История Земли: геологическая шкала времени

Ученые, собиравшие историю Земли из отдельных фрагментов, в начале своей деятельности не имели какого-либо геологического «календаря» или «часов». Они словно бы составляли фамильное генеалогическое древо на основе безымянных фотографий: по чертам семейного сходства, по модам и прическам можно приблизительно определить время и степень родства, но и эти немногочисленные намеки могут ввести в заблуждение. Осознать, насколько далеко в прошлое простирается история Земли и установить приблизительную хронологию событий удалось лишь в последние 200 лет. Уже в наши дни был разработан метод радиометрического датирования, позволяющий определять точное время образования некоторых горных пород. Теперь мы с большой долей уверенности можем сказать, что возраст Земли составляет 4,6 млрд. лет.

ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ - 6000 ЛЕТ

В XVII и XVIII веках все попытки определить возраст Земли опирались на единственные известные в то время способы датировки — исторические документы, календарные системы и астрономию. Даже величайшие естествоиспытатели и математики того времени, например, Исаак Ньютон, полагали, что человеческая история длилась столько же, сколько вся история Земли. В 1650 году Джеймс Асшер, архиепископ города Арма в Ирландии, основываясь на библейской хронологии, определил, что Земля была сотворена в 4004 году до н.э. Этот результат признавался официальной наукой на протяжении почти 200 лет.

ЧЕРЕДОВАНИЕ ПЛАСТОВ

Почти все ранние работы по созданию геологической шкалы времени основывались на изучении осадочных пластов — слоев горных пород, образовавшихся при осаждении (седиментации) минеральных частиц из воздуха или воды. Еще в 1669 году датский физик и естествоиспытатель Нильс Стено сформулировал «закон перекрывания». Он гласит, что в последовательности осадочных пластов слой, лежащий выше, образовался позже слоя, лежащего ниже. Иными словами, самые древние слои располагаются внизу, а чем выше вверх, тем они становятся моложе и моложе. Первые стратиграфические исследования проводились между 1780 и 1830 годами. Изучая перекрывающиеся слои горных пород, ученые пришли к выводу, что наземные геологические процессы, такие, как выветривание, эрозия и перенос осадочных частиц, происходят очень медленно. Следовательно, для того, чтобы образовались толстые пласты горных пород, требуется очень много времени — гораздо больше, чем 6000 лет, отведенных истории Земли христианскими теологами.

ПРИНЦИПЫ СТРАТИГРАФИИ

Стратиграфия (от латинского stratum — слой и греческого «графо» — пишу) — это метод, который помогает истолковать историю Земли, отраженную в ее изменчивых ландшафтах. Изучая последовательность слоев, ученые определяют, каков был климат на планете в соответствующую эпоху, какие обитали животные и растения. Стратиграфические пласты отражают историю осаждения и эрозии горных пород на суше и на морском дне. Чтобы определить последовательность слоев, подразделить их на более мелкие и установить эпоху образования каждого слоя, ученым понадобилось более 200 лет. В наши дни мы довольно хорошо знаем, как выглядела наша Земля на протяжении последних 600 млн. лет, однако первые 4 млрд. лет земной истории окутаны тайной.

ПРОБЛЕМЫ СТРАТИГРАФИИ

Однако, оказывается, стратиграфические слои не всегда встречаются в строгом хронологическом порядке. Существует множество причин, по которым более древние слои могут лежать поверх более молодых. Например, движение литосферных плит и процессы горообразования могут перевернуть пласты горных пород вверх тормашками (инверсия). Кроме того, жидкие вулканические породы могут вторгаться в древние слои осадочных и других пород. При этом вулканические породы образуют молодой слой, лежащий между двумя более старыми. Такое явление называется перекрестной слоистостью.

Английский естествоиспытатель Чарльз Дарвин (1809—1882) разработал теорию эволюции. Однако, из-за отсутствия тогда достоверной шкалы времени ученый почти не принимал во внимание хронологию ископаемых остатков. Так, продолжительность третичного периода, рассчитанная Дарвином, составляла 300 млн. лет, тогда как на самом деле этот период был намного короче - 65 млн. лет.

ПЕРЕКРЕСТНАЯ СЛОИСТОСТЬ

Особым видом перекрестной слоистости является угловая неоднородность. Такое явление возникает в периоды, когда в данной области не образуется никаких осадков. Процессы складкообразования, разломы и эрозия разрывают образовавшиеся пласты и перемещают поверхность области, где перестали образовываться осадки. Когда осаждение возобновляется, новые слои перекрывают более древнюю поверхность под определенным углом. Этот процесс длится много миллионов лет, поэтому угловая неоднородность образуется там, где имели место значительные паузы в стратиграфической летописи. Самая известная угловая неоднородность расположена на мысе Сиккар-Пойнт в Бервикшире, Шотландия, ее называют неоднородностью Геттона. Здесь вертикально наклоненные слои серого песчаника перекрываются наклоненными под меньшим углом слоями красного песчаника.

ЛЕТОПИСЬ ОКАМЕНЕЛОСТЕЙ

К концу XVIII века ученые в основном признали, что окаменелости представляют собой остатки древних, нередко исчезнувших, форм жизни. В начале XIX века трое ученых — Уильям Смит из Англии, Жорж Кювье и Александр Броньяр из Франции — обнаружили, что последовательные слои осадочных пород содержат ископаемые, характерные для определенных геологических периодов.

ОКАМЕНЕЛОСТИ И СТРАТИГРАФИЯ

Тот факт, что окаменелости строго соответствуют определенным геологическим периодам, был очень важным открытием. Он дал возможность на основании ископаемых находок устанавливать порядок чередования осадочных слоев. Кроме того, окаменелости, найденные внутри осадочных пластов в разных местах земного шара, помогают устанавливать соответствие между горными породами разных регионов. При сравнении отдельных последовательностей стратиграфических слоев постепенно начала вырисовываться геологическая история Земли.

ПЕРВЫЕ РАБОТЫ ПО БИОСТРАТИГРАФИИ

Основателем биостратиграфии считается Уильям Смит — английский инженер начала XIX века, сооружавший каналы в Южной и Центральной Англии. Для строительства каналов требуется в точности предугадывать характер нижележащих горных пород. Из своего практического опыта Уильям Смит обнаружил, что способен идентифицировать отдельные слои на основании того, какие окаменелости были в них найдены. Измеряя угол наклона слоев, он также научился предсказывать, какие породы будут лежать под ними. Он делал вертикальные разрезы чередующихся пластов, изучал обнажения горных пород на поверхности и, сопоставив эти данные с их географическим распределением, смог составить первую трехмерную геологическую карту распределения пластов на обширных участках местности.

ПЕРВЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ КАРТЫ

Смит продолжил свою работу по составлению геологических карт на территории всей Южной Англии, где вторичные пласты (ныне их называют мезозойскими) располагаются под небольшим наклоном. Подобно более молодым третичным пластам Парижского бассейна (их нанесли на карту Жорж Кювье и Александр Броньяр в 1811 году), эти породы имеют сравнительно простую геологическую структуру, состоящую из складок и разломов.

СТРАТИГРАФИЧЕСКАЯ КОЛОНКА

В 1815 году Уильям Смит опубликовал свою знаменитую геологическую карту Англии и Уэльса — первую столь крупномасштабную карту в мире. Он также создал обобщенную стратиграфическую колонку; она начиналась с самых молодых делювиальных пластов (ныне называются голоценовыми и плейстоценовыми), располагавшихся вверху, и простиралась вниз вплоть до самых древних недифференцированных граувакских пластов в Уэльсе. Геологическое строение этих древних слоев, практически неизвестное во времена Смита, было определено Родериком Мурчисоном и Адамом Седжвиком в 1820-х годах. По признанию Мурчисона, они сумели проделать это только при помощи принципов Смита — идентифицируя последовательные слои по найденным в них окаменелостям.

Слева направо: Жорж Кювье, Родерик Мурчисон и Адам Седжвик, ученые начала XIX века, основоположники биостратиграфии — метода идентификации последовательных пластов горных пород на основе найденных в них окаменелостей.

ОЦЕНКА ВОЗРАСТА ЗЕМЛИ

В середине XIX века были сделаны попытки определить возраст Земли на основании скорости процессов осаждения и эрозии. Британский геолог Чарльз Лайель оценил возраст Земли приблизительно в 100 млн. лет. Чарльз Дарвин с помощью сходного метода пришел к выводу, что после окончания мелового периода прошло около 300 млн. лет — сильно завышенная оценка.

РАДИОАКТИВНАЯ ДАТИРОВКА

К 1890-м годам уже были выделены, получили свое название и были признаны учеными всего мира основные подразделения геологической истории, такие, как кембрийский и каменноугольный периоды. Однако у ученых все еще не было способа проставить точные даты в геологическом календаре Земли. Но в начале XX века была открыта радиоактивность — естественный распад некоторых химических элементов, непрерывный процесс, происходящий во всех минералах на Земле. Радиоактивный распад позволяет вычислить точный возраст горных пород и минералов, а следовательно, и всей нашей Земли.