Образец типовой учебной программы от 23

Глава 3 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ


3.1. Геохронология
В геологии приходится иметь дело с толщами горных пород, накопившимися за длительную геологическую историю. Каждая горная порода несёт в себе двойную смысловую нагрузку. С одной стороны, это результат геологических процессов, с другой – вещественное выражение времени. Учение о последовательности формирования и возрасте горных пород называется геохронологией.
Определение момента (когда?), продолжительности (как долго?) и последовательности (в каком порядке?) событий прошлого возможно лишь путем установления порядка напластования и взаимоотношений геологических тел, слагающих литосферу. Возникает необходимость сопоставления координат разных геосистем с помощью одной привилегированной системы отсчета – системы отсчета геологического времени.
В геологии существуют две системы летоисчисления – в стандартных единицах времени (устаревший термин – абсолютный возраст пород) и относительная. В первом случае устанавливается количество лет, прошедшее с момента образования горной породы или геологического события по отношению к настоящему времени, во втором – отношение возраста одних пород или событий к другим.
Методы определения возраста пород в абсолютных единицах времени
Общепризнанным инструментом получения данных в условных абсолютных единицах времени являются методы радиологической датировки (геохронометрические методы. Без них невозможно было бы составить представление о длительности используемых геохронологических подразделений.
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 к 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.
Сущность метода заключена в следующем. В состав некоторых минералов входят радиоактивные изотопы. С момента образования такого минерала в нём протекает процесс радиоактивного распада изотопов, сопровождающийся накоплением продуктов распада. Распад радиоактивных изотопов протекает самопроизвольно, с постоянной скоростью, не зависящей от внешних факторов; количество радиоактивных изотопов убывает в соответствии с экспоненциальным законом. Принимая во внимания постоянство скорости распада, для определения возраста достаточно установить количество оставшегося в минерале радиоактивного изотопа и количество образовавшегося при его распаде стабильного изотопа. Эта зависимость описывается главным уравнением геохронологии:
t = 1 / λ ln (Nk / Nt + 1) ,
где Nk – число изотопов конечного продукта распада;
Nt – число радиоактивных изотопов, не распавшихся по прошествии времени t ,
λ – постоянная распада – доля распавшихся ядер данного изотопа за единицу времени, является величиной известной для каждого изотопа.
При определении возраста горных пород изотопными методами руководствуются следующими периодами полураспада:

При использовании единиц времени в геологии рекомендуется международная система сокращенных обозначений с буквой «а» (от лат. annum – год): Ка (Kilo-annum) – 10³ лет, т.е. тысяч лет, Ма (Mega-annum) – 10⁶ лет, т.е. миллионов лет, Ga (Giga-annum) – 10⁹, т.е. миллиардов лет.
Учитывая периоды полураспада, различные изотопы используются для определения возраста в разных временных диапазонах. Так, радиоактивный углерод ¹⁴С, образующийся в верхних слоях атмосферы в результате действия космических лучей на атом азота ¹⁴ N, используется для определения возраста древесины, торфа и т.д. в пределах 50 000 лет, что позволяет успешно применять его в четвертичной геологии и археологии. Изотопы с большим периодом полураспада применяются для определения возраста докембрийских пород, диапазон формирования которых превышает 3,5 млрд. лет.
Для определения возраста используются многие радиоактивные изотопы: ²³⁸U, ²³⁵U, ⁴⁰K, ⁸⁷Rb, ¹⁴⁷Sm и др. Названия изотопно-геохронологических методов обычно образуются из названий радиоактивных изотопов и конечных продуктов их распада: уран-свинцовый, калий-аргоновый и т.д.
Наиболее применимые в геологической практике методы изотопного определения возраста следующие.