Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Гидрогеология и основы геологии

ГЕОХРОНОЛОГИЯ И СТРАТИГРАФИЯ. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ КАРТЫ И РАЗРЕЗЫ

ГЕОХРОНОЛОГИЯ И СТРАТИГРАФИЯ

Разделы геологии, посвященные геологическому времени, геологической истории и накопившимся толщам горных пород, названы геохронологией, исторической геологией и стратиграфией.

Почему геологическая наука так интересуется геологической историей? Ответ следующий: в геологии широко применяется исторический подход, исследования без которого малоэффективны.

Исторический подход — это поиск, основанный на мысленном построении порядка цепочки событий. Так люди ищут потерянные вещи, так работают следователи, историки разбираются в процессах, происходивших много веков назад, врачи анализируют истории болезней.

В геологии исторический подход дает ключ к ответу на многие конкретные вопросы: почему Земля и земная кора имеют именно такое строение; почему строение земной коры такое сложное; каковы его закономерности; как искать и находить полезные ископаемые; как решать прикладные задачи, связанные с использованием геологической среды для нужд природообустройства — строительства, сельского, лесного, водного хозяйства, охраны природы и т.п.?

Итак, геологи давно пришли к мысли, что необходима реконструкция геологических событий — тектонических движений, внедрения магматических расплавов, наступления и отступления морей, накопления и размыва осадков, метаморфизма и выветривания, прихода ледников, работы рек, т.е. анализ того, что, как, когда и где происходило. Все это касается как крупнейших, глобальных участков земной коры, миллионов и миллиардов лет истории, так и мелких геологических тел и элементов рельефа, сформированных в современную эпоху.

Как уже отмечалось в гл. 1, Вселенная образовалась 13,7 млрд лет назад (эту цифру называют астрономы). Первые 10 из них ушло на обособление Земли как отдельного небесного тела, а в последующие 4,57 млрд лет появилась земная кора, и происшедшие в ней процессы записаны в каменной летописи. Задача геологов — ее изучить и расшифровать.

Возраст древнейших пород, найденных на Земле, оценивается в 3,8 млрд лет. Отметим, что цифры возраста Вселенной и планеты Земля регулярно пересматриваются. Еще в начале XX в. возраст Земли оценивался в несколько десятков миллионов лет, и потом эта дата несколько раз передвигалась во все более отдаленное прошлое.

Абсолютный и относительный возраст. Абсолютный возраст — конкретные миллиарды, миллионы и тысячи лет. Методы определения, основанные на изучении радиоактивных элементов в составе пород, появились к середине XX в., однако их применение по сей день считается непростым. Относительный возраст упрощенно понимается как определение соотношения пород — какие моложе, какие старше. Верхнее всегда моложе нижнего — очевидное обстоятельство, которое было ясно всегда. После развития палеонтологических методов учение об относительном возрасте превратилось в науку еще в XIX в.

Принципы относительной хронологии следующие:

  • • первичное накопление осадочных пород горизонтальное;
  • • вышележащие пласты моложе, нижележащие старше;
  • • обломки, находящиеся внутри какого-либо слоя, старше этого слоя;
  • • геологическое тело, пересекающее толщу слоев, моложе этих слоев;
  • • палеонтологические находки позволяют расставить пласты в хронологическом порядке — моложе, старше, одновозрастные. Как и почему появилось понятие относительного возраста? Изучение геологической среды началось с определения состава

пород и разреза, однако только этих знаний оказалось явно недостаточно. Разрез можно расчистить и пронаблюдать за ним на склоне гор или в долинах реки, можно пробурить скважины.

Стратиграфический метод определения относительного возраста. Проиллюстрируем принцип относительной хронологии. На рис. 4.1 показан фрагмент горизонтального залегания пород.

Пласты пронумерованы от самого древнего и нижнего № 1 до самого молодого № 8. Заметим, что самый верхний пласт имеет № 7. Последовательность геологических событий была следующей. Первоначально в морских условиях накопилась толща осадков с пластами, пронумерованными от 1 до 7, которые постепенно уплотнились и превратились в горные породы. Далее произошло тектоническое воздымание, и на данной территории образовалась

юз

Схематический геологический разрез горизонтально залегающих пород

Рис. 4.1. Схематический геологический разрез горизонтально залегающих пород

суша. Пласт № 7 оказался залегающим на поверхности. Потом начались эрозионные процессы, появилась река, она выработала долину, пласты № 6—1 обнажились на склоне, причем пласт № 1 лишь частично, его подошва (нижняя граница) на поверхность не вышла, и где она находится, мы не знаем. Некоторое время спустя на дне долины отложились речные накопления — пласт № 8, который частично перекрывает только пласт № 1. Рассуждения такого рода используются при анализе геологических условий на сравнительно небольших площадях, в том числе при изысканиях для целей природообустройства.

Используем рис. 4.1 для пояснения некоторых понятий.

Кровля и подошва верхняя и нижняя границы пласта. Например, для пласта № 5 кровля — это его граница с пластом № 6, а подошва — граница с пластом № 4.

Мощность размер (толщина) пласта от кровли до подошвы. Положение подошвы пластов № 1 и № 8 по разрезу не определяется, соответственно не определима их полная мощность. Видимая мощность пласта № 1 оценивается только по его небольшому выходу на поверхность в нижней части склона, а пласта № 8 — по высоте обрыва над уровнем реки.

Петрографический метод определения относительного возраста. Если рассматривается небольшой участок с простым залеганием пород, то, действительно, многое (но далеко не все) упрощается. Например, по сходному составу пород можно сопоставить разрезы, вскрытые на соседних склонах долины реки (рис. 4.2).

Одинаковые по составу породы будут считаться фрагментами единого, существовавшего когда-то пласта, т.е. одновозрастными.

Иллюстрация петрографического метода определения относительного возраста пород

Рис. 4.2. Иллюстрация петрографического метода определения относительного возраста пород. Одинаковые по составу пласты на разных берегах долины реки являются частями единого когда-то пласта (показаны штриховкой)

Условия, аналогичные показанным (см. рис. 4.1 и 4.2), регулярно имеют место на площадках строительства, мелиорации и т.п. Вскрытые пласты в массовом порядке становятся предметом инженерно-геологических изысканий.

Однако ситуация может быть сложнее. Как сопоставить разрезы, если состав изменяется по простиранию, если разрезы не совпадают, если расстояние между разрезами — многие километры; как быть при складчатом или нарушенном разломами залегании (рис. 4.3); как хранить геологическую информацию?

Геология отвечает на эти вопросы так: прежде всего пласты маркируются по возрасту и происхождению, возраст определяется био- стратиграфическими {палеонтологическими) методами. Чем крупнее рассматриваемые территории и соответствующие им геологические тела, тем большее значение имеет возраст пород при поиске и анализе геологических закономерностей.

Вместе с тем небольшая площадка инженерного освоения обычно находится в пределах одного-двух (реже больше) геологических тел, выделенных по возрасту, и наиболее важным становится правильное определение состава и свойств пород.

Геохронологическая и стратиграфическая колонка. В конце XVIII — начале XIX в. геологи обратили пристальное внимание на окаменелости — остатки живых организмов, встречающиеся в горных породах. Довольно быстро оформилась отдельная наука — палеонтология — учение об ископаемых формах жизни.

Палеонтологам удалось выстроить единую для всей Земли цепочку жизни вымерших организмов от самых древних до современных. Именно по появлению, расцвету и исчезновению представителей животного и растительного мира история Земли была разделена на эры, периоды, эпохи и века. В 1881 г. на Международном геологическом конгрессе была принята геохронологическая колонка. Одним из ее авторов был русский ученый А.П. Карпинский. Комплексы пород, соответствующие геохронологическим подразделениям, были названы стратиграфическими (табл. 4.1), и была составлена стратиграфическая шкала, использующая те же названия.

Примеры сложностей при определении залегания пород

Рис. 4.3. Примеры сложностей при определении залегания пород:

а — изменение состава пород по простиранию при наклонном залегании; б — складчатое залегание; в — залегание, нарушенное тектоническим разломом

Таблица 4.1

Соотношение геохронологических и стратиграфических подразделений

Геохронологические единицы

Стратиграфические единицы

Эон

Эонотема

Эра

Группа

Период

Система

Эпоха

Отдел

Век

Ярус

Время

Толща, серия, свита, формация, пачка, пласт, слой, горизонт

Геохронологическая колонка оказалась очень удобным инструментом систематизации геологических знаний, главное, что на ее основе строятся и применяются все стратиграфические схемы и карты. Впоследствии геохронологическая колонка многократно дополнялась и уточнялась. Она широко используется и в настоящее время в областях, использующих геологическую информацию, таких, как строительство, мелиорация, водоснабжение, агрономия, гидрогеология и инженерная геология (табл. 4.2).

Геохронологическая (стратиграфическая) колонка [13]

Таблица 4.2

Эра

(группа)

Период (система)

Отдел (эпоха)

Кайнозой

Четвертичный

Современный @1V

KZ

(антропоген) Q желто-серый или белый

Верхний Qm Средний Qn Нижний Qx

Неоген N желтый

Верхний Плиоцен N2 Нижний Миоцен

Палеоген (Pg) оранжевый

Верхний Олигоцен (Pg3) Средний Эоцен (Pg2) Нижний Палеоцен (Pgj)

Мезозой

MZ

Мел К (Сг) светло-зеленый

Верхний К2 (Сг2) Нижний Кх (Сг{)

Юра J

светло-синий

Верхняя /3 Средняя J2 Нижняя Jx

Триас Т фиолетовый

Верхний Т3 Средний Т2 Нижний Тх

Палеозой

PZ

Пермь Р

светло-коричневый

Верхняя Р2 Нижняя Ру

Карбон С

(каменноугольный)

серый

Верхний С3 Средний С2 Нижний Су

Девон D шоколадный

Верхний D3 Средний D2 Нижний Dx

Силур S светло- зеленый с коричневым оттенком

Верхний S2 Нижний Sy

Окончание табл. 4.2

Эра

(группа)

Период (система)

Отдел (эпоха)

Ордовик О темно-зеленый

Верхний Средний 02 Нижний 0]

Кембрий (Ст)

зеленый с синим оттенком

Верхний (Ст3) Средний (Ст2) Нижний (Ст j)

Протерозой

PR

краснорозовый

Верхний протерозой PR2

Венд V

Рифей R

Средний протерозой PR2

Нижний протерозой PR{

Архей AR

Желто-розовый

Примечание. На картах и разрезах нижние отделы раскрашиваются ярче, верхние — бледнее.

К ископаемым формам относятся окаменелости животных, остатки и отпечатки растений, споры и пыльца растений, и даже археологические находки, относящиеся к древнему человеку. Оговоримся сразу: ископаемые окаменелости — это в основном то, что в обыденной жизни зовется ракушками, а также остатки других морских животных — ежей, губок, кораллов и т.п. (рис. 4.4).

Окаменелости

Рис. 4.4. Окаменелости: а — трилобит (палеозой); б — аммонит (мезозой)

По сравнению с ними находки костей континентальных животных — большая или очень большая редкость. Находка костей динозавров или костей мамонта — научное событие. При работе с отложениями четвертичного периода (последних 2—3 млн лет) на первый план выходит изучение спор и пыльцы растений.

Поиск вымерших форм жизни — совсем не простая работа, а датирование на их основе геологических тел — сложное научное исследование. Внутри пласта может быть найдено много различных окаменелостей. Наибольшее внимание к «короткоживущим» формам, которые в момент своего расцвета широко распространились, но существовали недолго и быстро вымерли. Окаменелости, на основе которых производится датировка пластов, называются руководящими. Пласт, вообще не содержащий окаменелостей, называется «немым».

Как можно видеть, в истории Земли выделено 5 эр, 14 периодов, 37 эпох и около 150 веков — разные авторы и справочники могут давать несколько отличающиеся класификации.

Названия эр и эонов означают: кайнозой — новая жизнь, мезозой — средняя жизнь, палеозой — древняя жизнь, протерозой — ранняя, архей — начальная, фанерозой — явная, криптозой — скрытая. Названия периодов взяты в основном из географии — по имени той местности, по отложениям которой данный период был выделен. Например, названия кембрий, девон — английские, юра, триас — французские, рифей, венд, пермь — российские.

Параллельно с геохронологией развивалась стратиграфия — наука об имеющихся в земной коре пластах. Любой встреченной где-либо в разрезе толще пород присваиваются наименование и геологический индекс в соответствии с ее происхождением, относительным геологическим возрастом и географическим местоположением. Например, индекс gQm — ледниковые среднечетвертичные отложения московского оледенения. Первая маленькая латинская буква в индексе означает происхождение, большая латинская буква и цифра при ней — возраст (систему и отдел), последние маленькие буквы — ярус и прочие более мелкие стратиграфические подразделения.

При индексировании пород морского происхождения, которых значительно больше, чем континентальных, знак морского происхождения — буква т опускается: С2тр — каменноугольная система (карбон), средний отдел, московский ярус, подольский горизонт. Индекс нужен для того, чтобы можно было отмечать геологические тела на разрезах и картах, а также находить их в справочных системах. Помимо индекса для обозначения геологических тел осадочных пород на картах и разрезах применяется окраска бледных тонов, т.е. индекс и окраска дублируют друг друга.

Для обозначения состава осадочных пород используются штриховые знаки — точки, галочки, штриховки, крестики и т.п., что ранее уже использовалось (см. рис. 3.20). Для индексирования и обозначения состава магматических пород используются буквы греческого алфавита, штриховые знаки и окраски яркого тона.

Геохронологическая и стратиграфическая колонки часто рассматриваются как равнозначные. Принципиальное различие состоит в том, что геологическое время было повсеместно и непрерывно, а вот стратиграфическая колонка — это умозрительное построение. Представленные в ней подразделения собраны со всего земного шара. На земле нет такого места, где бы стратиграфическая колонка присутствовала целиком. Временные границы имеющихся геологических тел могут не соответствовать границам геохронологии. Покажем это на схеме (рис. 4.5).

Геологическое

„ время Накопление пластов

Век(4)

Век©

Пласт Б

Век ©

Век ©

Пласт А

Рис. 4.5. Иллюстрация соотношения границ геохронологии и времени накопления конкретных пластов

На ней изображены четыре века с их границами и временные границы двух пластов. Как можно видеть, накопление пласта А произошло внутри первого века, а накопление пласта Б началось в середине первого и закончилось в начале четвертого. Подобная картина наблюдается очень часто, поэтому для обозначения конкретных геологических тел широко используются термины произвольного употребления. Для простых геологических тел — термины «пласт», «пачка», «слой», «горизонт», для более сложных, состоящих из нескольких пластов, — «толща», «серия», «свита», «формация». Соответственно используется слово «время» (см. табл. 4.1). Например, накопление упоминавшегося подольского горизонта происходило в подольское время.

Конкретных пластов в земной коре только на территории нашей страны насчитывается много тысяч.

К настоящему времени все известные геологические тела проиндексированы и расставлены в хронологическом порядке. Построены стратиграфические схемы всех регионов мира. Сегодня они широко и эффективно используются не только геологами, но и в отраслях экономики, где необходимы геологические данные. При рассмотрении очередного геологического тела нужно взять его индекс и разыскать в системе геологической информации.

«Стратиграфический словарь СССР» (1985) — это многотомное издание, причем каждый том содержит несколько сотен страниц [13]. В алфавитном порядке приводится характеристика всех известных стратиграфических подразделений. Указываются состав, мощность, площадь распространения, руководящая фауна, полезные ископаемые и прочие сведения. В разные годы были выпущены систематизирующие издания, посвященные различным вопросам геологии: «Геология СССР», «Гидрогеология СССР», «Инженерная геология СССР» и аналогичные сборники по Российской Федерации. При необходимости разыскать исходную информацию — полевую документацию, колонки скважин, лабораторные данные свойств пород и т.п. — приходится обращаться в геологические фонды и архивы.

Рассмотрим пример использования данных стратиграфии (геохронологии). На рис. 4.6 приведен пример инженерно-геологического разреза.

Пример построения инженерно-геологического разреза на стратиграфической основе

Рис. 4.6. Пример построения инженерно-геологического разреза на стратиграфической основе

Показаны три пласта, относительный возраст и происхождение которых известны, — днепровская морена {gQndn), московская морена (gQum), аллювиальные (речные) отложения (aQn{), представленные суглинком. Оба пласта морены — тоже суглинки. Пробурены неглубокие скважины, и в точках 1—7 отобраны образцы для измерения свойств пород в связи с намечаемым строительством.

С точки зрения геологии очевидным является факт, что свойства днепровской морены можно оценить по пробам № 2, 4, 7, свойства московской морены — по пробам № 1,3, свойства аллювия — по пробам № 5 и 6. По всем четырем скважинам имеет место двухслойное основание, представленное двумя слоями суглинков. Вопрос о возможном объединении пластов и принятии схемы однослойного основания может решаться только после количественной оценки свойств в лаборатории. Аналогичны будут рассуждения, если производится поиск полезных ископаемых, например, россыпи внутри одного из пластов, а два других пласта будут неинтересны. Как быть, если вообще выделение пластов по возрасту и происхождению не было выполнено? Можно ошибиться в выбираемой расчетной схеме.

Абсолютный возраст — возраст горных пород в миллиардах, миллионах и тысячах лет. Методы определения абсолютного возраста пород основаны на исследовании естественной радиоактивности горных пород и потому называются радиологическими. Всеми отмечается их высокая стоимость. Радиологические методы появились в середине XX в., т.е. примерно на 150 лет позже методов определения относительного возраста, которые к тому времени уже получили всеобщее признание, когда история Земли, континентов и геологических провинций уже была написана. Благодаря новым методам геохронологическая колонка пополнилась конкретными временными сроками в миллионы лет. Горные породы и Земля в целом оказались намного старше, чем предполагалось первоначально.

Сегодня методы абсолютного летоисчисления преобладают в двух случаях: 1) при исследованиях магматических пород — в них нет и не может быть окаменелостей; 2) при исследованиях пород докембрия — в них мало биогенных остатков. Эти породы сильно метаморфизованы, что мешает необходимым измерениям, но других методов пока не существует.

Идея методов определения абсолютного возраста заключается в следующем. В минералах в очень незначительных количествах содержатся радиоактивные изотопы элементов, входящих в их состав. Если суметь внутри кристаллической решетки подсчитать количество исходных радиоактивных элементов и продуктов их распада, то, зная период полураспада, можно вычислить, какое время назад образовался данный кристалл. Помимо кристаллов могут быть использованы материал раковин, скелета морских организмов или костная ткань наземных животных.

В настоящее время используются свинцовые, рубидий-стронци- евый, калий-аргоновый, радиоуглеродный и аргоновый методы. Приведем формулы превращений (в скобках указаны периоды полураспада [4]):

Сложности методов возникают из-за утечек газообразных продуктов распада и за счет привнесения дополнительных компонентов. Мнения в отношении точности этих методов разняться — кто-то считает ее хорошей, кто-то — нет. Однако все сходятся во мнении, что результаты должны подтверждаться за счет применения разных методик.

Наиболее надежным считается свинцовый метод, так как возраст определяется по трем изотопам свинца, являющимся конечными продуктами распада. Недостаток метода — он применим только для магматических пород.

Для датировки осадочных пород используются аргоновый и стронциевый методы.

Радиоуглеродный метод используется для установления возраста наиболее молодых пород и археологических находок. Возможный диапазон определения возраста объектов — не старше 70 тыс. лет. С помощью радиоуглеродного метода устанавливался возраст находок мамонтов в Сибири, время наступления и отступления ледников на Русской равнине и даже возраст Туринской плащаницы, которую датировали XIII—XIV вв.

Другие методы определения абсолютного возраста по скорости накопления осадка, по скорости тектонического опускания или подъема эффективны только для незначительных отрезков времени.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 
Популярные страницы