Шкала геологического возраста. О небесных странниках и о том, что известно сегодня о возрасте Земли

Едва ли вызывает сомнение, что наша планета вне зависимости от условий рождения должна быть во всяком случае старше любых горных пород, входящих в состав ее наружной каменной оболочки. Если это так, то чтобы приблизиться к истинному значению абсолютного возраста Земли, необходимо прежде всего установить время образования наиболее древних пород, слагающих земную кору.

Такие породы обычно залегают на значительной глубине, скрываясь под мощным слоем более поздних наносов. Но есть несколько областей, где подобные древнейшие образования выходят на земную поверхность. Эти участки называются докембрийскими щитами. В Европе, например, известны два щита: Балтийский и Украинский. Балтийский расположен на территории Карелии, Финляндии и Скандинавии; Украинский - на юго-западе нашей страны, в бассейне рек, несущих воды в северную часть Черного моря. По крайней мере шесть щитов открыто в Азии: Анабарский, Алданский, Индийский, Аравийский, Северо-Китайский и Китайско-Вьетнамский. Имеются такие щиты и на других континентах. Возраст древнейших образований пытались определять различными методами. Анализу были подвергнуты тысячи образцов горных пород из многих областей земного шара. Исследователи брали в качестве исходного материала разнообразные минералы, изучали содержание радиоактивных изотопов в десятках разновидностей пород. И результаты получались самые разные.

Собрав воедино все сведения, накопленные за несколько десятилетий, можно с достаточной уверенностью утверждать, что возраст древнейших пород литосферы превышает 3,7 млрд. лет и, по-видимому, может достигать 4 млрд. лет. Такие отложения были обнаружены в Антарктиде, Африке, Канаде, Гренландии и в нашей стране - на территории Украинского и Алданского щитов, Охотского массива и Енисейского кряжа. Но к тому времени, когда возникли эти породы, Земля уже наверняка существовала. Стало быть, образование планеты произошло не позже 4 млрд. лет назад.

В поисках материала, который позволил бы уточнить возраст Земли, обратились к ее космическим родственникам - метеоритам. Согласно одной из гипотез метеориты представляют собой остатки погибшей планеты, некогда располагавшейся где-то между орбитами Марса и Юпитера. Если допустить, что образование планет Солнечной системы произошло приблизительно в одно время, то, определив возраст метеоритов, можно было бы со значительно большей уверенностью говорить и о дате рождения Земли.

Различают метеориты железные и каменные. Железные метеориты состоят в основном из железа, никеля и кобальта; тяжелых радиоактивных элементов, таких как уран и торий, не содержат.

В состав каменных метеоритов входят различные минералы и силикатные породы. В этих метеоритах без труда обнаруживается присутствие различных радиоактивных компонентов: урана, калия, тория и рубидия.

Имеются также железокаменные метеориты, занимающие по составу как бы промежуточное положение между железными и каменными. Одни из них представляют собой железоникелевое вещество с многочисленными порами и каналами, заполненными стеклообразным силикатным минералом - оливином. Другие отличаются от типичных каменных метеоритов тем, что в них есть крупные вкрапления железа.

Возраст метеоритов был определен теми же способами, которые используются при изучении древних пород Земли. Свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый и рений-осмиевый методы контролировали и дополняли друг друга. И когда накопилось достаточное количество результатов, советские и американские исследователи, занимавшиеся изучением метеоритов, пришли независимо друг от друга к сходным выводам.

Солнечная система. Пояс астероидов отделяет планеты земной группы от планет группы Юпитера

Оказалось, что половина всех изученных каменных метеоритов имеет возраст от 3,6 до 4,6 млрд. лет; остальные результаты составили ряд более молодых значений возраста. Это вполне объяснимо, если считать, что каменные небесные пришельцы являются обломками литосферы погибшей планеты.

Железные метеориты в среднем значительно древнее каменных. Так и должно быть, если они представляют вещество внутренних оболочек былого небесного тела. Обычные значения их возраста, скорректированные по данным различных геохронологических методов, расположились в интервале между 4 и 5 млрд. лет.

Конечно, возраст метеоритов не является непосредственным свидетельством времени образования Земли. Но, во всяком случае, геохронологи могли теперь утверждать, что продолжительность существования Солнечной системы составляет около 5 млрд. лет.

Дополнительную информацию принесло изучение пород, взятых с поверхности Луны. Минимум 4,4 млрд. лет - таким оказался возраст лунного грунта.

Можно предполагать, что планеты Солнечной системы и их спутники возникли почти одновременно. Но для того чтобы превратиться в горную породу, вещество должно было пройти значительный путь эволюционного развития. Значит, Земля, родившаяся из первичного космического вещества, еще старше.

Одни исследователи считают, что земная кора сформировалась в результате дифференциации первичного вещества, вызванной радиоактивным разогреванием юной планеты. Если это так, то для установления времени образования Земли нужно прибавить к возрасту древнейших пород время, необходимое для такого разогрева. Как показывают расчеты, для того чтобы в результате радиоактивного распада выделилось соответствующее количество теплоты, требуется 1-2 млрд. лет.

Согласно другой точке зрения, земная кора могла возникнуть сразу после образования планеты. Тогда изотопы, по которым оценивается абсолютный возраст, должны были поступать из ее внутренних оболочек. В этом случае для выяснения возраста Земли необходимо вычислить время, когда свинец земной коры еще не был "засорен" изотопами, появившимися в результате распада радиоактивного урана. Расчеты показывают, что такой свинец мог существовать 4,5+0,5 млрд. лет назад.

Можно подойти к оценке возраста Земли и по-иному. Такие элементы, как уран и торий, едва ли могли возникать на Земле заново. Для рождения этих элементов необходимы принципиально иные условия, которых в обстановке нашей планеты, по-видимому, не было. Следовательно, Земля унаследовала тяжелые радиоактивные элементы от той или иной прародительской среды. Скорость, с которой протекает распад этих элементов, нам известна. Известно и количество сохранившихся ныне радиогенных элементов. Значит, можно вычислить время, когда материнские изотопы существовали в оболочках Земли в чистом виде. Если исходить из допущения, что изотопы свинец-206 и -207 в земной коре и в метеоритах имеют одинаковое происхождение и образовались исключительно за счет радиоактивного распада урана, общий возраст Земли (в пересчете на современные константы распада изотопов урана) может быть приблизительно оценен в 5,3-5,4 млрд. лет.

По-видимому, Земля не могла образоваться раньше этого времени, которое впервые вычислил в 1937 г. советский ученый Иосиф Евсеевич Старик. Но часть изотопов свинца, присутствующих в земной коре, по всей вероятности, имеет досолнечное происхождение и была унаследована Землей от протопланетного облака. Значит, возраст Земли должен быть несколько меньше.

В 1961 г. американский исследователь Уильям Фаулер и английский математик Фред Хойл, проанализировав данные астрофизики и ядерной физики, пришли к выводу, что последний космический ядерный синтез, повлиявший на состав протосолнечного вещества, мог произойти 4,7+0,1 млрд. лет назад. С определенной условностью этот момент и принимается ныне как предполагаемое время образования Земли.

Параллельно с изучением планетарных закономерностей, определяющих хронологическую последовательность космических событий в ходе формирования Земли, активно проводятся исследования по геохронометрии отложений, слагающих земную кору. Однако определения абсолютного возраста, несмотря на их важное значение, долгое время существовали как бы сами по себе, не будучи четко привязанными к делениям шкалы относительной геохронологии, являющейся фундаментом большинства геологических построений. И хотя с первых же шагов своего развития абсолютная геохронология совершенствовалась и непрестанно повышала точность определений возраста, ее выводы не могли быть использованы геологами в должной мере, и стратиграфия (учение о последовательности земных отложений) продолжала держать эту молодую науку на положении падчерицы.

Увязать цифры абсолютного возраста с данными относительной геохронологии оказалось делом нелегким. Для этого потребовалось несколько десятилетий. И только в 1947 г. английский исследователь Артур Холмс опубликовал первую общую шкалу геологического возраста.

Для того чтобы создать свою шкалу, Холмс взял за основу пять образцов горных пород, геологическое положение которых было достоверно известно и могло быть соотнесено с определенными подразделениями таблицы относительной геохронологии. Установив абсолютный возраст этих отложений, он получил "остов" шкалы абсолютного летоисчисления.

Чтобы восполнить оставшиеся весьма значительные пробелы в сведениях о возрасте остальных периодов, Холмс предположил, что время, необходимое для образования тех или иных отложений, пропорционально их мощности. Чем больше осадков отложилось на протяжении геологического периода, тем дольше он длился. Холмс выбрал наибольшие значения мощностей для каждой геологической системы и распределил временные интервалы по периодам в соответствии с этими величинами.

Так был создан своеобразный календарь, в котором рядом с общепринятыми названиями эр и периодов земной истории были указаны возраст отложений и протяженность каждого отрезка времени, выраженные в единицах абсолютного летосчисления - в годах. Новая шкала необыкновенно быстро получила признание геологов всего мира.

Однако не прошло и десяти лет со дня опубликования работы Холмса, как стало совершенно очевидно, что существующие представления о протяженности геологических периодов должны быть пересмотрены. С учетом новых данных был внесен ряд уточнений и создана геохронологическая шкала, которая существенно отличалась от первоначальной схемы Холмса. Во всем мире ведутся сейчас исследования по определению абсолютного возраста геологических формаций.

Современная геохронологическая шкала охватывает в основном последний этап земной истории, состоящий из трех эр: палеозойской, мезозойской и кайнозойской. Существует несколько вариантов шкал, предложенных различными авторами или коллективами исследователей. Оценка возраста отдельных стратиграфических границ в этих шкалах не всегда совпадает. Наиболее существенными являются расхождения в определении возраста нижней границы кембрия, который устанавливается в пределах 560-600 млн. лет, границы кембрия и ордовика - от 480 до 515 млн. лет, а также нижнего и верхнего рубежей карбона - соответственно 320-370 и 270-300 млн. лет.

В этой главе помещена геохронологическая шкала фанерозоя (табл. 3), наиболее часто используемая в нашей стране. Она базируется на обобщении оценок абсолютного возраста, предложенных в середине 70-х годов Георгием Дмитриевичем Афанасьевым и Сергеем Ивановичем Зыковым.

Таблица 3. Геохронологическая шкала фанерозоя

Исследования более поздних лет принесли много новых точных измерении абсолютного возраста. Но увязка их со шкалой относительного летосчисления далеко не всегда бывает достаточно надежной. И самая большая сложность заключается в том, чтобы найти такие районы, где есть породы и минералы, позволяющие "отцифровать" время формирования слоев, образовавшихся на границах геологических периодов, эпох и веков.

В 1982 г. группа английских и американских ученых: У. Б. Харленд, А. В. Кокс, П. Дж. Ллевеллин, К. А. Дж. Пиктон, А. Дж. Смит и Р. Уолтере - завершила специальное исследование, целью которого было уточнение возрастной датировки границ стратиграфических подразделений. Опубликованные ими оценки возраста получены в результате измерении, выполненных с использованием высокоточной лабораторной техники. Но палеонтологическое обоснование некоторых стратиграфических уровней, для которых даны эти абсолютные датировки, не всегда можно признать бесспорным. Потребуется еще немало времени, чтобы разрешить все дискуссионные вопросы.

Тем не менее совершенно ясно, что для отложений, принадлежащих фанерозойской эонотеме, уже создан подробный календарь абсолютного возраста, отвечающий основным задачам сегодняшних геологических исследований.

Для докембрийского времени такой детальной шкалы еще нет. Для этого огромного этапа земной истории разные исследователи предлагают различные возрастные схемы. Но полного согласия между этими схемами пока еще не достигнуто ни по терминологии, ни по критериям, позволяющим проводить границы между более или менее дробными геологическими подразделениями. Однако уже можно суммировать имеющиеся представления в виде генерализованной схемы. Такова приведенная здесь геохронологическая шкала докембрия (табл. 4).

Таблица 4. Геохронологическая шкала докембрия

Нижняя граница азойского зона проводится по-разному. Одни исследователи соотносят ее с максимально отдаленным временем, когда могло начаться сгущение протопла-нетного облака, породившего Землю (5,3-5,4 млрд. лет назад); другие - с гипотетическим моментом образования Земли как планеты (4,5-4,7 млрд. лет); третьи считают, что вообще нет необходимости выделять этот зон, поскольку важнейшие события, произошедшие на его протяжении, являются "догеологическими". Некоторые зарубежные ученые предлагают для этого зона не очень удачное название - "прискойский" (от латинского слова "прискус" - древнейший, изначальный, патриархальный).

Но так или иначе, азойский эон - это вполне реальный этап истории Солнечной системы, завершившийся консолидацией космического вещества в планетное тело, которое на первой стадии своего существования, по-видимому, было лишено органической жизни.

Установление следующего - архейского, или археозойского, - зона признается всеми учеными. Нижняя его граница может быть условно проведена на уровне 4,0 млрд. лет, поскольку выше этого рубежа появляются сильно метаморфизованные породы, содержащие соединения углерода, что может свидетельствовать о первых проявлениях органической жизни. В пределах археозоя фиксируются две наиболее существенные границы - 3500 и 3100 млн. лет, разделяющие ранне-, средне- и позднеархеозойские отложения.

Надо отметить, что термин "археозойский" был предложен раньше, чем "архейский", и согласно правилам стратиграфической номенклатуры имеет преимущество приоритета. Но наименование "архей" прочно укоренилось в геологической литературе для обозначения соответствующей эонотемы и потому может быть сохранено в качестве равноправного синонима.

Верхняя граница архея, согласно рекомендации Межведомственного стратиграфического комитета СССР, принимается на уровне 2600 млн. лет. Вслед за тем начинается протерозойский зон. Входящие в его состав Карелии, рифей и венд разделяются возрастными рубежами 1650 и 680 млн. лет. Кроме того, внутри карелия устанавливаются более дробные подразделения, границы между которыми отвечают 2300 и 1900 млн. лет.

Помимо этих стратиграфических единиц, признаваемых геологами большинства стран, в докембрийских отложениях фиксируются границы на уровнях 3300, 2900, 2100, 1300, 1100 млн. лет и некоторые другие, геологическое значение которых не имеет пока однозначного истолкования.