NauchenSviat.eu

Факторът време в геологията

Геологията се отличава от другите природни науки (химия, физика и др.) по това, че тя изучава не само съвременните геоложки процеси и явления, но и геоложките процеси и явления в геоложкото минало. 

Геологията се отличава от останалите науки за Земята по това, че 

1. Геологията е историческа наука защото тя задължително изучава  някогашните и съвременните геоложки процеси и явления  като последователни събития във времето - т.е. в тяхната хронология.

2.  Огромната продължителност на геоложкото време  не позволява прилагането на някои класически за другите природна науки  методи (например класическите лабораторни експерименти) и не дава възможност  за  цялостни  непосредствени наблюдения на геоложките процеси и явления.

3. Решаващо значение при геоложките изследвания е факторът геоложко време.  То тече необратимо от миналото към бъдещето  и прави невъзможно Земята някога да бъде отново точно такава както в някой друг отминал момент.

4. Геологията почти винаги оперира с непълна дори оскъдна информация за миналите геоложки събития и процеси. Това възпрепятствува въвеждането на точни (както например при химията, физиката, математиката и т.н.) закони за геоложкото знание. Те най-често се заменят от различни систематики и класификации, които непрекъснато се допълват и усъвършенствуват от новата научна информация.

Геохронология

Геохронологията е клон от геоложката наука, който изучава историческата и еволюционна същност на геоложките процеси и явления в локален и глобален мащаб .

Основни критерии на геохроноложките изследвания:

1. Набиране на веществени доказателства за  наличие на последователност при изследваните геоложки процеси или събития ( например последователно отложени пластове).

2.  Набиране на доказателства за еднопосочността (от миналото към бъдещето) на изследваните геоложки процеси или събития (посока на подмладяване на пластовете и време на внедряване на магмените скали - коя част от геоложкия разрез пресичат те).

3.  Разграничаване на ролята на времето от пространствените  характеристики на геоложките процеси и събития. (Внимание: пространствената близост на  два геоложки феномена понастоящем не доказва  едновременноста на  тяхното възникване и прояви).

4. Времевото съпоставяне (корелацията) на локалните геоложки явления и процеси  трябва да става въз основа на определено  общо за всички локалитети събитие или друг геоложки критерий (например: различни по местоположение разкрития на пластове с различен веществен състав може да бъдат съпоставяни въз основа на еднакви вкаменелости намерени в тях).

5. Характеризирането на продължителността на даден геоложки процес да става въз основа на възприета или доказана продължителност на друг също такъв процес (служещ в случая като еталон).

Относителна геохронология.

Относителната геохронология разглежда въпросите за относителната възраст на скалите или за относителното време на проява на даден геоложки процес или явление. Тяхната относителна възраст се определя спрямо различни, всеобхватни за цялата Земя критерии или спрямо други вече установени относителни възрасти на скални комплекси или геоложки процеси и явления. 

Основните методи за определяне на относителната възраст  в геологията са:

Стратиграфски метод. Приложим най-вече при седиментните скали или при изучаване на взаимоотношенията им с магмените и метаморфните (променените) скали. Базира се на формулирания преди 300 години от Николаус Стено закон за напластяването : суперпозиционно разположените пластове определят последователността на събитията, чиито следи са запечатани в тях . В някои случаи съпоставянето на еднакви пластове с еднакво положение (обикновенно в близки райони или в непосредствено съседство) дава възможност да се установи тяхната едновъзрастност. При разкъсани и изведени от първоначалното си хоризонтално положение пластове стратиграфският метод е неприложим. Той  следва винаги да се комбинира с възможностите на палеонтоложкия метод.

Палеонтоложки метод.  Основен метод в относителната геохронология и в геологията. Въведен от Уйлиям Смит. Основава се на изучаването на запазените в  утаените скали организмови останки  - вкаменелостите (най-често черупки и кости).  Те бележат еднопосочното развитие на организмовия свят през различните геоложки времена и така дават информация за различните възрасти на скалите в които са намерени. За тези цели най- важни са организмите които се развиват бързо, имат широко хоризонтално разпространение и  бързо изчезват като се заменят с нови. Останките им се наричат ръководни (за дадената относителна възраст) вкаменелости. Постепенно учените се създали зял комплекс  от последователно живяли ръководни организми (по-точно техните останки - ръководни вкаменелости) за цялата биоложка история на земната повърхност. Необходимо задължително условие за използуването на вкаменелостите като  палеонтоложки ориентири е тяхната  добра и цялостна запазеност.

Стрaтиграфска колонка и геохроноложка таблица   

Стратиграфски колонки. Многобройните теренни (полеви) изследвания са дали въз-можност зъ съставянето на различно точни схеми на множество разрези предимно на утаените скали в различни точки от земната кора. Въз основа на тези разрези са съставени различни стратиргарфски колонки  за времевите и пространствени  взаимоотношения на пластовите последователности в различни по-големи и и по-малки региони и области. Да се състави съответна стратиграфска колонка е една от първите задължителни дейности при всяко регионално геоложко изследване.

Геохроноложка таблица. За съпоставяне на регионалната стратиграфска информация от различните точки на земната повърхност  е разработена геохроноложка таблица. Тя  представлява времево разпределение на последователни отрязъци от развитието и историята на Земята и земната кора. Първите геохроноложки таблици са били създадени и приети  на втория Международен геоложки конгрес в Болоня (Италия) през 1881 год.  От тогава насетне  геохроноложката таблица многократно е била изменяна в съответствие с  усъвършенствуването на стратиграфските и палеонтоложките методи и новите резултати на тези науки. Одобряването на всяка по- съвършенна геохроноложка таблица става на Международен геоложки гонгрес.

Геохроноложката таблица се състои от следните съподчинени стратиграфски подразделения за времеви отрязъци от историята на Земята:

ера - период - епоха - век .

Те съответствуват на основните съподчинени  подразделения  на утаените пластове, отложени в цялата история на развитието на Земята:

ератема (съответствува на ера) - период (съответствува на система) - серия (съответствува на епоха) - век (съответствува на етаж). 

В зависимост от степента на развитието  на организмовия свят, още на втория Международен геоложки конгрес в Болоня (Италия) през 1881 год.,  в историята на Земята са обособени  пет ери :

архайска - протерозойска - палеозойска - мезозойска - неозойска  

Наименованията са в зависимост от състоянието на организмовия свят на планетата ( "липса на живот" - "първичен живот" - "древен живот" - "среден живот" - "млад" или "нов живот").

Наименованията на периодите, епохите и вековете (съответно на системите, сериите и етажите) , по предложението на втория Международен геоложки конгрес в Болоня (Италия) през 1881 год.  е прието за се извършва по имената на местностите, където те са установени  или по имената на древни народи, обитавали гетиз места (Камбрия в Уелс, Южна Англия; Девоншайр в Англия; Пермска губерния в Царска Русия; Юра в Швейцария). По рядки са имената  на характерни скали ("карбон" - фр. - въглища) или например броя на деловете на дадена геохроноложка единица (триас - "три").

На картните изображения (на самата карта или в обяснението й )  наименованията на геохроноложките единици се означават със буквени индекси. Те се състоят от  една, две и по-рядко три букви (в случаите когато първата или първата и втората буква на името са еднакви. Първата буква се изписва главна, а останалите малки (Карбон - С, Камбрй CM, перм - Р, палеоген - Pg).

Геохроноложките и стратигграфските подразделения  съответствуват на основните, второ или третостепенните етапи от  развитието на организмовия свят. Те се характеризират със следи от  големи групи или комплекси от животински и растителни семейства. Големите стратиграфски подразделения (ератеми, системи, серии ) имат планетарен характер. Границите на етажите  се бележат от разпространението и изчезването на ръководни вкаменелости (видове), група видове, родове или подродове. 

Съвременната геохроноложка таблица е усъвършенствувана с информация за абсолютните възрасти на границите между  единиците от различен ранг и за тяхната продължителност в милиони години.  Освен това  в  повечето модерни геохроноложки таблици се дава информация за особенностите на геоложкото развитие в отделните региони на земната повърхност ( положението на континентите или тяхни части, океаните, моретата, времето на големите земекорни деформаци отразени в особенностите на утаените и на другите скали ).

Абсолютна геохронология.

Относителната геохронология не дава информация за продължителността на последователните геоложки процеси и явления в историята на земната кора.  С това  се занимава абсолютната геохронология.

Методи на абсолютната геохронология. Повечето от тях да оргинални и остроумни, но не се отличават със голяма точност (или въобще с практическа точност)  и  са  не винаги и не повсеместно приложими. Такива са:

Скорост на отлагане на утайките. Според Мърей  реките ежегодно внасят в борето 16 км3 твърди вещества  или средно 0.11 мм утайки годишно. Дебелината на седиментите от всички стратиграфски системи  е около 150 км. - следователно продължителността на седиментонатрупването е 1,5.109 год.  - или началото на камбрия следва да е било преди само няколко стотин милиона години  - много неточно.

Количество на солите в морската вода. Солите постъпват в океаните и моретата от сушата при размиването на коренните скали. Според метода началото на палеозойската ера датира от 0,3 ди 15000000000 години - фантастично!

Ледниковите отложения - по принципа на редуващите се тъмни и светли (летни и зимни) кръгове в стеблата на някои дървета.  Слоистите финни глинести ледникови утайки - "лентови глини" - в Северна Европа се състоят от редуващи се  

по-финни (летни) и  по-груби (зимни) слойчата. По този метод лентовите глини в Северна Европа са започнали да се отлагат преди 16,600 години - т.е. кватернерът е продължил  1-2 милиона години.

Най - точен и понастоящем актуален е методът почиващ на радиоактивното разпадане. Той се основава на  потвърдената (чрез опити) постоянна (при всякакви условия) скорост на разпадане на различните  радиоактивни елементи в природата. Тогава по количеството на остатъка на разпадащия се радиоактивен елемент и количеството на отделените продукти на разпадане се изчислява времето на съществуванието на минерала съдържащ  дадения радиоактивен елемент (в разпаднато и остатъчно неразпаднато състояние). 

Скоростта на разпадане на радиоактивните изотопи е пропорционална на броя на неразпадналите се атоми: dN/dt = -   N, където N - брой на атомите на изходния изотоп, t - времето,   - константа, постоянна за разпадането на всеки елемент.

Времето, необходимо за разпадането на половината от всички съществуващи атоми е период на полуразпадане - t/2. 

За определеянето на абсолютната възраст на скалите се използува разпадането на различни радиоактивни елементи по схемата изходен продукт  -   краен продукт:  уран -  хелий и олово  (ураново-оловен метод), торий - хелий и олово (торий-оловен метод), рубидий - стронций (рубидиево стронциев метод), калий - аргон или калций (калий-аргонов метод), рений - осмий (рений-осмиев метод) и т. н.

Най-надежни са ураново-оловният  и торий-оловният метод поради основното предимство, че се контролират комбинирано от съдържанието на трите радиогенни изотопа на оловото (Pb206, Pb207 и  Pb208). Основен недостатък  ограничено приложими при магмени скали, съдържащи уран и  торий. 

Най-широко приложими (при утаените скали), но много по-ненадежни са калий-аргоновият и рубидий-стронциевият метод. 

Въглеродният метод - ефективен при най-младите (кватернерните) скали и археологически обект.  Период на полуразпадане 5568 год. на радиоактивните изотопи на въглерода (С14). Под въздействието на космически лъчи той образува неутрони,  реагиращи с изотопа на азота (N14) и се получава радиоактивен въглерод. Той се поглъща от растенията  и селд смърта им  количеството му започва да намалява вследствие на започналия разпад. Така се определя възрастта на измирането на растенията

Абсолютната възраст на Земята се изчислява по методите на абсолютната геохронология на 4550-4600 мил. год  или 4,56 ± 0,03 милиарда год.

Методите на определянето на абсолютната възраст на скалите допускат средна грешка 5-10%. Често измерваните разпадания не започват с формирането на скалите, а с началото на други геоложки процеси в тях - влияние на магмена дейност, метаморфизъм и т.н. 

Автор: проф. дгмн Цанко Цанков