Секвенция как инструмент Стратиграфического анализа

Применение секвенсстратиграфического анализа связано с опре­

делением иерархии пластовых единиц (слои, группы слоев, парасек­венции, группы парасеквенции и секвенции, ограниченные хроностра­тиграфическими поверхностями эрозии, перерывов в осадконакопле-нии или коррелируемыми с ними). Этот метод стратиграфического

-197-

анализа отличается от использования трансгрессивных и регрессивных циклов (называющихся в литературе T-R единицами) пластов для ре­гиональной временной и фациальной корреляции.

Генетическая стратиграфическая секвенция основана на концепции, когда периоды осадконакопления ограничены «перерывами» или по­верхностями затопления,-сформированными при повышении уровня моря или смещении дельтовых лопастей (протоков).

Как анализ T-R циклов, так и почти идентичный анализ «генетичес­ких стратиграфических секвенций» опирается при региональной кор­реляции на «трансгрессивную поверхность в кровле регрессивной пластовой единицы (пачки) или поверхность максимального затоп­ления (дословно — maximum flooding surface (mfs)».

Вагонер с соавторами считают, что граница секвенции является луч­шей поверхностью для регионального стратиграфического анализа, чем трансгрессивная поверхность, по следующим причинам:

1. Граница секвенции (sequense boundary (SB) — это обособленная, широко распространенная поверхность, которая отделяет все отложе­ния выше нее от всех отложений ниже этой границы. Хотя все точки на границе секвенции не представляют один и тот же промежуток времени, единичный момент времени является общим для всех точек. Эта синх­ронность относится ко всему бассейну и интерпретируется глобальной в пределах точности биостратиграфической датировки. По этим причинам граница секвенции имеет хроностратиграфическое значение.

2. Граница секвенции формируется независимо от поступления осад­ков. Граница секвенции, связанная со значительным эрозионным сре­зом, является результатом быстрого относительного падения уровня моря при быстром отложении большого объема осадков. Итогом быстрого от­носительного падения уровня моря при медленном поступлении неболь­ших объемов осадка будет граница секвенции, отмеченная признаками широко распространенного субаэрального «обнажения», но незначитель­ным эрозионным срезом. И, напротив, трансгрессии и регрессии жестко контролируются поступлением осадков и по этой причине не могут быть синхронны даже в пределах одного бассейна. Например, движения бе­реговой линии зачастую обусловлены локальными различиями в поступ­лении осадка в различных частях бассейна, а не изменениями уровня моря, и поэтому обычно регионально диахронны.

3. В пределах секвенции имеются две главные поверхности: повер­хность затопления, образующая верхнюю границу системного тракта

 

-198-

низкого уровня (LST), и поверхность максимального затопления (mfs), связанная с конденсированным разрезом. Обычно между этими глав­ными поверхностями находятся несколько других трансгрессивных по­верхностей, ограничивающих (разделяющих) парасеквенции в преде­лах трансгрессивного системного тракта (TST). Эти поверхности могут быть перепутаны при региональной корреляции, особенно при исполь­зовании данных по удаленным точкам наблюдения. Возраст каждой трансгрессивной поверхности в пределах секвенции в различных точ­ках бассейна может значительно отличаться в зависимости от регио­нальных изменений в поступлении осадков.

4. Граница секвенции обычно отмечена значительной региональной эрозией (размывом) и подошвенным налеганием, которые сильно вли­яют на распределение фаций, Трансгрессивные поверхности же харак­теризуются очень слабым накоплением осадков или перерывом осад­конакопления с относительно небольшим трансгрессивным размывом.

5. Системные тракты (латеральные фациальные ряды) наблюдаются в пределах секвенции и связаны с границами секвенции; каждый сис­темный тракт связан с границей в определенной точке. Эти взаимосвя­зи не отмечены на трансгрессивных поверхностях.

6. Вкрест несогласной части границы секвенции первого типа (Т-1) имеется отчетливый перерыв в осадконакоплении и смещение фаций в сторону центральной части бассейна, что создает естественную по­верхность, разделяющую относительно согласные выше- и нижележа­щие фациальные комплексы. Обычно этот перерыв находится в преде­лах средних и верхних частей регрессивных единиц. Если трансгрес­сивные поверхности, ограничивающие «генетическую стратиграфичес­кую секвенцию», используются для стратиграфического расчленения осадочного чехла бассейна, а границы секвенции пропускаются, то в пределах основной единицы осадконакопления потенциально содер­жится главное несогласие, что затрудняет правильную интерпретацию латеральных фациальных взаимоотношений.

7. Признание несогласной части границы секвенции в качестве обо­собленной части в иерархии хроностратиграфических пластовых поверх­ностей и несогласий имеет большое значение в разработке хроностратиграфии и единовременности фаций. Поэтому использование только фаци­альных границ или подчинение «стратиграфии поверхностей» фациальным границам обычно искажает геологическое время и может привести к ошибочным заключениям об одновременности образования фаций.

 

-199-

8. 11. 2. Основные понятия

 

Секвенция — это относительно согласная, сингенетичная совокуп­ность слоев (рис. 30, 31 ¹⁶⁶), ограниченных несогласиями¹⁶⁷ (субаэральными поверхностями) или сопоставляемыми с ними согласиями¹⁶⁸. Гра­ницы секвенций формируются при уменьшении глубины водного бассейна

 

Рис. 30. Схематические разрезы, иллюстрирующие секвенцию и слагающие ее компоненты (system tracts) (по П. Вейлу и др.)

 

¹⁶⁶ Существуют два вида несогласного перекрытия (overlар) —- трансгрес­сивное (налегание, onlap) и регрессивное (offlap). Оба могут быть как морского,

так и неморского генезиса. Трансгрессивное перекрытие лучше всего наблюда­ется там, где море наступает на низменную с пологими берегами сушу. В верти­кальном разрезе таких отложений размер частиц увеличивается с глубиной, глу­боководные отложения сменяют мелководные. Морское регрессивное перекры­тие наблюдается в том случае, когда море покидает сушу, т.е. когда уровень моря понижается. В вертикальном разрезе таких отложений размер частиц умень­шается с глубиной, мелководные отложения сменяют глубоководные. Прилега­ние—downtap.

¹⁶⁷ Несогласие - поверхность, отделяющая более молодые отложения от более древних со значимым геологическим перерывом, вдоль которой имеются признаки субаэрального срезания или выхода пород на поверхность, а также в отдельных случаях подводного размыва.

¹⁶⁸ Согласие— поверхность напластования, отделяющая более молодые слои от более древних, вдоль которой нет признаков субаэральной или подвод­ной эрозии и не установлено значимого перерыва.

-200-

 

Рис. 31. Схематическое изображение секвенции и различных видов соотношений сейсмических горизонтов в ее пределах (по П. Вейлу и др.)

 

Составными элементами секвенций являются парасеквенции и группы (пачки) парасеквенции.

Под секвенцией понимается объем отложений, накопленный за один цикл седиментации. Секвенция характеризуется достаточно строго оп­ределенной последовательностью вертикального и латерального со­отношения слагающих ее компонентов, имеет строго определенные понятия границ и возможности их хроностратиграфического обоснова­ния, отличается широким региональным распространением.

Латеральные седиментационные (фациальные) ряды (систем­ные тракты) определяются как ассоциации одновозрастных фациальных комплексов. Они подразделяют секвенции на меньшие пластовые единицы. Выделяются четыре системных тракта:

— Нижнего уровня, или низкого стояния уровня моря (lowstand или LST)

— Окраины шельфа (shelf-margin или SMST)

— Трансгрессивный (traregressive или ТЭТ)

— Верхнего уровня, или высокого стояния уровня моря (highstand или HST).

Термины низкий и высокий носят чисто описательный характер и отражают только положение седиментационной системы в пределах секвенции.

 

-201 -

Парасеквенция — это относительно согласная, сингенетичная со­вокупность слоев и пачек (групп слоев), ограниченная трансгрессив­ными поверхностями или сопоставляемыми с ними. Парасеквенции выполнены пачками (группами слоев), слоями, группами прослойков, и прослойками.

Трансгрессивная поверхность — поверхность отделяющая более молодые слои от более древних, вдоль которой имеются признаки рез­кого увеличения глубины водного бассейна.

Выделяют два типа границ секвенций:

1. Границы, сформированные тогда, когда скорость эвстатического па­дения уровня моря превышает скорость погружения на границе шельфа;

2. Границы, развивающиеся в условиях, когда скорость падения уров­ня моря равна или немного меньше скорости погружения.

В результате формируются секвенции I и II типов, сложенные опре­деленными седиментационными системами (системными трактами).

Секвенции первого типа представлены системными трактами ниж­него уровня (LST), трансгрессивным (TST) и верхнего уровня (HST).

Секвенции второго типа — вместо тракта нижнего уровня (LST) присутствует «погранично шельфовый» (SMST).

Парасеквенции. Большинство парасеквенций имеют проградационный характер, т. е. дистальные¹⁶⁹ части более молодых парасеквенций были сформированы в более удаленной от берега части бассейна.

В результате парасеквенций характеризуются вертикальной после­довательностью фаций, отражающих обмеление бассейна. При этом выделяются два основных типа парасеквенций: «огрубляющиеся» и «утоняющиеся» вверх по разрезу. В обоих случаях они интерпретиру­ются как обмеляющиеся последовательности. Наиболее изучены и хо­рошо выделяются Парасеквенции в обстановках прибрежной равнины, дельты, пляжа и прибрежного шельфа.

Граница парасеквенций — это трансгрессивная или сопоставляе­мая с ней поверхность. Это граница обычно ровная, без существенных проявлений эрозии, резко отделяет глубоководные отложения, такие, как, например, шельфовые глины от более мелководных, песчаники припляжевой зоны. Вдоль ее поверхности могут отмечаться незначитель­ная подводная эрозия (см—десятки см) и кратковременные перерывы.

Группа (пачка) парасеквенций — это совокупность сингенетических парасеквенций, образующих особую пачку пластов. Они ограничены главными трансгрессивными поверхностями или соответсвующими им границами.

Границы парасеквенций и групп парасеквенций формируются при

¹⁶⁹Дистальный, т. е. удаленный (внешний, нижний) от места происхожде­ния край или конец геологического тела.

-202-

трансгрессиях. При определенных условиях осадконакопления грани­цы парасеквенций и групп парасеквенций могут совпадать с границами секвенций.

Перечисленные пластовые единицы, в диапазоне от секвенции до прослойка, являются ячейками осадочного чехла, которые отвечают стра­тиграфической иерархии и обладают двумя основными свойствами:

— каждая пластовая единица, за исключением прослойка, являет­ся сингенетичной совокупностью слоев, ограниченных хроностратигра-фическими поверхностями;

— каждая поверхность является отдельной физической границей, везде по своему простиранию разделяющая пласты выше нее от всех пластов, залегающих ниже.

 

Интерпретация и механизм образования парасеквенций

 

Мелководноморские парасеквенций образуются, когда скорость се­диментации в прибрежно-морских обстановках больше скорости акко­модации. Когда скорость осадконакопления меньше скорости аккомо­дации, формируется граница парасеквенций. Предполагается три ос­новных механизма формирования границ парасеквенций.

1. Уплотнение дельтовых глинистых осадков.

2. Погружение вдоль активных разломов.

3. Эвстатические колебания уровня моря.

Пачка парасеквенций — это последовательность генетически свя­занных парасеквенций, характеризующихся определенным типом пе­реслаивания и ограниченная главными трансгрессивными или сопос­тавляемыми с ними поверхностями.

Существует три основных типа пачек парасеквенций:

1. Преградационный (progradation¹⁷⁰—наступление).

2. Ретроградационный (retrogradation¹⁷¹)—оступление.

3. Агградационный (aggradation¹⁷²— намыв). Т. е каждая последу­ющая парасеквенция остается на месте.

 

 

¹⁷⁰ Продвижение в сторону моря береговой линии в связи с наращиванием (пляжа, дельты или конуса выноса) в результате отложения вблизи берега осад­ков речного происхождения или при длительном накоплении пляжного материа­ла, наносимого волнами или передвигаемого береговыми течениями. Антоним — ретроградация (retrogradation)

¹⁷¹ Отступление. Движение береговой линии в сторону суши, или отступа­ние береговой линии в результате волновой эрозии; ретроградация вызывает увеличение крутизны профиля пляжа вдоль линии прибоя.

¹⁷²  Надстройка земной поверхности за счет отложения осадочного материа­ла, особая надстройка, осуществляемая рекой для того, чтобы установить или поддержать постоянный и однообразный наклон.

-203-

Латеральные седиментационные ряды (system tract)

 

Нижний латеральный седиментационный ряд (LST) образуется в случае формирования в бассейне с шельфовой бровкой и в условиях, характерных для границ I типа. Он представлен:

• конусами выноса на дне бассейна;

• склоновыми конусами;

• прибрежным клином.

Конусы выноса на дне бассейна являются результатом эрозии в ка­ньонах на склоне и врезания флювиальных¹⁷³ долин в шельфовые осад­ки. Именно каньоны питают конусы выноса у подножья склона.

Склоновые конусы представлены отложениями турбидных или об­ломочных потоков на склоне.

Прибрежный клин характеризуется формированием отложений вложенных долин и ассоциирующих прибрежных осадков. Они пред­ставлены проградационными и до аградационными пачками парасеквенций.

Во времени все эти седиментационные системы развиваются пос­ледовательно. Наиболее ранние образования — конуса у подножия (их подошва совпадает по времени с началом формирования ниж­него латерального седиментационного ряда седиментационных сис­тем), затем формируются склоновые конуса и, наконец, отложения вложенных долин, кровля которых совпадает с кровлей нижнего се­диментационного ряда и подчеркивается первой трансгрессивной по­верхностью.

В условиях формирования границ II типа нижний седиментацион­ный ряд (LST) заменяется, так называемым гранично-шельфовым (SMST, или окраинно-шельфовым), характеризующимся развитием одной или нескольких слабо проградационных до аградационных пачек парасеквенций, отсутствием конуса выноса. Подошва совпа­дает с границей секвенции II типа, а кровля с I трансгрессивной по­верхностью.

Трансгрессивный седиментационный ряд (TST) характеризуется развитием одной или более ретроградационных пачек парасеквенций. Основанием этого ряда служит первая трансгрессивная поверхность, а кровлей — так называемая поверхность прилегания или морская транс­грессивная поверхность, к которой прилегают окончания проградиру-ющей клиноформы. Эта поверхность обычно обозначает смену ретрог­радационных пачек парасеквенций аградационными и называется глав­ной трансгрессивной поверхностью.

 

¹⁷³  От слова fiuvius (лат.) — река.

 

 

-204-

Конденсированные отложения¹⁷⁴ (condensed succession¹⁷⁵, conden­sed section), образовавшиеся в глубоководной части бассейна и состо­ящие из тонких прослоев пелагических¹⁷⁶ и хемипелагических осад­ков, отвечают как раз трансгрессивному (TST) и началу верхнего (HST) седиментационного рядов. Они имеют огромное хроностратиграфичес-кое значение, т. к. обычно содержат богатый и разнообразный комп­лекс палеонтологических остатков. Но их формирование обычно отве­чает достаточно длительному интервалу.

Верхний седиментационный ряд (HST) обычно развит в пределах шельфа и представлен одной и более аградационными пачками пара-секвенций, перекрывающимися проградационными, имеющими форму клиноформ.

 

Диагностические признаки границ секвенций

 

1. Эрозионное срезание и латерально сопоставляемая с ней повер­хность субаэральной переработки, характеризующаяся развитием по­чвенных горизонтов и поверхностью подводной эрозии.

2. Налегание перекрывающих слоев вложенной или прибрежной долины.

3. Смещение фаций в сторону моря.

4. Изменение характера строения пачек парасеквенций. Последние два признака широко используются для диагностики этих

границ по каротажу скважин, керну и на основании изучения естествен­ных выходов горных пород. Например, при развитии следующей после­довательности: проградационная (или аградационная) и вновь програ-дационная пачка — граница секвенций обычно проводится в кровле или подошве проградационной секвенции.

Выделяются два типа границ секвенций:

Первый тип формируется, когда скорость эвстатического падения уровня моря превышает скорость погружения на границе шельфа.

Второй тип развивается в условиях, когда скорость падения уровня моря равна или немного меньше скорости погружения.

 

¹⁷⁴ Применительно к российским понятиям, вероятно, правильнее будет на­зывать не конденсированные, а редуцированные. Подробнее см. в разделе «Слу­чаи, осложняющие применение-палеонтологического метода в стратиграфии».

¹⁷⁵ Относительно маломощная, но непрерывная стратиграфическая после­довательность отложений, характеризующаяся очень медленным накоплением осадков.

¹⁷⁶ От слова пелагиаль — толща вод океанов, морей, озер как среда обита­ния пелагических организмов.

 

 

-205-

8.11.3. Механизм формирования секвенций

 

Формирование секвенции, а также слагающих ее компонентов авторами гипотезы объясняется с позиций эвстатических изменений уровня моря во взаимосвязи с тектоническим погружением территории осадконакопления.

Формирование конуса выноса на морском дне происходит во время быстрого падения уровня моря.

Склоновые конусы формируются в конечную стадию падения уров­ня моря или в начальную стадию подьема.

Клин образуется также либо в конечную стадию падения уровня моря, либо в начальную стадию подъема.

Отложения трансгрессивного седиментационного ряда —во вре­мя быстрого подъема уровня моря.

Отложения верхней седиментационной системы — во время завершающей стадии эвстатического подъема уровня моря, относитель­но равновесного стояния и ранней стадии падения уровня моря.

 

Таким образом, подразделение осадочных толщ на секвенции, парасеквенции и латеральные седиментационые ряды обеспечивает ме­тодологическую основу для анализа и «породно-временных» соотно­шений. Секвенции и ограничивающие их поверхности подразделяют оса­дочную толщу на генетически связанные комплексы, разделенные хроностратиграфическими поверхностями. Границы парасеквенций, групп парасеквенций и секвенций, часто встречающиеся в терригенных раз­резах, связаны со значительными перерывами в осадконакоплении и, в большинстве случаев, фации выше этих границ не имеют никаких фи­зических и временных связей с нижележащими фациями. Эти поверх­ности создают хроностратиграфическую основу для корреляции и кар­тирования отложений. Интерпретация латеральных седиментационных рядов кроме корреляционного значения играет важную роль при про­гнозировании возможных фациальных переходов. Пачки парасеквен­ций и сами парасеквенций являются хорошей основой для более де­тальной корреляции отложений.

 

В этом разделе, а также и в предыдущих много раз упоминаются понятия, производные от слова «хроностратиграфия». Вот, что пишет по этому поводу С. В. Мейен: «Шиндевольф [Schindewolfj, прав, что термин «хроностратиграфия есть чистый плеоназм (как старый старик или синяя синька). В литературе этот термин употребля­ется в разных смыслах с самого начала. Эта многосмысленность удерживается и поныне. Под хроностратиграфическими подразде­лениями подразумевают, с одной стороны подразделения,

-206-

отложившиеся в течение определенного интервала единого планетного вре­мени. С другой стороны, хроностратиграфическими называют под­разделения МСШ, если речь идет именно об осадках, а не о самом интервале времени. Сами интервалы времени тогда выделяются в геохронологические единицы. Наконец, иногда хроностратиграфи­ческими называют не только планетарные, но и местные подразде­ления...

... В смысле временнoго единства все стратоны являются хроно­стратиграфическими подразделениями. Поэтому сохранять понятия «хроностратиграфическая шкала» и «хроностратиграфическое под­разделение» можно лишь в качестве эквивалентов соответственно МСШ и стратона МСШ».

 

8.11.4. Хроностратиграфические подразделения¹⁷⁷

 

Термин был предложен Д. Л. Степановым в 1954 г., в связи с отсут­ствием в советской геологической литературе обозначения для соот­ветствующего понятия. В американской и западноевропейской геоло­гической литературе эта категория стратиграфических подразделений обозначается термином chronostratigraphic units.

Главная особенность хроностратиграфических единиц заключает­ся в том, что в основу их выделения и разграничения положены не ка­кие-либо физические их свойства, а соответствие определенным под­разделениям геологического времени. Таким образом, характерной чертой хроностратиграфических единиц является наличие у каждой из них своего эквивалента в геохронологической шкале (шкале времени). Следовательно, хроностратиграфические единицы представляют собой подразделения земной коры, которые охватывают все отложения, об­разовавшиеся в течение определенного промежутка времени. Будучи материальными единицами, представляющими толщи горных пород, хроностратиграфические подразделения различаются, однако, только на основе времени их образования, независимо от объективных физи­ческих свойств этих отложений.

Теоретически границами хроностратиграфических подразделений должны служить изохронные (одновозрастные) поверхности, не зависячие

¹⁷⁷ Еще раз напомним — хроностратиграфические подразделения (chrono-startigraphic units) — подразделения г. п., рассматриваемые в зарубежной лите­ратуре исключительно как свидетельства определенных интервалов геологи­ческого времени. Термин считается излишним, т. к. любое правильно выделен­ное стратиграфическое подразделение является одновременно и «хроностра-тиграфическим». Однако термин получил в настоящее очень широкое распрос­транение, поэтому возвращаемся к этим понятиям вновь.

 

 

-207-

от литологического состава отложений и их палеонтологической характеристики. Однако в таком понимании границы, а следовательно, и сами хроностратиграфические единицы представляют собой в значи­тельной мере лишь отвлеченное понятие — идеал, к которому на осно­ве существующих методов геологической синхронизации можно лишь в той или иной мере приблизиться.

Из приведенного определения сущности хроностратиграфических подразделений следует, что хроностратиграфическая шкала неразрывно связана с параллельной ей геохронологической шкалой. Подразделе­ниями этой шкалы являются геохронологические единицы, с которыми параллелизуются хроностратиграфические подразделения. Таким об­разом, геохронологическая единица охватывает время образования от­ложений соответствующего хроностратиграфического подразделения. Поскольку геологическое время не материально, геохронологические единицы, хотя и основаны на реально соответствующих стратиграфи­ческих подразделениях, не являются стратиграфическими подразделе­ниями.

Поскольку основное назначение хроностратиграфических подраз­делений состоит в определении начала, конца и продолжительности геологических событий, они в совокупности должны составлять опре­деленную шкалу со строгой градуировкой. Эта градуировка представ­ляет собой фиксированное положение границ всех хроностратигра­фических подразделений. В свою очередь фиксация границ хроност­ратиграфических подразделений в современном ее понимании осу­ществляется с помощью точки глобального стратотипа границы (ТГСГ) и зон (хронозон). Последние, несмотря на свой провинциальный или поясной характер, дают возможность путем различного рода приемов последовательно прослеживать достаточно изохронные поверхности в пределах смежных палеозоогеографических провинций, областей и поясов.

 

Вопросы к главе 8

 

1. Какие методы расчленения и корреляции являются прямыми?

2. Что такое биостратиграфические подразделения?

3. Что такое биостратиграфическая зона?

4. Что такое эпибола?

5. Какие группы фауны относятся к ортостратиграфическим?

6. Что такое рекуррентные фауны?

7. В чем суть литостратиграфического метода?

8. Какие существуют типы несогласий?

9. В чем разница между цикличностью и ритмичностью?

10. Какие существуют климатостратиграфические подразделения?

 

 

-208-

11. Что такое эвстатическое изменение уровня Мирового океана?

12. Что такое прямая полярность геомагнитного поля?

13. Что такое отражающая поверхность?

14. В чем основное преимущество каротажа перед отбором керна?

15. Какие основные задачи решаются с помощью каротажа?

16. В чем основное отличие секвенции от парасеквенции?

 

 

Глава 9. ГЕОХРОНОМЕТРИЯ

Все охарактеризованные ранее, а также еще не рассмотренные методы стратиграфических исследований (или методы относитель­ной геохронологии) не способны дать реальное представление об абсолютном возрасте тех или иных осадочных, вулканогенных или интрузивных образований, не позволяют оценить продолжительность времени их формирования. Относительная геохронология дает воз­можность судить лишь о последовательности геологических собы­тий (раньше — позже). Время их действия и продолжительность можно установить, только используя радиогеохронологические ме­тоды или, как их еще называют, методы определения абсолютного возраста.

Все методы стратиграфии так или иначе связаны с понятием вре­мени. Однако в подавляющем большинстве этих методов определе­ние времени образования или степени синхронности каких-либо толщ относительно, т. к. базируется на выяснении соотношения с подсти­лающими и перекрывающими слоями или на сопоставлениях с эта­лонными разрезами. Принципиально возможно и количественное оп­ределение возраста слоя, выраженное в годах (с учетом, разумеется, возможных изменений продолжительности года в геологической исто­рии). Для этого необходимо лишь наличие какого-либо процесса, рав­номерно и непрерывно происходящего во времени, обладающего до­статочной продолжительностью и оставляющего хорошо просматри­ваемые следы в геологических образованиях. Таким процессом явил­ся для геологов радиоактивный распад. В 1905 г. Э. Резерфорд ука­зал, что, судя по содержанию гелия и урана в кристалле, им проана­лизированном, возраст последнего составляет не менее 500 млн. лет (напомним, что в то время продолжительность геологической истории принималась не более чем 200 млн. лет), Вскоре американский ис­следователь Б. Болтвуд, используя отношения свинца и урана, уста­новил возраст минералов из каменноугольных (340 млн. лет) и девон­ских (370 млн. лет) отложений, а также определил возраст ряда до-кембрийских пород различных континентов, который составил по его данным 1025÷1640 млн. лет. Становление радиометрической хроно­метрии (радиологических методов) обычно связывается с именем выдающегося американского геолога Артура Холмса, который впер­вые стал систематически применять численные данные для опреде­ления возраста минералов и определения продолжительности стра­тиграфических подразделений.

В основе радиологической хронометрии лежит самопроизвольный распад неустойчивых изотопов ряда элементов. В результате количе­ство атомов этих элементов в минералах сокращается и вместо них

-210-

появляются устойчивые изотопы дочерних элементов¹⁷⁸. По соотно­шению материнского и дочернего изотопов в минерале, зная скорость распада неустойчивого элемента, можно судить о возрасте минерала и соответственно о возрасте изверженной породы, в которой он заклю­чен, или о возрасте осадочной породы, если анализируются аутигенные минералы типа глауконита. Разумеется, метод корректен лишь при двух допущениях.

1. Следует полагать, что скорость радиоактивного распада остава­лась неизменной в течение всей геологической истории. Действитель­но, экспериментальные данные (в частности, наблюдения за скорос­тью распада при температуре 7000 °С, давлении более 200 бар, в силь­ном магнитном поле и при бомбардировке космическими лучами пока­зывают постоянство скорости распада),

Общефизические представления, в частности несопоставимость энергетических уровней ядерных реакций и обычных термодинамичес­ких процессов, также приводят к заключению об отсутствии внешних факторов, способных повлиять на скорость спонтанного ядерного рас­пада. Петрографические материалы показывают, что радиусы ореолов одинаковы в породах любого возраста; это также является подтверж­дением постоянства скорости радиоактивного распада. Таким образом, современные данные позволяют с высокой степенью вероятности по­лагать, что в течение последних 10 млрд. лет скорость радиоактивного распада изотопов не менялась.

2. Все устойчивые изотопы свинца, стронция, аргона, азота образо­вались в анализируемом минерале только за счет распада исходных неустойчивых изотопов. Проверка этого допущения непосредственны­ми анализами практически невозможна. Единственный путь контроля заключается в параллельном измерении возраста различными мето­дами и последующем анализе расхождений, если они возникают.

Долгое время самой значительной трудностью определения воз­раста с помощью радиоактивного распада являлось относительное несовершенство аналитических методов. Однако в последние годы широкое внедрение масс-спектрометрии¹⁷⁹ не только значительно повысило

¹⁷⁸ Основной закон радиоактивного распада — количество распавшихся ато­мов за единицу времени пропорционально первоначальному числу атомов: N_о = N_te^λt, где N_o — первоначальное число атомов; N_t — число атомов по исте­чении времени t; λ — постоянная радиоактивного распада; е — основание нату­ральных логарифмов (е = 2,71828182).

¹⁷⁹  Масс-спектрометрия —вид физического анализа вещества, основанный на разделении пучка ионизированных частиц по массам в специальном анали­заторе. Масс-спектрометрия дает возможность исследовать спектры масс, уточ­нять массовые числа атомов и обнаруживать новые изотопы, а также позволяет измерять относительные распространения изотопов в различных объектах. В геологии масс-спектрометрия применяется как основной метод изотопных ис­следований во всех случаях аномальных отношений распространенностей изо­топов элементов в горных породах, минералах, рудах и водах.

-211-

точность измерений, но и позволило перейти к массовым ана­лизам.

Измерение - возраста проводится по содержанию в породах и мине­ралах материнских и дочерних продуктов радиоактивного распада. Воз­раст t устанавливается в единицах астрономического времени (обычно в миллионах лет) и вычисляется по формуле:

t=1/λ ln(N₀/Nt),                                                         (1)

где t— абсолютный возраст в годах; N₀— исходное количество мате­ринских атомов; N_t — количество тех же атомов, сохранившихся за пе­риод времени t; λ — константа распада, отвечающая для каждого изо­топа числу атомов, претерпевающих распад за единицу времени.

Mace-спектрометрия позволяет сразу производить оценку соотно­шения материнских Р и дочерних D изотопов, в связи с чем уравнение (1) может быть преобразовано к виду:

t= 1/λ 1n (1 - D/P),                                                                   (2)

Измерение констант распада является очень сложным процессом. Они постоянно уточняются, а для некоторых изотопов до сих пор при­нимаются условно.

Для более четкого представления о характере ядерного распада вводят понятие периода полураспада Т, который равен тому промежут­ку времени, в течение которого любое первоначальное количество ра­диоактивного вещества уменьшается наполовину. Связь между констан­той Я и периодом полураспада Т выражается следующим образом:

N=N/2e^λT;          2= e ^λT;                  ln2=λT;            T=ln2/λ=0,693/λ.

При измерении возраста минералов используются следующие ес­тественные типы ядерных превращений: β-распад, электронный зах­ват, σ-распад и спонтанное осколочное деление тяжелых ядер.

Здесь же хотелось бы напомнить, что излучение радиоактивных веществ состоит из трех компонентов:

альфа-лучей (α-частиц¹⁸⁰);

бета-лучей (β-частиц¹⁸¹);

гамма-лучей (γ- лучи).

 

¹⁸⁰ α-частиц, несут заряд 2е — представляют собой ядра атомов гелия.

¹⁸¹ β-частиц несут отрицательный заряд е— представляют собой поток быстрых электронов.

 

-212-

Превращение атомов химических элементов при β-распаде опре­деляется правилом сдвига: образующийся при распаде новый элемент занимает в таблице Д. И. Менделеева следующую клетку вправо от родоначального β-активного элемента. В-активность атомных ядер мож­но рассматривать как распад одного ядерного нейтрона на протон и электрон (плюс нейтрино).

Явление электронного захвата как бы противоположно β-распаду. Оно заключается в самопроизвольном поглощении орбитального элек­трона ядром атома.

Для определения возраста используются преимущественно следу­ющие типы радиоактивного распада:

Эти типы распада положены в основу наиболее широко распрост­раненных методов радиометрической хронометрии: калий-аргонового, калий-кальциевого, рубидий-стронциевого, свинцового (уран-торий-свинцового), самарий-ниодимового и рений-осмиевого.

Основными методами определения возраста древних геологичес­ких образований считаются свинцовый, рубидий-стронциевый и калий-аргоновый методы. Последний наиболее широко распространен.

Возраст молодых геологических образований (до 60 000 лет) опре­деляется радиоуглеродным, радиево-иониевым и др. методами.

Далеко не во всех случаях радиохронометрические методы могут позволить определить достоверное время образования пород. Исход­ный результат этих сложнейших исследований почти всецело опреде­ляется характером анализируемой пробы — степенью сохранности в ней анализируемых элементов (Аг, Sr и т. п.), которая должна быть выявлена в процессе предварительного изучения. Только самые жес­ткие требования к подбору проб позволяют получать надежные ре­зультаты.

 

-213-

9.1. Калий-аргоновый¹⁶² (калий-кальциевый) метод