В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 43
Текст из файла (страница 43)
По-настоящемуинтерес к горячим точкам возник в 1972 г., после того как Морган выдвинулдля их объяснения свою известную идею о плюмах — горячих струях в мантии, подходящих к основанию литосферы; при этом литосфера локально приподнимается и проплавляется.
Морган связывал плюмы с колоннами горячегоматериала, всплывающего из нижней мантии. В связи с этим горячие точки стали использовать как реперы для определения абсолютных скоростей движениялитосферных плит относительно мантии Земли. Однако, поскольку мантия Земли находится в состоянии конвекции, этот вопрос является более сложным, чемпредставлялось вначале (см. §8.4). Гипотеза плюмов явилась последней новойидеей, связывающей тектонику плит с гидродинамикой мантии.8.2.Геохронология и возраст ЗемлиВопрос об определении возраста различных геологических объектов и возраста Земли представляется захватывающе интересным.
Действительно, труднов наглядной форме дать представление о возрастах, с которыми имеют делогеологи, — они оперируют с цифрами 104 лет, 106 лет, 107 лет и 108 лет, . . . ,3.75 ⋅ 109 лет (возраст древнейших сохранившихся горных пород) и, наконец,4.55 ⋅ 109 лет (возраст Земли как планеты). Известный американский астрономФр. Уиппл в статье «История Солнечной системы» (1964 г.) построил график(рис.
49), который в наглядной форме дает представление о росте оценок возраста Земли на протяжении нескольких последних столетий. У современногочитателя этот график вызовет улыбку, и он его, скорее всего, отнесет к областинаучного юмора. Однако послушаем комментарий Уиппла к этому графику:«На рис. 49 показаны несколько оценок возраста Земли.
Эти оценки начинаются с библейского значения возраста, который является наименьшим, хотяв него верили на протяжении наиболее длинного интервала времени в историичеловечества. Следующие значения получены Гельмгольцем на основе оценкискорости сжатия Солнца, Кельвином по оценке теплового потока остывающейЗемли, Джоли по скорости переноса соли в океаны, Холмсом на основе радиоактивных измерений и результатов современных исследователей, которыеиспользовали различные методы радиоактивного датирования. В среднем возраст Земли на протяжении трех последних столетий каждые 15 лет удваивался;эта скорость, возможно, была несколько большей в последнем столетии.
Имеется несколько примечательных исключений из этих более классических оценок.192?1010Возраст Земли, годы109Геттон108ХолмсХабблКельвинДжолиГельмгольц107106105104103ЕпископАсшер16001700180019002000 г.Рис. 49. Оценки возраста Земли, полученные в разное времяНекоторые восточные философы постулировал и значительно большие возрасты. На западе Джеймс Геттон и, геолог XVIII века, не видел никаких указанийна то, что должно было быть начало и что наступит когда-нибудь конец геологическим процессам».В этом ярком лаконичном комментарий рассказана вся захватывающая история определения возраста Земли.
В прошлом веке не было известно никаких источников энергии, кроме энергии гравитационного сжатия для поддержания светимости Солнца. В результате Гельмгольц получил сильно заниженнуюоценку для времени светимости Солнца и автоматически для возраста Земли.Во времена лорда Кельвина радиоактивность еще не была известна. Кельвинвычислил тепловой поток остывающей Земли, который сравнивался с наблюдаемыми значениями при времени остывания, на порядок меньшем, чем давалигеологи, определявшие возраст Земли по геологическим разрезам и скоростямосадконакопления.
Все, кто интересуется историей науки, знают, что спор Кельвина с геологами во второй половине прошлого века сотрясал научный мирна протяжении длительного времени. Открытие радиоактивности, как известно, разрешило спор в пользу геологов, хотя и Кельвин в своих оценках несделал ошибок — он просто не знал о существовании фактора X (радиоактивности). Наконец, уже упоминавшийся Джеймс Геттон выдвинул основной принципгеологии — принцип актуализма, согласно которому в среднем на протяжениигеологической истории геологические процессы развиваются более или менееравномерно. Естественно, что, перейдя от библейского возраста Земли к современным оценкам геологического возраста, которые по тем временам представ193лялись практически бесконечными, и стоя на позициях принципа актуализма,Геттон получил историю Земли и без начала, и без конца.
На рис. 49 показанатакже оценка Хаббла, полученная на основе времени существования расширяющейся Вселенной. В целом же надо сказать, что величайшей заслугой геологииперед естествознанием является замена библейских оценок возраста Земли значениями, которые принципиально не отличаются от современных.Биостратиграфическая геохронологическая шкала приведена в табл.
9. Онаразделяется на эры, периоды и эпохи. Приведенная в табл. 9 система названийсложилась постепенно но мере совершенствования шкалы. Основы построенияэтой шкалы были заложены в первой половине XIX века английскими геологами Смитом и Лайелем, которые ясно сформулировали основные принципыстратиграфии: 1) закон напластований — если один слой (пласт) расположен надругом, то верхний слой образовался позднее, чем нижний (при условии отсутствия тектонических нарушений); 2) закон фаунистических ассоциаций — слои,содержащие ископаемые остатки одних и тех же видов животных и растений,образовались в один и тот же период.
Эволюция животного и растительного мира привела к тому, что ископаемые остатки являются метками временив осадочных слоях земной коры. До развития методов радиоактивного датирования биостратиграфическая шкала по самому своему смыслу была шкалойотносительных возрастов. Приведенные в табл. 9 абсолютные значения возрастанадежно установлены во второй половине XX века.Закон радиоактивного распада был открыт. Эрнестом гезерфордом в 1905 г.Он ясно сознавал значение своего открытия для геохронологии, и он же произвел первую оценку возраста. Полученная им цифра, 500 миллионов лет, потем временам представлялась очень большой и в несколько раз превосходилапредполагавшиеся в то время максимальные геологические возрасты. Однаковскоре были получены еще большие значения возраста пород и минералов.
Выдающуюся роль в становлении и развитии нового метода сыграл английскийгеолог Артур Холмс. В своей классической работе «Ассоциация свинца с ураном в породообразующих минералах и ее не пользование в измерении геологического времени» (1911 г.) он заложил основы урано-свинцового метода датирования. В настоящее время основными методами измерения абсолютных возрастов природных объектов являются: 1) урано-свинцовый, 2) калий-аргоновый,3) рубидиево-стронциевый метод и, наконец, возникший в семидесятые годысамарий-неодимовый метод. Часто эти методы кратко называют по получающемуся конечному продукту распада — свинцовый, аргоновый, стронциевый,неодимовый.Обозначим через N0 = N(t = 0) и Nt = N(t) число атомов радиоактивногоэлемента в начальный момент t = 0 и момент t.
Тогда основной закон радиоак194Таблица 9360410 ± 10440 ± 15500 ± 20⩾ 570QN2N1Pg3Pg2Pg1CrJTPСПлейстоценПлиоценМиоценОлигоценЭоценПалеоценМелЮраТриасПермьКарбонDSOrCmPrzДевонСилурОрдовикКембрийПротерозойДлительность,млн лет1.5–210–10.514112377058454555–7570–50306070Мезозой1.5–212 ± 126 ± 137 ± 260 ± 267 ± 3137 ± 5195 ± 5240 ± 10285 ± 10340ПериодыПалеозойВозраст,млн летКайнозойГеохронологическая шкалативного распада запишется в видеNt ≡ N(t) = N0 e−λ t ,(111)где λ — постоянная радиоактивного распада, e — основание натуральных логарифмов. Полезно знать, что Nt (111) является решением обыкновенного дифференциального уравнения первого порядкаdN= −λ N,(112)dtгде слева стоит скорость изменения числа радиоактивных атомов в момент t,пропорциональная имеющемуся в наличии числу этих атомов, а знак минусуказывает, что число радиоактивных атомов со временем уменьшается.
Период полураспада радиоактивного изотопа получается при подстановке в (111)Nt = N0 /2:ln 2 0.69315=.(113)t1/2 =λλ195Современные значения постоянной λ приведены в табл. 10.Обозначим число атомов материнского элемента через P = Nt , а число атомов дочернего элемента — через D = N0 − Nt = N0 (1 − −λ t ). Предположим, чтов данном минерале или в горной породе мы можем по отдельности измерить Pи D. Тогда по их отношению можно определить возраст согласно формулеD= eλ t − 1.P(114)Однако для того, чтобы простую формулу (114) можно было использовать дляопределения возраста, необходимо выполнение некоторых условий. Во-первых,после обособления рассматриваемого минерала или горной породы они должныпредставлять собой замкнутую систему, т.е.
не обмениваться материнскими идочерними атомами с окружающей средой. Во-вторых, среди дочерних изотоповне должно быть атомов нерадиогенного происхождения, т.е. должно выполняться условие(115)D0 ≡ D(t = 0) = 0.В основное уравнение (114) при определении абсолютного возраста необходимо подставить именно число атомов дочернего элемента, возникших за времяжизни минерала или горной породы, а если D0 ∕= 0, то требуется еще одноуравнение для исключения D0 .В методе 87 Rb → 87 Sr мы как раз сталкиваемся с ситуацией, когда D0 ≡(87 Sr)0 ∕= 0. Рубидиево-стронциевый метод был разработан Николайсеном изЮжной Африки и австралийцами Компстоном, Джеффери и Рили в 1960 г. Этиисследователи использовали то обстоятельство, что стронций имеет нерадиогепные изотопы 84 Sr, 86 Sr и 88 Sr.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
