Геологические эры

Существуют понятия об относительном и абсолютном возрасте горных пород.

Относительный геологический возраст – время какого-либо события относительно другого геологического события. Определяется по остаткам вымерших организмов, содержащихся в горных породах – палеонтологический метод, и по соотношению геологических тел: слоев, линз, потоков между собой – геолого-стратиграфический метод.

Основой палеонтологического метода служит принцип последовательной смены неповторяющихся в разрезах фаунистических и флористических комплексов, отражающих этапность их исторического развития. Они используют одно из основных положений эволюционного учения – необратимость эволюции: организм не может вернуться, хотя бы частично, к прежнему состоянию, которое было уже осуществлено в ряду его предков. Те или иные виды растений и животных могут существовать на Земле только один раз. Они появляются, максимально возможно расселяются на земной поверхности, а затем вымирают, уступая жизненную арену более приспособленным к изменившейся окружающей среде организмам. Поэтому, каждый комплекс ископаемых организмов, приуроченный к тому или иному слою, отражает определенный этап развития органического мира и является неповторимым. Это и дает возможность использовать остатки ископаемых организмов для определения относительного возраста горных пород, определить какие отложения древнее, а какие – моложе, даже если они друг с другом не контактируют.

Помимо палеонтологического широко применяются микропалеонтологический, спорово-пыльцевой, диатомовый и другие методы.

Геолого-стратиграфический метод основан на том положении, что в разрезе нормально залегающих отложений (не перевернутых после накопления) нижележащий слой всегда древнее вышележащего (закон Н. Стено 1669 г.), а прорванные породы – более древние по отношению к прорывающим.

Определение относительного возраста горных пород позволило все известные отложения земного шара разделить на пять группы: архейскую, протерозойскую, палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую. Время накопления отложений групп названо эрой. Эры разделяются на периоды (табл. 10).

Архейская эра означает древнейшая, а с учетом последующей протерозойской – времени первичной жизни или возникновения жизни, дожизненная. Палеозойская эра – время древней жизни, мезозойская – средней жизни, кайнозойская – молодой жизни.

Таблица 10. Геохронологическая шкала

Относительная геохронология не дает реального представления об истинной продолжительности эр и периодов. Она позволяет судить лишь о последовательности их во времени. Продолжительность эр и периодов в миллионах лет решает абсолютная геохронология.

Абсолютный геологический возраст – возраст горных пород, минералов, руд, устанавливаемый различными радиологическими методами по накоплению в минералах и горных породах продуктов распада радиоактивных изотопов и выраженный в единицах астрономического времени. Исчисление ведется от настоящего времени, в нисходящем порядке.

Для определения абсолютного возраста используются данные по радиоактивному распаду урана, тория, калия, углерода и некоторых других химических элементов. Для радиоактивных изотопов экспериментальным путем определен период полураспада – промежуток времени, в течение которого любое количество данного неустойчивого изотопа уменьшится наполовину, превратясь в стабильные изотопы других химических элементов. Период полураспада Th²³² равен13,9 млрд. лет, U²³⁸ – 4,51 млрд. лет, U²³⁵ – 710 млн. лет, C¹⁴ – 5,5-6 тыс. лет.

Наиболее распространен метод определения абсолютного возраста по изотопам урана и тория, их превращению в стабильные изотопы свинца и гелия. Для определения по этому методу используются минералы, содержащие до 1% U или Th: монацит, циркон и др.

U²³⁸ → 8He⁴ + Pb²⁰⁶

U²³⁵ → 7He⁴ + Pb²⁰⁷

Th²³² → 6He⁴ + Pb²⁰⁸

Применяется аргоновый: K⁴⁰ → Ar⁴⁰ , стронциевый: Rb⁸⁷ → Sr⁸⁷ и др. Радиоуглеродный метод основан на изучении распада С¹⁴ , образующегося под воздействием космической радиации на С¹² воздуха.

Самыми древними на Земле определены песчаники из Западной Австралии, возраст цирконов в которых достигает 4,2 млрд. лет. Имеются публикации и о более древнем абсолютном возрасте в 5,6 млрд. лет и более, но официальной наукой такие цифры не принимаются. Возраст кварцитов из Гренландии и Северной Канады определен в 4 млрд. лет, гранитов Австралии и Южной Африки до 3,8 млрд. лет.

Начало палеозоя определено в 570 млн. лет, мезозоя – в 240 млн. лет, кайнозоя – в 67 млн. лет

Архейская эра. Самые древние породы, обнажающиеся на поверхности материков, образовались в архейскую эру. Распознавание этих пород затруднено, поскольку их выходы рассредоточены и в большинстве случаев перекрыты мощными толщами более молодых пород. Там, где эти породы обнажаются, они настолько метаморфизованы, что зачастую нельзя восстановить их исходный характер. Во время многочисленных продолжительных этапов денудации были разрушены мощные толщи этих пород, а сохранившиеся содержат очень мало ископаемых организмов и поэтому их корреляция затруднительна или вообще невозможна. Интересно отметить, что самые древние известные архейские породы, вероятно, представляют собой сильно метаморфизованные осадочные породы, а более древние породы, перекрытые ими, были расплавлены и разрушены в результате многочисленных магматических интрузий. Поэтому до сих пор не обнаружены следы первичной земной коры.

В Северной Америке имеются два больших ареала выходов на поверхность архейских пород. Первый из них – Канадский щит – расположен в центральной Канаде по обе стороны Гудзонова залива. Хотя местами архейские породы перекрыты более молодыми, на большей части территории Канадского щита они слагают дневную поверхность. Древнейшие известные в этом районе породы представлены мраморами, аспидными и кристаллическими сланцами, переслаивающимися с лавами. Первоначально здесь были отложены известняки и глинистые сланцы, впоследствии запечатанные лавами. Затем эти породы испытали воздействие мощных тектонических движений, которые сопровождались крупными гранитными интрузиями. В конечном итоге толщи осадочных пород подверглись сильному метаморфизму. После длительного периода денудации эти сильно метаморфизованные породы местами были выведены на поверхность, но общий фон составляют граниты.

Выходы архейских пород имеются также в Скалистых горах, где слагают гребни многих хребтов и отдельные вершины, например Пайкс-Пик. Более молодые породы там разрушены денудацией.

В Европе архейские породы обнажаются на территории Балтийского щита в пределах Норвегии, Швеции, Финляндии и России. Они представлены гранитами и сильно метаморфизованными осадочными породами. Такие же выходы архейских пород имеются на юге и юго-востоке Сибири, в Китае, западной Австралии, Африке и на северо-востоке Южной Америки. Древнейшие следы жизнедеятельности бактерий и колоний одноклеточных сине-зеленых водорослей Collenia были обнаружены в архейских породах южной Африки (Зимбабве) и провинции Онтарио (Канада).

Протерозойская эра. В начале протерозоя после длительного периода денудации суша была в значительной степени разрушена, отдельные части материков испытали погружение и были затоплены мелководными морями, а некоторые низменные котловины начали заполняться континентальными отложениями. В Северной Америке самые значительные выходы протерозойских пород имеются в четырех районах. Первый из них приурочен к южной части Канадского щита, где мощные толщи глинистых сланцев и песчаников рассматриваемого возраста обнажаются вокруг оз. Верхнего и северо-восточнее оз. Гурон. Эти породы имеют как морское, так и континентальное происхождение. Их распределение указывает на то, что положение мелководных морей на протяжении протерозоя значительно менялось. Во многих местах морские и континентальные осадки переслаиваются с мощными лавовыми толщами. По окончании осадконакопления происходили тектонические движения земной коры, протерозойские породы претерпевали складкообразование и формировались крупные горные системы. В предгорных районах к востоку от Аппалачей имеются многочисленные выходы протерозойских пород. Первоначально они отлагались в виде пластов известняков и глинистых сланцев, а затем во время орогенеза (горообразования) метаморфизовались и превратились в мрамора, аспидные и кристаллические сланцы. В районе Большого каньона мощная толща протерозойских песчаников, глинистых сланцев и известняков несогласно перекрывает архейские породы. В северной части Скалистых гор была отложена толща протерозойских известняков мощностью ок. 4600 м. Хотя протерозойские образования в этих районах испытали воздействие тектонических движений и были смяты в складки и разбиты разломами, эти подвижки были недостаточно интенсивными и не могли привести к метаморфизации пород. Поэтому там сохранились исходные осадочные текстуры.

В Европе значительные выходы протерозойских пород имеются в пределах Балтийского щита. Они представлены сильно метаморфизованными мраморами и аспидными сланцами. На северо-западе Шотландии мощная толща протерозойских песчаников перекрывает архейские граниты и кристаллические сланцы. Обширные выходы протерозойских пород встречаются на западе Китая, в центральной Австралии, южной Африке и центральной части Южной Америки. В Австралии указанные породы представлены мощной толщей неметаморфизованных песчаников и глинистых сланцев, а в восточной Бразилии и южной Венесуэле – сильно метаморфизованными аспидными и кристаллическими сланцами.

Ископаемые сине-зеленые водоросли Collenia весьма широко распространены на всех материках в неметаморфизованных известняках протерозойского возраста, где также обнаружены немногочисленные обломки раковин примитивных моллюсков. Однако остатки животных очень редки, и это свидетельствует о том, что большинство организмов отличалось примитивным строением и еще не имело твердых оболочек, которые сохраняются в ископаемом состоянии. Хотя следы ледниковых периодов фиксируются для ранних этапов истории Земли, обширное оледенение, имевшее почти глобальное распространение, отмечается только в самом конце протерозоя.

Палеозойская эра. После того, как суша пережила длительный период денудации в конце протерозоя, некоторые ее территории испытали прогибание и были затоплены мелководными морями. В результате денудации возвышенных участков осадочный материал сносился водными потоками в геосинклинали, где накопились толщи палеозойских осадочных пород мощностью более 12 км. В Северной Америке в начале палеозойской эры образовались две крупные геосинклинали. Одна из них, называемая Аппалачской, протянулась от северной части Атлантического океана через юго-восточную Канаду и далее на юг к Мексиканскому заливу вдоль оси современных Аппалачей. Другая геосинклиналь соединяла Северный Ледовитый океан с Тихим, проходя несколько восточнее Аляски на юг через восточную часть Британской Колумбии и западную часть Альберты, далее через восточную Неваду, западную Юту и южную Калифорнию. Таким образом Северная Америка была разделена на три части. В отдельные периоды палеозоя ее центральные районы отчасти затоплялись и обе геосинклинали соединялись мелководными морями. В другие периоды в результате изостатических поднятий суши или колебаний уровня Мирового океана происходили морские регрессии, и тогда в геосинклиналях откладывался терригенный материал, смытый из сопредельных возвышенных районов.

В палеозое сходные условия существовали и на других материках. В Европе огромные моря периодически затопляли Британские о-ва, территории Норвегии, Германии, Франции, Бельгии и Испании, а также обширную область Восточно-Европейской равнины от Балтийского моря до Уральских гор. Крупные выходы палеозойских пород имеются также в Сибири, Китае и северной Индии. Они являются коренными породами в большинстве районов восточной Австралии, северной Африки, а также в северных и центральных районах Южной Америки.

Палеозойская эра делится на шесть периодов неодинаковой продолжительности, чередующихся с кратковременными этапами изостатических поднятий или морских регрессий, во время которых в пределах материков осадкообразование не происходило (рис. 9, 10).

Кембрийский период – самый ранний период палеозойской эры, названный по латинскому названию Уэльса (Камбрия), где впервые были изучены породы этого возраста. В Северной Америке в кембрии обе геосинклинали были затоплены, а во второй половине кембрия центральная часть материка занимала столь низкое положение, что оба прогиба соединялись мелководным морем и там накапливались слои песчаников, глинистых сланцев и известняков. В Европе и Азии происходила крупная морская трансгрессия. Эти части света были в значительной степени затоплены. Исключение составляли три крупных обособленных массива суши (Балтийский щит, Аравийский п-ов и южная Индия) и ряд небольших изолированных участков суши в южной Европе и южной Азии. Менее крупные морские трансгрессии происходили в Австралии и центральной части Южной Америки. Кембрий отличался довольно спокойными тектоническими обстановками.

В отложениях этого периода сохранились первые многочисленные ископаемые, свидетельствующие о развитии жизни на Земле. Хотя наземные растения или животные не отмечены, мелководные эпиконтинентальные моря и затопленные геосинклинали изобиловали многочисленными беспозвоночными животными и водными растениями. Наиболее необычные и интересные животные того времени – трилобиты (рис. 11), класс вымерших примитивных членистоногих, были широко распространены в кембрийских морях. Их известково-хитиновые панцири обнаружены в породах этого возраста на всех материках. Кроме того, существовало много типов плеченогих (брахиопод), моллюсков и других беспозвоночных. Таким образом, в кембрийских морях присутствовали все основные формы беспозвоночных организмов (за исключением кораллов, мшанок и пелеципод).

В конце кембрийского периода бóльшая часть суши испытала поднятие и произошла кратковременная морская регрессия.

Ордовикский период – второй период палеозойской эры (называющийся по имени кельтского племени ордовиков, населявшего территорию Уэльса). В этот период материки снова испытали прогибание, в результате чего геосинклинали и низменные котловины превратились в мелководные моря. В конце ордовика ок. 70% территории Северной Америки было затоплено морем, в котором отложились мощные толщи известняков и глинистых сланцев. Морем были покрыты также значительные территории Европы и Азии, частично – Австралия и центральные районы Южной Америки.

Все кембрийские беспозвоночные продолжали развиваться и в ордовике. Кроме того, появились кораллы, пелециподы (двустворчатые моллюски), мшанки и первые позвоночные. В Колорадо в ордовикских песчаниках обнаружены фрагменты самых примитивных позвоночных – бесчелюстных (остракодерм), у которых отсутствовали настоящие челюсти и парные конечности, а передняя часть тела была покрыта костными пластинками, образующими защитный панцирь.

На основе палеомагнитного изучения пород установлено, что на протяжении большей части палеозоя Северная Америка располагалась в экваториальной зоне. Ископаемые организмы и широко распространенные известняки этого времени свидетельствуют о господстве в ордовике теплых мелководных морей. Австралия располагалась близ Южного полюса, а северо-западная Африка – в районе самого полюса, что подтверждается запечатлевшимися в ордовикских породах Африки признаками широкого распространения оледенения.

В конце ордовикского периода в результате тектонических движений происходили поднятие материков и морская регрессия. Местами коренные кембрийские и ордовикские породы испытали процесс складкообразования, который сопровождался ростом гор. Этот древнейший этап орогенеза носит название каледонской складчатости.

Силурийский период. Впервые породы этого периода были изучены также в Уэльсе (название периода происходит от кельтского племени силуров, населявшего этот регион).

После тектонических поднятий, ознаменовавших окончание ордовикского периода, наступил денудационный этап, а затем в начале силура материки снова испытали прогибание, а моря затопили низменные районы. В Северной Америке в раннем силуре площадь морей существенно сократилась, однако в среднем силуре они заняли почти 60% ее территории. Сформировалась мощная толща морских известняков ниагарской формации, получившей свое название от Ниагарского водопада, порог которого она слагает. В позднем силуре площади морей сильно сократились. В полосе, простирающейся от современного штата Мичиган до центральной части штата Нью-Йорк, накапливались мощные соленосные пласты.

В Европе и Азии силурийские моря были широко распространены и занимали почти те же территории, что и кембрийские моря. Незатопленными оставались те же изолированные массивы, что и в кембрии, а также значительные территории северного Китая и Восточной Сибири. В Европе мощные известняковые толщи накапливались по периферии южной оконечности Балтийского щита (в настоящее время они частично затоплены Балтийским морем). Небольшие моря были распространены в восточной Австралии, северной Африке и в центральных районах Южной Америки.

В силурийских породах обнаружены в общем те же основные представители органического мира, что и в ордовикских. Наземные растения в силуре еще не появились. Среди беспозвоночных гораздо более обильными стали кораллы, в результате жизнедеятельности которых во многих районах сформировались массивные коралловые рифы. Трилобиты, столь характерные для кембрийских и ордовикских пород, утрачивают свое доминирующее значение: их становится меньше как в количественном, так и видовом отношениях. В конце силура появилось множество крупных водных членистоногих, называемых эвриптеридами, или ракоскорпионами.

Силурийский период в Северной Америке завершился без крупных тектонических подвижек. Однако в Западной Европе в это время образовался пояс каледонид. Эта горная цепь простиралась на территории Норвегии, Шотландии и Ирландии. Орогенез происходил также в северной Сибири, в результате чего ее территория была так высоко поднята, что больше уже никогда не затоплялась.

Девонский период назван по имени графства Девон в Англии, где впервые были изучены породы этого возраста. После денудационного перерыва отдельные районы материков снова испытали погружение и были затоплены мелководными морями. В северной Англии и частично в Шотландии молодые каледониды препятствовали проникновению моря. Однако их разрушение привело к накоплению мощных толщ терригенных песчаников в долинах предгорных рек. Эта формация древних красных песчаников известна хорошо сохранившимися ископаемыми рыбами. Южная Англия в это время была покрыта морем, в котором отлагались мощные толщи известняков. Значительные территории на севере Европы были тогда затоплены морями, в которых накапливались слои глинистых сланцев и известняков. При врезании Рейна в эти толщи в районе массива Эйфель образовались живописные утесы, которые поднимаются по берегам долины.

Девонские моря покрывали многие районы европейской части России, южной Сибири и южного Китая. Обширный морской бассейн затопил центральную и западную Австралию. Эта территория не покрывалась морем с кембрийского периода. В Южной Америке морская трансгрессия распространилась на некоторые центральные и западные районы. Кроме того, существовал узкий субширотный прогиб в Амазонии. В Северной Америке очень широко распространены девонские породы. На протяжении большей части этого периода существовали два крупных геосинклинальных


29-04-2015, 01:07