Таблица 1. Геологическая шкала, основные планетарные подразделения, датировки и события в развитии жизни (датировки приведены по неопубликованным данным Р. Л. Армстронга, 1971)
Чтобы увидеть этот принцип в действии, рассмотрим рис. 9, на котором показана последовательность осадочных пластов. Принадлежность их к определенным системам устанавливается по содержащимся в них ископаемым, поэтому они поименованы в соответствии с геохронологической шкалой. Между верхними пластами залегают два древних лавовых потока; в нижних пластах имеются две дайки (рис. 5), представляющие результат интрузий магмы. Возраст этих даек по радиометрическим определениям составляет соответственно 250 и 210 миллионов лет. Во время затвердевания магмы, послужившей исходным материалом для образования этих даек, осадочные пласты в узкой зоне соприкосновения с магмой "спеклись" и подверглись химическим изменениям в результате воздействия горячей магмы. Однако измененная зона отсутствует на верхней поверхности даек. Это означает, что во время образования интрузии и затвердевания магмы слой, который сейчас перекрывает дайку, еще не образовался. В противном случае, он также подвергся бы изменениям под действием тепла и химических реакций. Поэтому поверхности раздела, к которым приурочены кровли обеих даек, должны быть результатами двух длительных периодов, в течение которых эрозия уничтожила слои, некогда залегавшие выше современных поверхностей раздела. Следовательно, эти поверхности, подобно поверхности (П) на рис. 8, являются поверхностями несогласия. Учитывая радиометрические датировки этих двух даек, можно видеть, что триасовый пласт, который моложе одной из даек, но старше другой, должен иметь возраст менее чем 250, но более чем 210 миллионов лет. Вычитая одну цифру из другой, получаем 40 миллионов лет - максимальную продолжительность триасового периода, определенную для этого частного случая.
Рис. 9. Определение возраста осадочных пластов на основе их соотношения с телами магматических пород, возраст которых известен
Обращаясь к двум древним лавовым потокам, мы применяем тот же принцип. Лава изменила нижележащие породы, но не воздействовала на вышележащие, так как последние отлагались лишь после затвердевания потока лавы. Радиометрический возраст слоев лавы свидетельствует о том, что в данном случае юрские слои не старше 200 миллионов лет и не моложе 140 миллионов лет и что продолжительность юрского времени (по этим данным) составляет 60 миллионов лет. Эти цифры постоянно уточняются с помощью новых радиометрических датировок магматических пород, находящихся в подобном соотношении с осадочными слоями в других частях света. Цифры, приведенные в таблице 1, представляют собой результат, полученный к настоящему времени, однако в будущем и данные цифры должны быть в свою очередь уточнены. Датировка подразделений геохронологической шкалы, как и строение самой шкалы, постоянно уточняется.
Как показывает таблица 1, систематические датировки слоев заканчиваются на уровне 580 миллионов лет, вблизи основания кембрийской системы. Нижележащие докембрийские породы включают лишь небольшое количество осадочных пластов и главным образом состоят из сложного комплекса магматических и метаморфических пород. Многие из этих пород, были датированы. Измеренный до настоящего времени возраст наиболее древних пород достигает 3,7 миллиарда лет, но, конечно, будут обнаружены и более древние. Что касается возраста самой Земли, то он не определен точно, но различные данные, в том числе астрономические, позволяют предположить, что Земля как планета насчитывает 4,5 миллиарда лет.
Радиоактивный углерод. Определение возраста радиоактивных атомов (изотопов) в минералах имеет в большинстве случаев один существенный недостаток. Скорости радиоактивного распада настолько малы, что многими существующими методами измерений нельзя установить различие между совсем молодыми породами, имеющими возраст в несколько сот тысяч лет. Поэтому, в общем, у нас мало надежных определений возраста в интервале, скажем, последних 500 000 лет; одним из исключений являются датировки, полученные измерениями содержания радиоактивного углерода (С). Этот изотоп углерода распадается довольно быстро, что делает его пригодным для датировки объектов, возраст которых заключен в пределах около 50 000 лет. Радиоактивный углерод играет важную роль в биосфере, что дает возможность определять возраст не самих пород, а органического вешества, содержащегося в горных породах.
Радиоактивный углерод постоянно возникает в атмосфере под действием радиации, поступающей из космического пространства. Он смешивается с обычным, нерадиоактивным углеродом, образует углекислый газ (СО2) и быстро распространяется по всей атмосфере, гидросфере и биосфере. Его количественное соотношение с обычным углеродом остается постоянным во всей системе, так как скорость радиоактивного распада находится в равновесии со скоростью образования радиоактивного углерода, пока последняя сохраняется постоянной. Поэтому концентрация радиоактивного углерода, его "устойчивое содержание", должна быть постоянной в пробах воздуха, пресной или соленой воды, древесине или листьях дерева, в тканях тела любого животного до тех пор, пока дерево или животное живы. Но со смертью организма содержание радиактивного углерода в его тканях убывает, поскольку его потери вследствие радиоактивного распада не восполняются. Путем измеоений и расчетов может быть определено содержание радиоактивного углерода (часто с погрешностью всего в несколько процентов), оставшееся в образце органического вещества, и, следовательно, время, прошедшее после смерти организма.
Радиоуглеродное датирование необычайно важно. Оно дает возможность проследить историю первобытного человека, а также животных и растений в течение последних 50 000 лет. С его помощью определяется также время многих событий последнего из великих оледенений, включая грандиозное вторжение льда в Северной Америке и Европе, достигшее максимума приблизительно 20 000 лет назад. В нашем рассказе мы используем многие радиоуглеродные датировки, а также другие определения возраста гораздо более древних объектов, обычно самих горных пород.
Литература
Paul Henry, 1966, Ages of rocks, planets, and stars: McGraw-Hill Publishing Co., New York.
Кay G. M., Соlbert E. H., 1965. Stratigraphy and life history: John Wiley 8c Sons, New York.
Libby W. F., 1961, Radiocarbon dating: Science, v 133, p. 621-629.
Woodford A. O., 1965, Historical geology: W. H. Freeman & Co., San Francisco, p. 191-220, discussion of radiometnc ages.
Глава четвертая. Материки смываются в океан
Принцип актуализма, на котором основаны наши представления об истории Земли, гласит, что в геологическом прошлом действовали те же процессы, что и сейчас. Если мы будем следовать этому принципу, то, чтобы проследить, что происходило в прошлом, мы должны понять, как протекают внешние процессы в настоящее время. Зная свойства осадков, образующихся в результате каждого процесса, мы можем распознать те же свойства в осадочных слоях. Эти свойства, как и ископаемые, содержащиеся в слоях, помогают восстановить условия, в которых накапливались слои, и таким образом позволяют реконструировать последовательность событий. В данной главе, а также и в последующих главах описывается ход некоторых современных процессов и характерные особенности, по которым эти процессы можно распознать.
Выветривание
Химическое разложение. Что происходит со стальным или железным гвоздем или консервной банкой (сделанной из стали), если их вынести из закрытого помещения и оставить на открытом воздухе во влажном климате? Хорошо известно, что через несколько дней на них появится ржавчина. Железнодорожные рельсы блестят потому, что по ним движутся колеса вагонов, но заброшенные рельсы сразу же начинают ржаветь. Желтовато-коричневая ржавчина - это минерал лимонит (В действительности это группа минералов), образованный химическим соединением атмосферного кислорода и воды с железом. Процесс его образования включает две химические реакции - окисление и гидролиз. И стальная консервная банка, и стальной гвоздь неустойчивы во влажном воздухе, и, когда они попадают в такие условия, они начинают разлагаться. При этом разложении образуется лимонит - материал, устойчивый в этих новых условиях. Сходные реакции происходят, когда железосодержащий минерал (как, например, биотит или роговая обманка) подвергается воздействию атмосферы. Порода, например гранит, в состав которой входит этот минерал, скоро начинает покрываться ржавыми пятнами, означающими образование лимонита. Путем окисления и гидролиза железо, содержащееся в биотите и роговой обманке, видоизменяется, приобретая более устойчивую форму, а порода начинает разлагаться. Эти и многие другие химические реакции в совокупности образуют процесс, называемый выветриванием, в результате которого горные породы (и осадки), подвергающиеся воздействию атмосферы, разрушаются и разлагаются. Выветривание происходит повсюду на поверхности Земли, а также и ниже ее поверхности, вплоть до глубины, на которую проникает вода и воздух. Поверхность раздела горных пород и атмосферы - это граничная поверхность, а мы уже отмечали, что границы способствуют активизации процессов. В данном случае на поверхности раздела присутствует и гидросфера; дождевая вода, как и воздух, оказывает действие на породу.