Тому концентрація радіоактивного вуглецю, його «стійке зміст», повинна бути постійною в пробах повітря, прісної або солоної води, деревині або листі дерева, в тканинах тіла будь-якої тварини до тих пір, поки дерево або тварина живі. Але зі смертю організму вміст радіоактивного вуглецю в його тканинах зменшується, оскільки його втрати внаслідок радіоактивного розпаду не заповнює. Шляхом вимірювань і розрахунків може бути визначено вміст радіоактивного вуглецю (часто з похибкою всього в кілька відсотків), що залишився в зразку органічної речовини, і, отже, час, що минув після смерті організму.
Радіовуглецеве датування надзвичайно важливо. Воно дає можливість простежити історію первісної людини, а також тварин і рослин протягом останніх 50 000 років. З його допомогою визначається також час багатьох подій останнього з великих зледенінь, включаючи грандіозне вторгнення льоду в Північній Америці і Європі, яка досягла максимуму приблизно 20 000 років тому. У нашій розповіді ми використовуємо багато радіовуглецеві датування, а також інші визначення віку набагато більш древніх об’єктів, зазвичай самих гірських порід.

Посилання на основну публікацію