Как определить возраст горных пород по географии?
Горные породы содержат информацию о нашей планете, поскольку в них запечатлены различные геологические эпохи, которые пережила Земля за время ее существования. Человечество в XIX веке достаточно хорошо понимало геологические процессы, которые приводят к образованию гор, но не умело определять время, за которое происходили эти процессы, и возраст окаменелостей оставался неизвестен. Лишь в XX веке благодаря достижениям в области физики решить эту проблему оказалось возможным. Рассмотрим вопрос о том, как определить возраст горных пород.
Классификация методов определения возраста горных пород
В общем случае, отвечая на вопрос, как определить возраст горных пород, все методы можно разделить на два основных типа: одни определяли относительный, а другие - абсолютный показатель. Изначально существовали только те способы, которые позволяли выявить относительное значение. Они позволяли интерпретировать геологическую историю в виде последовательности процессов, идущих друг за другом. Затем появились методики определения абсолютного показателя, которые базируются на знаниях в области радиометрии.
На первый взгляд может показаться, что это довольно сложно. Однако это не так, эту тему ученики подробно изучают по географии уже в 7 классе.
Как определять возраст горных пород? Техника нахождения исследуемых величин основана на следующих фундаментальных геологических законах:
- закон суперпозиции;
- законы пересечения и горизонтального наслоения;
- изучение включений и вкраплений;
- соотносительность горных слоев.
Абсолютный возраст
Если говорить о том, как определяют возраст горных пород ученые, то нужно сказать, что они используют самые точные методы и способы. С их помощью удается получить информацию в точных или приблизительных цифрах, которые говорят о том, сколько тысяч и миллионов лет назад происходили конкретные геологические процессы.
В начале XX века физики сделали революционное открытие: они показали, что в природе существуют так называемые радиоактивные изотопы химических элементов. Что это означает? Дело в том, что большая часть элементов таблицы Менделеева (92 элемента) являются стабильными, то есть их атомы существуют в неизменном виде достаточно большое время. Однако некоторая часть из них способна спонтанно распадаться с образованием других более стабильных химических элементов с испусканием элементарных частиц и высвобождением некоторого количества энергии. Такие атомы получили название радиоактивных изотопов, и именно они содержат ответ на вопрос о том, как в географии определить возраст горных пород.
В настоящее время существует несколько методов определения искомых величин, которые основаны на использовании радиоактивности химических элементов, например дендрохронологический способ, изучение плотности кратеров, термолюминесценция. Наиболее же точными способами нахождения возраста горных пород являются методы радиометрии.
Радиоизотопное датирование
Радиоизотопное датирование как метод радиометрии представляет собой технику оценки абсолютного возраста геологических материалов, таких, как горные породы, минералы и органическая материя. Эта техника основана на использовании физических законов радиоактивного распада нестабильных изотопов химических элементов.
В 1907 году было открыто явление радиоактивности, суть которого заключается в распаде атомного ядра. В начале XX века известный новозеландский физик Эрнест Резерфорд высказал мнение о возможности использования явления радиоактивности для установления возраста минералов путем определения в данном веществе количества первоначальных радиоактивных элементов и определения количества продуктов их распада. Метод радиоизотопного датирования начал активно развиваться начиная с семидесятых годов двадцатого века.
Таким образом, этот высокоточный способ позволяет понять, как определить возраст минералов и горных пород.
Радиоактивные элементы, подходящие для нахождения возраста пород
Говоря кратко, как определить возраст горных пород, следует отметить, что не каждый радиоактивный химический элемент пригоден для этой цели. Для того чтобы его можно было использовать в методе радиоизотопного датирования, необходимо выполнение следующих обязательных условий:
- Этот химический элемент должен быть достаточно распространенным.
- Период его полураспада должен быть не слишком большим и не слишком маленьким, а также необходимо, чтобы он соответствовал интервалам времени, которые необходимо измерить.
- Количество дочерних элементов, образующихся после радиоактивного распада, должно быть отличимым от случайного числа этих элементов, которое присутствует в минерале с момента его образования.
Нахождение абсолютного возраста гор не является простой задачей. Как правило, точные цифры ученые получают благодаря усреднению числовых показателей, полученных в целой серии экспериментальных измерений. При этом для повышения точности результатов радиоизотопного датирования стараются использовать информацию об изотопах различных радиоактивных элементов.
Характеристика радиоактивных элементов
Главной характеристикой любого радиоактивного химического элемента является его среднее время жизни, то есть тот промежуток времени, через который его атом претерпевает радиоактивный распад. В таблице ниже приводится информация о среднем времени жизни некоторых радиоактивных элементов, которые могут использоваться для ответа на вопрос о том, как определить абсолютный возраст горных пород. В скобках указана масса ядра в атомных единицах массы.
| Радиоактивный элемент | Дочерний элемент | Среднее время жизни в годах | Возможность использования |
| самарий (147) | неодим (143) | 105*109 | старые метаморфические горные породы |
| рубидий (87) | стронций (87) | 47*109 | любой тип горных пород |
| уран (238) | свинец (206) | 4,51*109 | наиболее точный метод |
| калий (40) | аргон (40) | 1,3*109 | часто используемый метод |
| уран (235) | свинец (207) | 713*106 | аналогичен паре уран(238)-свинец(206) |
| бериллий (10) | бор (10) | 1,5*106 | осадочные горные породы |
| торий (230) | радий (226) | 75*103 | морские отложения моложе 1 млн лет |
| углерод (14) | азот (14) | 5730 | материалы биологического происхождения |
Методы самарий-неодим и рубидий-стронций
Длительное среднее время жизни самария противопоставляется тому, что неодим накапливается очень медленно в горных породах, поэтому данный метод радиоизотопного анализа дает наиболее точные результаты только для возраста тех гор, цикл жизни которых значительно превышает миллиарды лет.
Метод рубидий-стронций часто используется для нахождения возраста древних гор и широкого разнообразия всевозможных минералов. Он дает точные результаты для эндогенных горных пород.
Методы уран-свинец
Рассматривая вопрос о том, как определить возраст горных пород с помощью радиоактивного распада атома урана, следует заметить, что существуют две независимых реакции, которые проявляются определенным образом. Оба метода зачастую используются совместно, что позволяет получать независимую информацию об абсолютном возрасте породы. Эти высокоточные способы являются достаточно сложными, однако они предоставляют самую надежную информацию. Изначально методики использовались для определения возраста только минералов, содержащих уран. В настоящее время они применяются также для изучения осадочных горных слоев, например известняка. Точность метода достаточно высокая, например возраст горных пород архейского периода он определяет с точностью 1-2 млн лет.
Метод бериллия 10
Сравнительно молодой метод радиоизотопного датирования, который начали использовать в семидесятых годах прошлого столетия, а в последние десятилетия он получил широкое распространение. С помощью этого способа измеряют возраст гор, который лежит в интервале от нескольких сотен тысяч лет до 15 млн. Наряду с методом калия-аргона он является единственным надежным в данном временном промежутке. Обычно его применяют для оценки возраста вулканических и других осадочных горных слоев.