Размещено на http://www.allbest.ru/

Факультет геологии и физики

РЕФЕРАТ по дисциплине: Геология

«Методы абсолютной геохронологии»

Екатеринбург 2015

Содержание

геохронология земля геология возраст

Введение

Краткая история развития геохонологии

Геология как историческая наука

Г еологическая хронология

Относительная геохронология

Стратиграфическая хронология

Абсолютная геохронология

Методы изотопной геохронологии

Метод ленточных глин

Область применения рассмотренных методов

Заключение

Литература

Введение

Геохронология -- комплекс методов определения абсолютного и относительного возраста горных пород или минералов. В число задач этой науки входит и определение возраста Земли как целого. С этих позиций геохронологию можно рассматривать как часть общей планетологии.

Краткая история развития геохонологии

В XVIII веке еще никто не задумывался над «возрастом горных пород», однако методы будущей науки уже разрабатывались любителями геологии. Так Николас Стено впервые (1669) сформулировал положение, которое в настоящее время играет роль закона: в разрезе нормально залегающие отложения отражают последовательность геологических событий, хотя понятие «нормально залегающие» точно не сформулировано. Вильямс Смит (1769--1839) определял степень одновозрастности слоёв пород по окаменелостям. Эти вопросы поднимал и М. В. Ломоносов (1763).

Дальнейшее развитие методов определения возраста вначале опиралось только на анализ различных окаменелостей. Предпосылкой к изменению ситуации стало открытие, которое случайно сделал в 1896 году французский химик Антуан Анри Беккерель: «лучи Беккереля», позже переименованные Марией Кюри в радиоактивное излучение. Это открыло путь к определениям абсолютного возраста методом радиоизотопного датирования. Его применение известно как ядерная, или абсолютная геохронология. В 1907 году Эрнест Резерфорд провёл первые опыты по определению возраста минералов по урану и торию на основе созданной им совместно с Фредериком Содди теории радиоактивности. В 1913 году Содди ввёл понятие об изотопах, которое стало очень важным для методов абсолютной датировки.

В СССР инициатором радиогеологических исследований был В. И. Вернадский (1863--1945). Его начинания продолжили В. Г. Хлопин (1890--1950), И. Е. Стамрик (1902--1964), Э. К. Герлинг (1904--1985). При решении возрастных задач создавались различные методы, включающие изучения изотопов Pb, K, Ar, Sr, Rb и др. Эти методы получили самостоятельные названия -- уран-свинцовый, свинец-свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый. Это наиболее распространённые методы (есть и ряд других). Для координации геохронологических исследований в 1937 году была создана Комиссия по определению абсолютного возраста геологических формаций при АН СССР.

Проведённые исследования сыграли значительную роль в развитии геологии. Непосредственным результатом этих исследований стало первое построение в 1947 году англичанином Артуром Холмсом (1890--1965) «общей шкалы геологического возраста».

В геохронологии есть два весьма различающихся подхода, широко используемых и сейчас:

· определение относительного возраста;

· определение абсолютного возраста

В данном реферате мы более подробно рассмотрим методы абсолютной геохронологии.

Геология как историческая наука

Традиционно существует довольно произвольное разграничение на историческую и общую геологию. Первая изучает последовательность событий, а вторая -- их природу, причины, способы проявления (геологические процессы) и в конечном счете результаты и продукты (горные породы, особенности земной поверхности, континенты и океанические бассейны и т. д.).

Функциональная связь времени и Земли пронизывает все аспекты геологии. Развитие геологических теорий обусловлено выявлением уникальных событий прошлого, установлением хронологической последовательности явлений в отдельных районах и одновременности некоторых событий, осуществлявшихся в прошлом в точках, расположенных на значительном расстоянии одна от другой.

Геологическая хронология

Основные требования

Поскольку геология -- наука существенно историческая, усилия ученых непрерывно направлены на разработку проблем геохронологии. Отдельные хронологические вопросы могут иметь лишь местное значение. Существуют хронологические проблемы гораздо более широкого плана: история развития структуры и вулканизма Анд, рост Северо-Американского континента. Однако основные требования к хронологическим проблемам независимо от их масштабности остаются одинаковыми:

1. Необходимы вещественные доказательства последовательности событий, например стратифицированная серия осадочных пород или кольца роста в окаменелом стволе дерева.

2. Необходимы доказательства однозначной направленности событий во времени. Например того, что верхняя часть толщи осадков моложе нижней, а кольца роста в стволе дерева последовательномоложе изнутри наружу.

3. В изучаемом явлении должны быть разграничимы роль времени и других факторов, особенно пространственных. В этом отношении наблюдения в одном месте, несмотря на их неизбежную ограниченность, обычно легче интерпретируются, чем более полные данные, полученные в результате обобщенных наблюдений в нескольких разобщенных участках.

4. При корреляции независимых локальных наблюдений с целью разработки региональной хронологии во всех частных наблюдениях необходимо иметь проявление какого-либо общего события, например характерный слой вулканического туфа или руководящую окаменелость. При этом возникают трудности двоякого рода -- в достоверности идентификации маркирующего признака во всех точках наблюдения и в возможном существовании временного интервала между проявлениями этого признака в далеко отстоящих друг от друга участках. Вторая из отмеченных сложностей сходна с рассмотренной выше проблемой пространственно-временных соотношений.

5. Для того чтобы выразить интервал времени, соответствующий некоторой последовательности геологических событий, или датировать время проявления одного из них в каких-либо стандартных физических единицах (например, миллионах лет) необходимо знать скорость (в годах) какого-нибудь процесса, оставившего след в изучаемом объекте. Примерами таких процессов могут служить рост деревьев, сопровождающийся появлением годовых колец на стволе, и радиоактивный распад ядер некоторых элементов, сопровождающийся накоплением дочерних ядер в кристаллах минералов.

Относительная геохронология

Стратиграфическая хронология

Связь стратиграфии с гравитацией и временем. Внешняя оболочка большей части вскрытой эрозией земной коры сложена стратифицированными породами -- песчаниками, глинистыми сланцами, известняками, осадочное происхождение которых не вызывает сомнений. Присутствующие в них окаменелые организмы свидетельствуют, что эти осадки отлагались преимущественно в морях.

Закономерность осадочного процесса отражает полярную природу силы тяжести, действующей вертикально вниз. В вертикальном разрезе любой толщи осадков существуют реально различимые верх и низ. Вряд ли можно считать неожиданным, что соотношения однонаправленности гравитационной силы и времени впервые привлекли внимание ученых, занимающихся кристаллографией. На них обратил внимание в XVII в. Николас Стено. Он считал, что положение границы вода -- осадок в момент отложения последнего близко к горизонтальному и что возраст осадков последовательно уменьшается вверх по вертикальному разрезу слоистой толщи. Это стало основным принципом стратиграфии -- раздела геологии, изучающего последовательность событий, а также физические и биологические (экологические) условия, запечатленные в осадочных толщах.

Методы относительной геохронологии - методы определения относительного возраста горных пород, которые лишь фиксируют последовательность образования горных пород относительно друг друга. Тогда как методы абсолютной геохронологии позволяют определить возраст геологических объектов и событий в единицах времени.

Рассмотрим подробнее методы абсолютной геохронологии.

Абсолютная геохронология

В начале 20 в. П. Кюри во Франции и Э. Резерфорд в Великобритании предложили использовать радиоактивный распад химических элементов для определения абсолютного возраста горных пород и минералов. Принцип, положенный этими учёными в основу определений абсолютного возраста, используется до сих пор. Измерение возраста производится по содержанию продуктов радиоактивного распада в минералах.

Методы изотопной геохронологии

Методы абсолютной геохронологии позволяют определить возраст геологических объектов и событий в единицах времени (в астрономических единицах (годах)). Среди этих методов наиболее распространены методы изотопной геохронологии, основанные на подсчёте времени распада радиоактивных изотопов, заключенных в минералах (или, например, в остатках древесины или в окаменелых костях животных).

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:

Таким образом, скорость распада зависит от числа атомов N, присутствующих в данном случае.

Этот процесс охарактеризуется константой распада л, которая представляет уникальное свойство каждого изотопа и отвечает числу атомов, претерпевающих распад в каждый малый интервал времени:

лN= - dN/dt

Из этого выражения следует, что

N t = N_0,^-лt

Или

N₀/Nt = e ^лt

где N ₀ -- исходное количество материнских атомов, a Nt -- количество тех же атомов, сохранившихся за период времени t.

В ядерной геохронологии основными являются:

1. Уран-Свинцовый метод - При полном анализе на U, Th и РЬ получают ряд величин, подстановка которых в уравнение позволяет оценить возраст исследуемого объекта несколькими независимыми способами. Наиболее чувствительные показатели времени (после поправки на загрязнение обычным нерадиогенным свинцом) -- это отношение ²⁰⁶Pb/²³⁸U и ²⁰⁷Pb/²³⁵U.

2. Калий-аргоновый - при распаде К изотопы ⁴⁰К (11%) переходят в аргон ⁴⁰Ar, а остальные в изотоп ⁴⁰Ca. Поскольку К присутствует в породообразующих минералах (полевые шпаты, слюды, пироксены и амфиболы), метод широко применяется. Период полураспада ~1.3млрд. лет.

3. Рубидий-стронциевый - используется изотоп рубидия ⁸⁷Rb с образованием изотопа стронция ⁸⁷Sr (используемые минералы - слюды содержащие рубидий). Из-за большого периода полураспада (49.9 млрд. лет) применяется для наиболее древних пород земной коры. Геохимические свойства рубидия и стронция довольно близки. Поэтому в любом минерале, в состав которого входит Rb, могут присутствовать также небольшие количества изначального стронция (⁸⁶Sr и ⁸⁷Sr), помимо изотопа ⁸⁷Sr возникшего в результате радиоактивного распада ⁸⁷Rb. Таким образом, для получения правильного возраста минерала необходимо вычесть количество изначально присутствовавшего радиогенного стронция ⁸⁷Sr₀ из общего установленного при анализе содержания изотопа. Для этого случая уравнение соответственно приобретает вид:

Скорость распада ⁸⁷Rb настолько мала, что первый член этого выражения внутри скобки обычно очень невелик. В связи с этим мы вносим лишь небольшую ошибку, преобразовав уравнение следующим образом:

В этом уравнении неизвестна величина (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)0. Для определения величины этого отношения анализируется несколько проб материала с одинаковой предполагаемой историей (например, несколько отдельных фракций биотита, микроклина и роговой обманки из одной и той же породы или две различные породы из одного плутона). Если отношение (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)₀ во всех образцах было одинаковым и они все имели характер закрытых систем по отношению к диффузии рубидия и стронция, начиная с одного и того же момента t₀, то зависимость (⁸⁷Sr/86Sr) от (⁸⁷Rb/86Sr), то для всех изученных образцов на графике будет прямолинейной. Эта линия, называемая изохроной, ее пересечение с осью (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) определяет величину (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)₀.

4. Радиоуглеродный - применяется в археологии, антропологии и наиболее молодых отложений Земной коры. Радиоактивный изотоп углерода ¹⁴С образуется при реакции космических частиц с азотом ¹⁴N и накапливается в растениях. После их гибели происходит распад углерода ¹⁴С, и по скорости распада определяют время гибели организмов и возраст вмещающих пород (период полураспада 5.7тыс. лет). В последствии¹⁴С, как и нерадиоактивный изотоп углерода, образует углекислый газ СО₂, и в его составе вовлекается в фотосинтез, оказываясь таким образом в составе растений и, далее, пищевой цепочке передается животным. В гидросферу ¹⁴С попадает в результате обмена СО₂ между атмосферой и Мировым океаном, далее он оказывается в костях и карбонатных раковинах водных обитателей. Интенсивное перемешивание воздушных масс в атмосфере и активное участие углерода в глобальном круговороте химических элементов приводит к выравниванию концентраций ¹⁴С в атмосфере, гидросфере и биосфере. Для живых организмов равновесное состояние достигается при удельной активности ¹⁴С, составляющей 13,56 ± 0.07 распадов в минуту на 1 грамм углерода. Если организм умирает, то прекращается поступление ¹⁴С; в результате радиоактивного распада (перехода в нерадиоактивный ¹⁴N) удельная активность ¹⁴С уменьшается. Измерив значение активности в пробе и сопоставив её со значением удельной активности в живой ткани, несложно рассчитать время прекращения жизнедеятельности организма. Радиоуглеродного датирование позволяет определять возраст образцов, содержащих углерод (кости, зубы, раковины, древесина, уголь и т. д.) возрастом до 70 тыс. лет. Это определяет его использование в четвертичной геологии и, особенно, в археологии.

5. В настоящее время наиболее точным считается самарий - неодимовый метод, принятый в качестве стандарта, с которым сравниваются данные других методов. Это связано с тем, что в силу геохимических особенностей данные элементы наименее подвержены влиянию наложенных процессов, часто значительно искажающих или сводящих на нет результаты определений возраста. Метод основан на распаде изотопа¹⁴⁷Sm с образованием в качестве конечного продукта распада ¹⁴⁴Nd.

В завершение рассмотрения методов изотопной геологии следует отметить, что, несмотря на получение «абсолютных», выраженных в годах, датировок, мы имеет дело с модельным возрастом - полученные результаты неизбежно содержат некоторую ошибку и, более того, продолжительность астрономического года в ходе длительной геологической истории менялась.

К недостаткам всех этих методов относятся:

· невысокая точность определений (погрешность в 3-5% дает отклонение в 10-15 млн. лет, что не позволяет разрабатывать дробную стратификацию);

· недостатком уран-свинцового метода является редкая встречаемость минералов с достаточно высоким содержанием урана; недостатком калий-аргонового -- высокая вероятность утечки образующегося аргона из уже затвердевшего минерала.

· искажение результатов из-за метаморфизма, когда образуется новый минерал, аналогичный минералу материнской породы. Например, серицит-мусковит.

В итоге каждый отдельно взятый радиометрический метод часто дает ошибочные датировки. Поэтому ученые стараются проводить датирование одного и того же слоя при помощи нескольких независимых методов. Тем не менее, за ядерными методами большое будущее, поскольку все время усовершенствуется аппаратура, позволяющая получать более надежные результаты. Благодаря этим методам установлено, что возраст Земной коры превышает 4.6 млрд. лет, тогда как до применения этих методов он оценивался лишь в десятки и сотни млн. лет.

Метод ленточных глин

Метод ленточных глин - основан на явлении изменения состава осадков, которые отлагаются в спокойном водном бассейне при сезонном изменении климата. Для приледниковых озёр характерными отложениями служат так называемые «ленточные глины» - чётко слоистые осадки, состоящие из большого числа параллельных лент.

Каждая лента - результат годичного цикла осадконакопления в условиях озёр, находящихся большую часть года в замерзшем состоянии. Она всегда состоит из двух слоёв. Верхний - зимний - слой представлен глинами темного цвета (за счёт обогащения органикой), образованного под ледяным покровом; нижний - летний - сложен более грубозернистыми светлоокрашенными осадками (в основном тонкими песками или алевро-глинистыми отложениями), образованными за счёт приносимого в озеро талыми ледниковыми водами материала. Каждая пара таких слойков соответствует 1 году.

Изучение ритмичности ленточных глин позволяет не только определять абсолютный возраст, но и проводить корреляцию расположенных неподалёку друг от друга разрезов, сопоставляя мощности слоёв.

На сходном принципе основан и подсчёт годичных слоёв в осадках соляных озёр, где летом, за счёт повышения испарения, происходит активное осаждение солей.

К недостаткам сезонно-климатических методов следует отнести их неуниверсальность.

Область применения рассмотренных методов

Уран-свинцовый метод, как и рубидий-стронциевый, применяется для определения возраста в диапазоне от 100 млн. лет до 5 млрд. лет. При этом содержание изотопов устанавливается с помощью масс-спектрометров, где атомы изотопов, будучи пропущенными, в вакууме через магнитное поле, разделяются с учетом их относительной массы. Важное значение имеет взаимная проверка определений разными методами, данные которых в случае их совпадения лежат на кривой распада - "конкордии". Чтобы уменьшить вероятность ошибок определения возраста, его проводят по так называемым "валовым пробам", т.е. используя всю породу, а не какой-либо минерал отдельно, хотя последний способ также применяется.

Изотопы с большим периодом полураспада с успехом применяются для определения возраста докембрийских пород, диапазон формирования которых превышает 3,5 млрд. лет. Используются уран-свинцовый, торий- свинцовый, свинец-свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, самарий-неодимовый и другие методы, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Проблемы возникают с калий-аргоновым методом, основанным на переходе нестабильного изотопа ⁴⁰К при условии захвата электрона в стабильный ⁴⁰Аr или ⁴⁰Са, если при этом испускается отрицательно заряженная бета-частица (свободный электрон с большой скоростью). В результате термального прогрева породы часть аргона улетучивается и поэтому возраст породы как бы "омолаживается", фиксируя момент прогрева, но не время образования данной породы. Калий-аргоновый метод стал применяться одним из первых и именно ему мы обязаны в значительной мере шкалой геологического времени, хотя известны и многочисленные случаи ошибочных определений, нуждающихся в геологической корректировке.

Заключение

В заключении следует отметить, что для правильного понимания абсолютной геохронологии кроме взаимного контроля разными методами необходимо проводить контроль геологическими данными, без которого, принимая результаты определения абсолютного возраста за кажущуюся истину, можно сделать ошибочные выводы.

В результате трудов нескольких поколений геологов была установлена общая последовательность накопления слоев земной коры, получившая название стратиграфической шкалы. Верхняя часть её (фанерозой) составлена при помощи относительных методов с большой тщательностью. Для нижележащего отрезка шкалы (докембрий), соответствующего огромной по мощности толще пород, относительные методы имеют ограниченное применение из-за плохой сохранности или отсутствия окаменелостей, поэтому для определения её возраста, и возраста последующих после нее толщ, применили абсолютные методы геохронологии. Антропогеновая система, соответствующая времени существования человека, намного короче. Расчленение антропогена проводится, в отличие от других периодов, по фауне наземных млекопитающих, которая эволюционирует гораздо быстрее, чем морская фауна (в составе последней за время антропогена не произошло принципиальных изменений), а также на основе изучения ледниковых отложений, характеризующих эпохи всеобщего похолодания.

Литература

1. Н. В. Короновский, А. Ф. Якушова. Относительная геохронология.

2. Старик И. Е., Ядерная геохронология, М.- Л., 1961.

3. Дан бар К., Роджерс Д ж., Основы стратиграфии, пер. с англ., М., 1962.

4. ДЖ. ФЕРХУГЕН, Ф. ТЕРНЕР, Л. ВЕЙС, К. ВАРХАФТИГ, У. ФАЙФ Земля. Введение в общую геологию т1.

5. Ю.И. Половинкина, Геохронология ССС т1.

Размещено на Allbest.ru