Геологическое время. Что такое шкала геологического времени
Геологическое время и методы его определения
В изучении Земли как уникального космического объекта идея её эволюции занимает центральное место, поэтому важным количественно-эволюционным параметром является геологическое время . Изучением этого времени занимается специальная наука, получившая название Геохронология – геологическое летоисчисление. Геохронология может быть абсолютной и относительной .
Время, затрачиваемое на то, чтобы половина родительского нуклида распалась на дочерний продукт, называется периодом полураспада. Остальная популяция родительского нуклида снова уменьшена вдвое, а популяция дочернего продукта удвоилась с прохождением каждого последующего полураспада. Количество родительского нуклида, измеренное в образце, нанесено на график известного периода полураспада этого радиоактивного часа. Абсолютный возраст породы, в пределах ее погрешности, может затем считываться непосредственно из временной оси графика.
Замечание 1
Абсолютная геохронология занимается определением абсолютного возраста горных пород, который выражается в единицах времени и, как правило, в миллионах лет.
В основе определения этого возраста лежит скорость распада изотопов радиоактивных элементов. Эта скорость является величиной постоянной и от интенсивности физических и химических процессов не зависит. Определение возраста основано на методах ядерной физики. Минералы, содержащие радиоактивные элементы, при формировании кристаллических решеток, образуют закрытую систему. В этой системе происходит накопление продуктов радиоактивного распада. В результате можно определить возраст минерала, если знать скорость этого процесса. Период полураспада радия, например, составляет $1590$ лет, а полный распад элемента произойдет за время в $10$ раз превосходящее период полураспада. Ядерная геохронология имеет свои ведущие методы – свинцовый, калий-аргоновый, рубидиево-стронциевый и радиоуглеродный.
Когда камень тестируется, чтобы определить его возраст, различные минералы в скале испытываются с использованием тех же радиоактивных часов. Возрасты могут определяться на одном образце с использованием разных радиоактивных часов. Когда возраст породы измеряется двумя разными способами, и результаты одинаковы, результаты считаются согласованными.
Дискордантный возраст означает, что радиоактивные часы показывают разные абсолютные возрасты для образца горной породы или разные возрасты для разных минералов в скале. Несогласованный возраст означает, что в какой-то момент после образования скалы с ней произошло что-то, что сбросило один из радиоактивных часов.
Методы ядерной геохронологии позволили определить возраст планеты, а также продолжительность эр и периодов. Радиологическое измерение времени предложили П. Кюри и Э. Резерфорд в начале $XX$ века.
Замечание 2
Относительная геохронология определяет относительный возраст горных пород, т.е. какие отложения в земной коре более молодые и какие древние.
Например, если испытание на калий-аргон вызывает несогласованный результат, скала может быть нагрета до температуры блокировки, выше которой атомный каркас минерала становится достаточно активным, чтобы избежать захвата газообразного аргона-40. Согласованные возрасты означают, что, например, не произошло сложной последовательности событий - глубокого захоронения, метаморфизма и горного строительства, которые могут быть обнаружены с помощью двух методов определения возраста, которые были использованы.
Форма радиометрического датирования используется для определения возраста органического вещества. Недолговечный радиоизотоп, углерод-14, накапливается всеми живыми существами на Земле. При смерти количество углерода-14 фиксируется и затем начинает распадаться на углерод-12 с известной скоростью. Измеряя, сколько углерода-14 осталось в останках и рисует это количество на графике, показывающем, как быстро происходит распад углерода-14, может быть известна приблизительная дата смерти организма.
Относительная геохронология оперирует такими понятиями как «ранний возраст, средний, поздний». Существует несколько разработанных методов определения относительного возраста горных пород. Они объединяются в две группы – палеонтологические и непалеонтологические .
Первые играют основную роль в силу своей универсальности и повсеместного применения. Исключение составляет отсутствие в породах органических остатков. С помощью палеонтологических методов изучаются остатки древних вымерших организмов. Для каждого слоя горных пород характерен свой комплекс органических остатков. В каждом молодом слое остатков высокоорганизованных растений и животных будет больше. Чем выше лежит слой, тем он моложе. Подобная закономерность была установлена англичанином У. Смитом . Ему принадлежит первая геологическая карта Англии, на которой горные породы были разделены по возрасту.
Когда атомы урана распадаются, они испускают быстрые, тяжелые альфа-частицы. Внутри кристалла циркона эти субатомные частицы оставляют следы разрушения в кристаллической структуре циркона. Возраст кристалла циркона можно оценить, подсчитав количество этих троп. Скорость, с которой образуются следы, была найдена путем определения возраст пород, содержащих кристаллы циркона, и отмечая, как с течением времени разрушаются кристаллы циркона. Этот метод определения возраста называется датировкой деления.
Этот метод выявил самые старые породы мира - от 8 до 9 миллиардов лет, и еще более старые кристаллы, которые предполагают, что Земля имела твердую почву на ней 2 миллиарда лет назад. Возраст Земли выведен из веков других материалов в Солнечной системе, а именно метеоритов. Метеориты - это части, образованные из облака пыли и обломков, оставленных сверхновой, взрывной смертью звезды. Через это облако младенческая Земля вращалась, привлекая все больше и больше предметов материи. Метеориты, которые падают на Землю сегодня, с этого времени окружают Солнце, неизмененное и невозмутимое процессами, разрушившими первые породы Земли.
Непалеонтологические методы определения относительного возраста горных пород используются в случаях отсутствия в них органических остатков. Более эффективными тогда будут являться стратиграфический, литологический, тектонический, геофизический методы . С помощью стратиграфического метода можно определить последовательность напластования слоёв при нормальном их залегании, т.е. нижележащие пласты будут более древними.
Радиометрические периоды для метеоритов колеблются между 45 и 55 миллиардами лет. Радионуклидный йод-129 образуется в природе только внутри звезд. Кусок твердого йода-129 почти полностью распадается на газовый ксенон-129 в течение ста миллионов лет. Если этот распад произойдет в открытом космосе, газ ксенона-129 будет выплывать в космос, взорванный солнечным ветром. В качестве альтернативы, если йод-129 находился в скале в течение ста миллионов лет, образующихся в звезде, то некоторые очень старые породы должны содержать газ ксенона-129.
Оба метеорита и самые старые породы Земли содержат ксенон. Это означает, что звезда, которая обеспечила материал для солнечной системы, умерла менее 65 миллиардов лет назад. Геологическая шкала времени обеспечивает временную систему отсчета для ученых, чтобы сообщить о прошлом Земли. Такая связь может включать, помимо прочего, эволюцию ископаемых, тектонические изменения Земли и климатические изменения. Например, теплый, справедливый меловый климат, который поддерживал огромное разнообразие жизни животных и растений, в конечном итоге изменился на глобально более холодный климат в период неогена.
Замечание 3
Последовательность образования горных пород определяет относительная геохронология, а возраст их в единицах времени определяет уже абсолютная геохронология. Задача геологического времени заключается в определении хронологической последовательности геологических событий.
Геохронологическая таблица
Для определения возраста горных пород и их исследования ученые пользуются различными методами, и с этой целью была составлена специальная шкала. Геологическое время на этой шкале делят на временные отрезки каждому из которых соответствует определенный этап формирования земной коры и развития живых организмов. Шкала получила название геохронологической таблицы, в которой выделяются следующие подразделения: эон, эра, период, эпоха, век, время . Для каждого геохронологического подразделения характерен свой комплекс отложений, который называется стратиграфическим : эонотема, группа, система, отдел, ярус, зона . Группа, например, является стратиграфическим подразделением, а временное геохронологическое подразделение ей соответствующее представляет эра. Исходя из этого, существует две шкалы – стратиграфическая и геохронологическая . Первая шкала используется тогда, когда речь идет об отложениях , потому что в любой промежуток времени на Земле происходили какие-то геологические события. Вторая шкала нужна для определения относительного времени . С момента принятия содержание шкалы менялось и уточнялось.
В течение мелового периода почти не было полярного льда, а океаны, которые были намного теплее, чем сегодня, покрывали большую часть земной поверхности Земли. Климатические изменения в конце мелового периода в результате вулканизма, астероидный эффект, приписываемый меловому третичному массовое исчезновение и последствия континентального дрейфа привели к появлению более отчетливых сезонов, снижению уровня моря и большим пределам между температурами на экваторе и полюсами.
Геологическая шкала времени. Кембридж: Пресса Кембриджского университета. Земля: введение в физическую геологию. Методы четвертичного знакомства. «Геологическое время: онлайн-издание». Исторические записи возвращаются всего несколько тысяч лет и неадекватны для лечения большинства геологических процессов.
Наиболее крупными стратиграфическими подразделениями в настоящее время являются эонотемы – архейская, протерозойская, фанерозойская . В геохронологической шкале им отвечают зоны различной длительности. По времени существования на Земле выделяются архейская и протерозойская эонотемы , охватившие почти $80$ % времени. Фанерозойский эон по времени значительно меньше предыдущих эон и охватывает всего $ 570$ млн. лет. Эта ионотема делится на три основные группы – палеозой, мезозой, кайнозой .
Геологическая шкала времени основана на геологической записи горных пород, которая включает эрозию, горное строительство и другие геологические события. За сотни-тысячи миллионов лет континенты, океаны и горные хребты перемещали большие расстояния как по вертикали, так и по горизонтали. Например, районы, которые когда-то были глубокими океанами сотни миллионов лет назад, теперь являются горными пустынными районами.
Как измеряется геологическое время?
Самые ранние геологические шкалы времени просто использовали порядок пород, заложенных в осадочной породе, с самой старой на дне. Однако более мощным инструментом были окаменелые останки древних животных и растений в пределах горных пород. Это создало первую обобщенную геологическую шкалу времени.
Название эонотем и групп имеют греческое происхождение:
- Археос означает древнейший;
- Протерос – первичный;
- Палеос – древний;
- Мезос – средний;
- Кайнос – новый.
От слова «зоико с», что значит жизненный, произошло слово «зой ». Исходя из этого, выделяют эры жизни на планете, например, мезозойская эра означает эру средней жизни.
После образования планет и стратиграфических последовательностей по всему миру последовательности могут быть сопоставлены с фаунистическими последовательностями. Эти последовательности применяются с начала кембрийского периода, который содержит первые доказательства макро-окаменелостей. Ископаемые комплексы «отпечатков пальцев», хотя некоторые виды могут распространяться через несколько различных образований. Эта особенность позволила Уильяму Смиту заказать окаменелости, которые он начал собирать в юго-восточной Англии.
Он отметил, что в разных формациях содержатся разные ископаемые, и он может отображать одно образование из другого по различиям в ископаемых. Когда он сопоставил южную Англию, он составил стратиграфическую последовательность камней, хотя они появились в разных местах на разных уровнях.
Эры и периоды
Историю Земли по геохронологической таблице делят на пять геологических эр: архейскую, протерозойскую, палеозойскую, мезозойскую, кайнозойскую . В свою очередь эры подразделяются на периоды . Их значительно больше – $12$. Продолжительность периодов различна от $20$-$100$ млн. лет. На свою незавершенность указывает последний четвертичный период кайнозойской эры , его продолжительность всего $1,8$ млн. лет.
Сопоставив похожие ископаемые в разных регионах мира, корреляции были построены на протяжении многих лет. Разделы в геологическом масштабе времени по-прежнему используют ископаемые доказательства и отмечают значительные изменения в доминировании конкретных форм жизни. Например, девонский период известен как «возраст рыб», так как на этом этапе начали развиваться рыбы. Однако конец девона был отмечен преобладанием другой формы жизни, растений, что, в свою очередь, означает начало Каменноугольного периода.
Фаунистическая преемственность: это временное расположение окаменелостей в геологической летописи. Формирования: стратиграфические последовательности, содержащие породы связанного геологического возраста, образовавшиеся в одной геологической обстановке. Палеобиология: исследование эволюции жизни в геологическое время. Палеонтология: изучение древних форм жизни. Стратиграфическая последовательность: представляет собой последовательность слоистых осадочных пород.
- Геохронология: изучение возраста геологических материалов.
- Ма: это аббревиатура, используемая миллионы лет назад.
- М. Возраст и геохронология Земли.
Архейская эра. Это время началось уже после формирования земной коры на планете. На Земле к этому времени были горы и в действие вступили процессы эрозии и осадконакопления. Архей длился приблизительно $2$ млрд. лет. Эта эра самая длинная по продолжительности, в течение которой на Земле была широко распространена вулканическая деятельность, шли глубинные поднятия, результатом которых стало образование гор. Большая часть ископаемых под действием высокой температуры, давления, перемещения масс, была уничтожена, но небольшие данные о том времени сохранились. В породах архейской эры в рассеянном виде встречается чистый углерод. Ученые считают, что это измененные останки животных и растений. Если количество графита отражает количество живой материи, то в архее её существовало очень много.
На самом деле, это трудная концепция для всех. Использование аналогии, вероятно, является наиболее эффективным способом передать эту концепцию, например, если человек протянул свои руки по бокам по горизонтали, время, представленное человеческой историей на Земле, может быть представлено путем передачи файла для ногтей один раз над указательным пальцем ногтя. Время, представляемое общей длиной вытянутых рук, будет представлять собой длину геологического времени. В новом учебнике Фермера и Кука геологическое время и события являются повторяющейся темой в тексте.
Протерозойская эра . По длительности это вторая эра, охватившая $1$ млрд. лет. На протяжении эры происходило отложение большого количества осадков и одно значительное оледенение. Ледниковые покровы распространялись от экватора до $20$ градуса широты. Ископаемые, найденные в породах этого времени, являются свидетельством существования жизни и её эволюционного развития. В отложениях протерозоя найдены спикулы губок, останки медуз, грибов, водорослей, членистоногих и др.
Второй том в серии будет подзаголовок «История климата Земли», и акцент будет сделан на самых последних изменениях климата, потому что это то, о чем мы знаем больше всего. Учитывая, что Земле около 5 миллиардов лет, и первые 4 миллиарда лет или около того мало известны по сравнению с последними 5 миллиардов лет, есть пятнистые доказательства изменения климата в геологической записи до периода кембрия. В начале кембрийских пород земной коры начали поступать окаменелости организмов, которые когда-то жили в определенных условиях по сравнению с текущими.
Палеозойская эра . В этой эре выделяется шесть периодов:
- Кембрий;
- Ордовик,
- Силур;
- Девон;
- Карбон или каменноугольный;
- Пермский или пермь.
Продолжительность палеозоя составляет $370$ млн. лет. За это время появились представители всех типов и классов животных. Не было только птиц и млекопитающих.
Многие из этих организмов, простейших, растений и животных, обитали в мелководных водах, и палеогеографы могут таким образом отображать древние береговые линии и распространение древних морей. В статье, обработанной Джоном Харцем на этом сайте, окисление океана обсуждалось как развивающееся быстрее в настоящее время, чем в любое время за последние 300 миллионов лет, и в последний раз, когда оно было даже близко к настоящему, было во время максимума Палеоцена-Эоцена, начиная примерно с 56 миллионов лет назад.
Представление геологической шкалы времени, представленной Джоном Мейсоном, приведено ниже на английском и валлийском языках. Большинство научно-исследовательских работ по изменению климата только вернулись вовремя к началу плейстоцена, обычно известного как «Ледниковый период» около 5 миллионов лет назад.
Мезозойская эра . Эра делится на три периода:
- Триас;
Началась эра примерно $230$ млн. лет назад и продолжалась $167$ млн. лет. В течение первых двух периодов – триасового и юрского – большая часть материковых областей поднялась выше уровня моря. Климат триаса сухой и теплый, а в юре он стал еще теплее, но был уже влажный. В штате Аризона есть знаменитый каменный лес, существующий с триасового периода. Правда, от некогда могучих деревьев остались только стволы, бревна и пни. В конце мезозойской эры, а точнее в меловом периоде, на материки происходит постепенное наступление моря. Североамериканский континент в конце мелового периода испытал погружение и в результате воды Мексиканского залива соединились с водами арктического бассейна. Материк был разделен на две части. Завершение мелового периода характеризуется большим поднятием, получившим название альпийского горообразования . В это время появились Скалистые горы, Альпы, Гималаи, Анды. На западе Северной Америки началась интенсивная вулканическая деятельность.
Кайнозойская эра . Это новая эра, которая еще не закончилась и продолжается в настоящее время.
Эру разделили на три периода:
- Палеоген;
- Неоген;
- Четвертичный.
Четвертичный период имеет целый ряд уникальных черт. Это время окончательного формирования современного лика Земли и ледниковых периодов. Стали самостоятельными Новая Гвинея и Австралия, сместившись поближе к Азии. Антарктида осталась на своем месте. Соединились две Америки. Из трех периодов эры наиболее интересным является четвертичный период или антропогеновый . Он продолжается ныне, а был выделен в $1829$ г. бельгийским геологом Ж. Денуайэ . Похолодания меняются потеплениями, но наиболее важной его особенностью является появление человека .
Современный человек проживает в четвертичном периоде кайнозойской эры.
2. Необратимость времени
3. Естествознание эпохи средневековья
Список использованной литературы
1. Геологическая шкала времени
Физические, космологические, химические концепции подводят вплотную к представлениям о Земле, ее происхождении, строении и разнообразнейших свойствах. Комплекс наук о Земле обычно называют геологией (греч. ge – Земля). Земля- это место и необходимое условие существования человечества. По этой причине геологические концепции имеют для человека насущнейшее значение. Нам предстоит уяснить характер их эволюции. Геологические концепции возникают не самопроизвольно, они являются итогом кропотливейших научных изысканий.
Земля – уникальный космический объект. В его изучении центральное место занимает идея эволюции Земли. С учетом этого обратимся, прежде всего, к такому важному количественно-эволюционному параметру Земли, как ее время, геологическое время.
Выработка научных концепций о геологическом времени осложняется тем обстоятельством, что время жизни человеческого индивидуума составляет ничтожную долю возраста Земли (ок. 4,6 * 10 9 лет). Простая экстраполяция актуального геологического времени в глубины прошлого геологического времени ничего не дает. Чтобы получить сведения о геологическом прошлом Земли, необходимы какие-то особые концепции. Существуют самые различные способы осмысления геологического времени, главные среди них – литологические, биостратиграфические и радиологические.
Литологическая концепция геологического времени была впервые разработана датским врачом и натуралистом Н. Стенсеном (Стено). Согласно концепции Стено (1669), в серии нормально залегающих пластов вышележащих пласт моложе нижележащих, а секущие их трещины и минеральные жилы еще моложе. Главная идея Стено такова: слоистая структура пород поверхности Земли представляет собой пространственное отображение геологического времени, которое, разумеется, также обладает определенной структурностью. В развитие идей Стено геологическое время определяют по накоплениям осадков в морях и океанах, речных отложений в приустьевых участках побережья, по высоте дюн, по толщам «ленточных» глин, возникающих у краев ледников в результате их таяния.
При биостратиграфическом осмыслении геологического времени во внимание принимаются останки древних организмов: фауны и флора, залегающие выше, считаются более молодыми. Эту закономерность установил англичанин У. Смит, который составил первую геологическую карту Англии с разделением горных пород по их возрасту (1813-1815). Важно, что в отличие от литологических слоев биостратиграфические признаки распространяются на большие расстояния и присутствуют по всей оболочке Земли в целом.
На основе лито- и биостратиграфических данных неоднократно делались попытки создать единую (био) стратиграфическую шкалу геологического времени. Однако на этом пути исследователи неизменно наталкивались на неопределимые трудности. По (био)стратиграфическим данным можно определить отношение «старше-моложе», но затруднительно определить на сколько лет один слой сложился раньше другого. Но задача упорядочения геологических событий требует введения не только порядковых, но и количественных (метрических) характеристик времени.
При радиологическом измерении времени, в так называемой изотопной хронологии, возраст геологических объектов определяется исходя из соотношения в них материнского и дочернего изотопов радиоактивного элемента. Идея радиологического измерения времени была предложена в начале ХХ в. П.Кюри и Э.Резерфордом.
Изотопная геохронология позволила использовать в процедурах измерения геологического времени не только порядковые определения типа «раньше - позже», но и количественные определения. В этой связи вводится шкала геологического времени, которую обычно представляют в различных версиях. Одна из них приводится ниже.
Интервалы геологического времени (начала периодов и эпох в миллионах лет от настоящего времени)
| Эон | Эра | Период | Эпоха | Время |
| Фанерозойский | Кайнозойская | Четвертичный | Голоценовая | 0,01 |
| Плейстоценовая | 1,6 | |||
| Третичный | Плиоценовая | 5,3 | ||
| Миоценовая | 23,7 | |||
| Олигоценовая | 36,6 | |||
| Эоценовая | 57,8 | |||
| Палеоценовая | 66,4 | |||
| Мезозойская | Меловой | 144 | ||
| Юрский | 208 | |||
| Триасовый | 245 | |||
| Палеозойская | Пермский | 286 | ||
| Каменноугольный | 360 | |||
| Девонский | 408 | |||
| Силурийский | 438 | |||
| Ордовикский | 505 | |||
| Кембрийский | 570 | |||
| Протерозойский | 2500 | |||
| Архейский | 3400+ |
В названиях геологических периодов от ранней их классификации сохранились только два выражения: третичный и четвертичный. Часть названий геологических периодов связаны либо с местностями, либо с характером вещественных отложений. Так, девонский период характеризует возраст отложений, впервые изученных в графстве Девоншир в Англии. Меловой период характеризует возрастные особенности геологических отложений, содержащих много мела.
2. Необратимость времени
Время – это форма существования материи, выражающая порядок изменения объектов и явлений действительности. Характеризует реальную длительность действий, процессов, событий; обозначает промежуток между событиями.
В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться, время – необратимо и одномерно . Оно течет из прошлого через настоящее к будущему. Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной промежуток в будущее. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для причинно-следственных связей. Некоторые утверждают, что необратимость времени и его направленность определяются причиной связью, так как причина всегда предшествует следствию. Однако очевидно, что понятие предшествования уже предполагает время. Более прав поэтому Г. Рейхенбах, который пишет: «Не только временной порядок, но и объединенный пространственно-временной порядок раскрываются как упорядочивающая схема, управляющая причинными цепями, и, таким образом, как выражение каузальной структуры вселенной».
Необратимость времени в макроскопических процессах находит свое воплощение в законе возрастания энтропии. В обратимых процессах энтропия остается постоянной, в необратимых – возрастает. Реальные же процессы всегда необратимы. В замкнутой системе максимально возможная энтропия соответствует наступлению в ней теплового равновесия: разности температур в отдельных частях системы исчезают и макроскопические процессы становятся невозможными. Вся присущая системе энергия превращается в энергию неупорядоченного, хаотического движения микрочастиц, и обратный переход тепла в работу невозможен.
Выяснилось, что время нельзя рассматривать как нечто отдельно взятое. И в любом случае измеренное значение времени зависит от относительного движения наблюдателей. Поэтому два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга и следящие за двумя различными событиями, придут к разным выводам о том, насколько эти события разделены в пространстве и во времени. В 1907 г. немецкий математик Герман Минковский (1864-1909) высказал предположение о тесной связи трех пространственных и одной временной характеристик. По его мнению, все события во Вселенной происходят в четырехмерном пространственно-временном континууме.
