Лекция 3: Геохронология

Экскурсия в Палеонтологический музей
• Четверг, 3 апреля, в 16-00
• Адрес: Профсоюзная, 123 (10 минут от метро Теплый
стан).
• Сбор в 15-50 в вестибюле музея.
Геохронология
Геохронологическая шкала
У г-х шкалы два смысла:
1) геологический (пласты
пород, совокупности
трехмерных геологических
тел)
2) хронологический (отрезки
времени, периоды истории
Земли)
Поэтому подразделения
шкалы имеют два
параллельных ряда
названий.
«тетраподы появились в
фаменском веке», но
«остатки первых тетрапод
происходят из пород
фаменского яруса»
GSSP (Global Boundary Stratotype Section and Point), «золотой гвоздь» – утвержденная
Международной Стратиграфической Комиссией эталонная точка в эталонном
(стратотипическом) геологическом разрезе, соответствующая нижней границе яруса
(stage) геохронологической шкалы.
геология
хронология
Эонотема / Eonothem
Эон / Eon
Эратема / Erathem
Эра / Era
Система / System
Период / Period
Отдел / Series
Эпоха / Epoch
Ярус / Stage
Век / Age
нижний, средний, верхний
(Lower, Middle, Upper)
ранний, средний, поздний
(Early, Middle, Late)
Криптозой и фанерозой
• Время «скрытой жизни» и «явной жизни».
Представительность палеонтологической
летописи резко возрастает в начале кембрия.
• Поэтому в криптозое границы – по
абсолютным радиометрическим датировкам
(часы на шкале), в фанерозое –
биостратиграфические границы по
появлению/исчезновению определенных
организмов.
«Золотые гвозди»
«Золотой гвоздь», вбитый в границу отложений криогенового и эдиакарского (вендского)
периодов в типовом разрезе в Австралии. Возраст границы - 635 млн лет. Ниже, в
криогеновых отложениях, присутствуют следы величайшего в истории Земли оледенения
(ледники доходили до экватора). В криогеновых отложениях обнаружены химические
следы присутствия низших многоклеточных животных - губок. Выше, в эдиакарском
периоде, появляются ископаемые эмбрионы многоклеточных, заключенные в сложные
оболочки, и другие формы животной жизни.
синемюр
геттанг
Нижняя граница синемюрского яруса (нижняя юра, 199.3 млн. лет) в стратотипическом разрезе East
Quantoxhead у г. Watchet, Западный Сомерсет, Юго-Восточная Англия. Характеризуется появлением
аммонитов Arietites bucklandi. Ниже – геттангский ярус, начало которого маркируется появлением
аммонитов Psiloceras.
Для начала запомним самые крупные
геохронологические подразделения
Эон
Эра
Начало (млн
лет назад)
Конец (млн
лет назад)
Фанерозой
Кайнозой
66
продолжается сейчас
Мезозой
252
66
Палеозой
541
252
2500
541
4000
2500
4600
4000
Протерозой палео-, мезо-,
неоАрхей
эо-, палео-,
мезо-, неоКатархей
Методы геохронологии
(датирования горных пород)
• Горные породы делятся на магматические,
осадочные и метаморфические.
• Датирование бывает относительное (что
было раньше, что позже) и абсолютное
(возраст в годах).
• Методы относительного датирования – в
основном для осадочных пород,
абсолютного – для магматических.
1. Относительная геохронология
• Стратиграфия — наука, изучающая
последовательность слоев земной коры
• Принцип суперпозиции (Николай Стенон):
нижние слои образовались раньше верхних
• Два этапа: 1) расчленение (описание слоев)
и 2) геологическая корреляция
(установление соответствия между слоями
в разных районах)
Геологическая корреляция
Геологическое обнажение (разрез) палеозойских осадочных пород в Аризоне (США)
Результат работы
стратиграфов:
«стратиграфическая колонка»
нижнепалеозойских
отложений окрестностей
Саблино (Ленинградская
обл.). Сначала
осуществляется расчленение геологического разреза
и описание слоев (результаты
отражены в столбцах
«колонка», «мощность»,
«характеристика пород»).
Затем
производится корреляция:
привязка разреза к местной
шкале (столбцы «горизонт»,
«свита») и к глобальной
шкале (столбцы «ярус»,
«отдел»,«система»).
Корреляция
• Основной метод – палеонтологический или
биостратиграфический (слои коррелируются по
комплексам ископаемых)
• Руководящие ископаемые - организмы, дающие самые
надежные относительные датировки.
• Требования к руководящим формам: 1) широкое
распространение, 2) массовость, 3) хорошая
сохраняемость, 4) быстрая эволюция (недолгий интервал
существования), 5) желательна также встречаемость в
отложениях разных типов (поэтому планктонные
животные лучше бентосных, споры и пыльца – лучше, чем
листья и корни).
Примеры руководящих ископаемых
• споры и пыльца растений,
• мелкие планктонные организмы (фораминиферы,
радиолярии, кокколитофориды),
• массовые планктонные и бентосные животные с
твердым скелетом (трилобиты, аммониты,
конодонты, археоциаты, двустворчатые и
брюхоногие моллюски, брахиоподы и др.)
• Для разных отрезков Фанерозоя – разные комплексы
руководящих форм.
Древнейшие споры наземных
растений – мохообразных
(«криптоспоры» печеночников).
473-471 млн лет (конец раннего
ордовика), Южная Америка.
Древнейшие споры сосудистых
растений – риниофитов. 450-444
млн лет (конец позднего
ордовика), Аравия.
Фузулиниды (вымерший отряд
фораминифер) – важны для
стратиграфии верхнего карбона и
перми.
Планктонные фораминиферы (отряд Globigerinida)
Юра – ныне. Важны для стратиграфии
позднемезозойских и кайнозойских морских отложений.
радиолярии (кембрий – ныне)
Агностиды – мелкие безглазые трилобиты,
важны для стратиграфии среднего и верхнего
кембрия
кокколитофориды (массовые планктонные
водоросли, юра - ныне)
Аммониты (девон – мел, особенно важны для
стратиграфии мезозоя)
Conodonta – большая
вымершая группа
планктонных хордовых
животных (позвоночные?)
Кембрий – триас.
Археоциаты – древние губки, формировавшие
массивные рифы в раннем кембрии
Рудисты – рифообразующие двустворчатые моллюски
позднего мезозоя (юра – мел)
Гастроподы: известны с раннего кембрия, но
доминирующей группой морского бентоса стали
только в мелу – кайнозое.
Мшанки (конец кембрия – ныне) в прошлом
нередко образовывали рифы.
Примеры других (небиологических)
маркеров, используемых в стратиграфии:
• Прослойки вулканического пепла
(датируются радиометрическими
методами),
• Колебания микроэлементного и изотопного
состава (например, падение крупных
метиоритов иногда приводит к
«иридиевым аномалиям»)
• Литологические характеристики пород
Палеомагнитный метод
• При переходе железосодержащих веществ из
жидкого состояния в твердое в образующихся
минералах (магматических породах)
сохраняется остаточная намагниченность. Ее
вектор совпадает с ориентацией магнитного
поля Земли в момент образования минерала.
• Магнитное поле Земли время от времени
претерпевает инверсии
• Остаточная намагниченность позволяет
определить, когда образовался данный слой:
в эпоху «прямой» или «обратной»
полярности.
Палеомагнитная шкала кайнозойской эры.
Черный цвет — прямая намагниченность,
белый — обратная
Абсолютная геохронология:
радиометрическое датирование
Абсолютная геохронология:
радиометрическое датирование
Если в новообразовавшейся магматической породе:
1) изначально не было продуктов распада данного изотопа (или известно, сколько
их было);
2) если изотоп и продукты его распада не вымывались, не улетучивались и не
внедрялись извне,
то можно точно определить возраст породы, измерив соотношение масс изотопа и
его продуктов.
Знать изначальное содержание изотопа в породе для этого не нужно!
Например, если в породе обнаружено соотношение 40K и (40Ar + 40Ca), равное 1:1, то
эта порода образовалась 1,3 млрд лет назад (1 период полураспада).
В действительности всё, как всегда, сложнее. Проблема 1: 40Сa – обычный изотоп, он есть в породе с самого
начала. Решение: известно, какая доля 40K превращается именно в аргон-40 (10.72% атомов). Проблема 2:
при застывании породы мог быть захвачен атмосферный аргон. Решение: в атмосферном аргоне есть
другие изотопы (36 и 38) в известной пропорции; по их примеси можно рассчитать начальное
содержание 40Ar.
А если продукты распада данного изотопа были в породе изначально, и мы не знаем,
сколько их было?
Тогда используют метод изохрон. Он основан на том, что в разных частях
новообразовавшейся магматической породы химический и элементный состав
разный, но соотношение изотопов каждого элемента – одинаковое.
Метод изохрон
В разных частях только что застывшего
расплава (в разных минералах)
элементный состав может быть разным
(M/D2≠const), но изотопный состав, как
правило, одинаков (D1/D2=const).
• Три нуклида: M (материнский, радиоактивный), D1 (дочерний, радиогенный) и D2
(нерадиогенный изотоп того же элемента, что и D1).
• Берут несколько образцов породы, различающихся содержанием M.
• Измеряют концентрации M, D1, D2. Cтроят график зависимости [D1]/[D2] от [M]/[D2].
• При отсутствии выноса и привноса нуклидов такой график является прямой линией — изохроной.
Ее наклон показывает возраст породы.
Круги - только что извернувшаяся порода, треугольники – порода возрастом в 0,5 периода
полураспада M, квадраты — порода возрастом в 1 период полураспада M.
•
•
•
•
•
•
•
87Rb
превращается в 87Sr
Период полураспада 48.8 млрд лет
87Sr > 0 (изначально присутствует, нельзя пренебречь)
o
86Sr – не радиогенный изотоп
Количество 87Sr в соврем. минерале = радиогенный 87Sr + 87Sro
По одному образцу нельзя определить возраст
Пользуются изохронами
определение возраста метеорита Tieschitz
(хондрит, 28 кг, упал в Чехии в 1878 г.)
Радиоуглеродное датирование
нейтроны космич. лучей
• 14N + n —> 14С + p
• Отношение 14C/12C в живых
организмах такое же, как в
атмосфере (ок. 10–12)
• После смерти организма приток
углерода в него прекращается
(система становится замкнутой), и
начинается неуклонное
экспоненциальное снижение
соотношения 14C/12C
(уменьшается вдвое каждые 5730
лет).
• Проблемы: колебания уровня 14С
в атмосфере, загрязнение
образцов «посторонним»
углеродом. То и другое –
решаемо.
• Есть много других методов (люминесцентные
методы, дендрохронология, рацемизация
аминокислот, метод молекулярных часов)
• Каждый метод по отдельности может дать
ошибочный результат, поэтому стараются
использовать сразу несколько независимых
методов.
• См. также: Хронология далекого прошлого
http://elementy.ru/lib/430055
Методы абсолютной геохронологии помогли
доказать, что континенты движутся
Возраст магматических пород
океанского дна