Новости Библиотека Учёные Ссылки Карта сайта О проекте


Пользовательский поиск





предыдущая главасодержаниеследующая глава

ЧАСТЬ I: ВВОДНАЯ

ГЛАВА 1: МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Геологический метод; изверженные, осадочные и метаморфические породы. Палеонтологический метод; классификация растений и животных. Изотопные методы определения абсолютного возраста минералов: свинцово-урано-ториевый, грубый свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, грубый стронциевый

Как уже отмечалось, расшифровка истории Земли была достигнута в результате совместного труда геологов, палеонтологов и специалистов по изотопному анализу минералов. В каждой из этих трех специальностей применялась своя методика.

Геологический метод сводится в конечном счете к изучению типов горных пород, встречающихся в обнажениях на поверхности Земли, в вырытых шахтах и пробуренных скважинах, а также к анализу распределения пород различных типов в земной коре (пока что только в самых верхних ее слоях).

Горные породы по своему происхождению делятся на три следующих типа:

1) изверженные породы, образовавшиеся в результате застывания расплавленной магмы;

2) осадочные породы, образовавшиеся путем осаждения на дно водных бассейнов частиц пород, разрушенных действием ветра, воды и других агентов и перенесенных в водные бассейны реками или ветрами, а также растворенных веществ и остатков организмов;

3) метаморфические породы, образовавшиеся из изверженных и осадочных пород в результате их сильного изменения и перекристаллизации (с возможным притоком или оттоком только углекислоты и воды), главным образом под действием высокой температуры и большого давления в глубоких слоях земной коры.

Изверженные породы классифицируются по количеству содержащегося в них кремнезема, т. е. двуокиси кремния SiO2. При наличии SiO2 не более 45% породы называются ультраосновными, или гипербазитами. Главными минералами в них являются оливины - силикат магния форстерит, Mg2SiO4, и силикат железа фаялит, Fe2SiO4, а также пироксены, Ca(MgFeAl)(SiAl)2O6. Наиболее чистой оливиновой породой является дунит, содержащий в среднем 46.3% MgO, 40.5% SiO2, 8.3% FeO и Fe203, 2.9% H20 и только 0.8% Аl203; менее чистые разновидности называются перидотитом.

Породы, содержащие 45-55% SiO2, называются основными. Это мелкозернистые базальты и крупнозернистые габбро и эклогиты. Главные минералы - кальциевый полевой шпат плагиоклаз - анортит, CaAl2Si208, и пироксены.

При 55-65% SiO2 породы называются промежуточными. Это мелкозернистые андезиты и трахиты и крупнозернистые диориты, гранодиориты, сиениты и гнейсы. Главные минералы - натриевый и калиевый полевые шпаты - плагиоклаз-альбит, NaAlSi3О8, и ортоклаз, KAlSi3O8.

Наконец, при содержании SiO2 более 65% породы называются кислыми. Это мелкозернистые раолиты и крупнозернистые граниты и гнейсы. Главные минералы - ортоклаз и кварц, SiO2.

Осадочные породы - это конгломераты, песчаники, сланцы и осадки; последние включают глины, известняки (содержащие главным образом углекислый кальций, СаСO3), доломиты, CaCO3 · MgCO3, гипсы, CaSO4 · 2H2O, ангидриты, CaSО4, соли.

Вследствие механизма своего образования осадочные породы слоисты. Ясно, что новые слои осаждаются на старые, и если это нормальное напластование не будет перевернуто теми или иными движениями земной коры, то более глубокие слои будут более древними. Таким образом, при нормальном напластовании относительные возрасты слоев осадочных пород в вертикальном разрезе устанавливаются легко: чем глубже, тем старше. Это правило нашло отражение в терминологии, по которой наиболее молодые слои того или иного отрезка геологического времени называются верхними, а наиболее старые - нижними.

Как, однако, сопоставить возрасты слоев в разрезах, находящихся в различных местах земного шара (геологи называют эту задачу корреляцией слоев)? Для этого применяется палеонтологический метод, заключающийся в изучении окаменелых остатков живых организмов в осадочных породах и в восстановлении по ним картины эволюции форм организмов на Земле. Жизнь при этом рассматривается как глобальное явление, развивающееся во времени от простого к сложному, так что каждому периоду геологического времени соответствует определенный состав жизненных форм. Следовательно, слоям осадочных пород одного и того же геологического возраста соответствуют окаменелые остатки определенных, соответствующих этому геологическому периоду живых организмов. Этот принцип был сформулирован английским ученым Уильямом Смитом в 1817 г. Для его использования следует прежде всего уметь разбираться во всем многообразии форм живых организмов, существующих и когда-либо существовавших на Земле.

Биологическая классификация (начала которой были заложены шведским ученым Карлом Линнеем в середине XVIII в.), основанная на особенностях строения тела, индивидуального развития и эволюционного происхождения живых существ, делит все организмы прежде всего на два царства - растений и животных. Главное различие между ними заключается в том, что растения (кроме 'грибов и большинства бактерий) автотрофны, т. е. сами производят необходимые для них питательные веществ а, преимущественно из воды, углекислоты и минеральных солей под действием света (фотосинтез; при этом образуется и кислород), тогда как животные гетеротрофны, т. е. неспособны производить для себя питательные вещества, и питаются растениями или другими животными (и потребляют кислород) или паразитируют. Кроме того, в отличие от животных большинство растений неподвижно, они способны неограниченно расти, и их клетки имеют твердые стенки (из целлюлозы). Различают 12 типов растений и 23 типа животных.

Перечислим типы растений - от самых примитивных до наиболее высокоорганизованных. Подцарство низших растений (так называемых слоевцовых, одноклеточных или скоплений клеток без настоящих корней, стеблей и листьев) включает, во-первых, 7 типов водорослей: синезеленые (2500) (цифры в скобках здесь и далее - число современных видов), жгутиковые, зеленые (5000), хризофиты, в том числе диатомовые с кремневыми стенками клеток, пиррофиты, бурые (1000), красные (3000). Во-вторых, в это подцарство входят еще 3 типа - бактерии (3000), слизистые плесени и грибы (70 000). К подцарству высших растений относятся 2 типа: мохообразные (23 000) и сосудистые.

Перечислим и типы животных, опять от самых простых к высокоорганизованным. Подцарство одноклеточных животных состоит из 1 типа - простейшие (25 000). В подцарстве многоклеточных животных типы определяются следующими особенностями строения тела: А2-3 - два или три слоя зародышевых клеток; В1-2 - одна или две полости; С1-2 - сферическая, радиальная или двухсторонняя симметрия; D1-2 - наличие или отсутствие сегментации; Е - специфические особенности.

Отдельно следует упомянуть типы мезозой (23) - примитивные паразитические организмы, состоящие по существу из одного слоя клеток, и губки (5000), не имеющие не только органов, но и тканей и являющиеся скорее колониями клеток.

Настоящие же многоклеточные животные делятся на 2 типа двуслойных радиально-симметричных - кишечнополостные (9000) и похожие на медуз, но без стрекательных клеток гребневики (84), а также на 18 типов трехслойных двусторонне-симметричных. Последние включают 11 типов первичноротых: несегментированные низшие черви - плоские (7300), колючеголовые (300), круглые (12 000) и уже имеющие кровеносную систему немертины (300); моллюски (106 000); малосегментные форониды (15), мшанки (2700) и плеченогие - брахиоподы (170); многосегментные кольчатые черви (8000), онихофоры (65) и членистоногие (> 1 000 000). Кроме того, имеется 7 типов вторичноротых: щетинкочелюстные черви (30), иглокожие (6000) и 5 типов хордовых - погонофоры (100), полухордовые (76), оболочниковые (1600), головохордовые (22) и позвоночные (40 000).

Типы делятся на классы. Так, например, тип сосудистых растений делят на 6 классов: псилофиты, плауновые (900), хвощевые, папоротники (9000), голосемянные (640) и покрытосемянные, или цветковые (200 000). Тип позвоночных животных состоит из следующих 6 классов: круглоротые (40), рыбы (20 000), земноводные (2100), пресмыкающиеся (6000), птицы (8600) и млекопитающие (4500). Всего насчитывают 71 класс животных.

Классы делятся на отряды, отряды - на семейства, семейства - на роды, роды - на виды. Видом животных называется совокупность сходных особей, имеющих одинаковое происхождение, строение и функции и способных скрещиваться и давать плодоносящее потомство. К сожалению, сколько-нибудь четкого определения понятий род, семейство, отряд, класс не существует, да и выделение указанных выше особенностей строения тела А-Е для определения понятия тип не вытекает из каких-либо общих принципов (системе биологической классификации, возможно, не хватает биохимической основы). Поэтому имеется ряд различных вариантов биологической классификации (в некоторые из них наряду с перечисленными здесь подразделениями вводятся еще промежуточные - подтип, надсемейство и т. п.).

Несмотря на эту неоднозначность, система биологической классификации в целом, созданная в результате колоссального труда поколений ученых и позволяющая разобраться во многих сотнях тысяч видов современных и ископаемых живых существ, является, конечно, великолепным достижением человеческого познания. Интересующиеся читатели могут подробно ознакомиться с классификацией животных по советскому семитомному изданию «Жизнь животных» [2].

Палеонтологический метод позволяет устанавливать только относительные возрасты и только осадочных пород, содержащих окаменелые остатки или следы живых существ; до середины XX в. он был разработан только на 550-600 млн. лет в прошлое.

Изотопные методы позволяют определять абсолютные возрасты ряда минералов в изверженных, осадочных и метаморфических породах в пределах всего времени существования Земли. Они основаны на измерении содержания в минерале некоторых изотопов, накопившихся после его образования вследствие распада содержавшихся в нем радиоактивных веществ.

Напомним, что изотопы - это атомы определенного химического элемента с разными количествами (N) нейтронов в ядрах. Число протонов в ядре (Z) соответствует номеру химического элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева. Вместо Z можно указать символ химического элемента, тогда каждый его изотоп будет определяться его массовым числом A=N+Z. Например, Рb204 - изотоп свинца с массовым числом A = 204, и поскольку для свинца Z=82, в ядрах этого изотопа имеется по 122 нейтрона.

Абсолютный возраст урано-ториевых минералов можно оценить свинцово-урано-ториевым методом, основанным на использовании трех процессов радиоактивного распада U238 → Рb206, U235 → Рb207, Th232 → Pb208, при которых количества содержащихся в минерале радиоактивных веществ U238, U235 и Th232 убывают со временем t по экспоненциальным законам e-λt. Если измерять время в миллиардах лет, то постоянные радиоактивного распада λ в этих экспоненциальных законах будут иметь следующие значения: λ238= 0.15369, λ235=0.97216, λ232=0.048813. Измерив в минерале содержание всех шести изотопов урана, тория и свинца, фигурирующих в приведенных выше формулах радиоактивного распада, можно найти пять изотопных отношений. Одно из них считается в настоящее время фиксированным: U238/ U235 = 137.7, остальные четыре - Pb206/U238, Pb207/U236, Pb208/Th232 и Рb207/Рb206 - (из которых три независимы) позволяют получить четыре оценки возраста минерала. Близость этих оценок будет свидетельствовать о достоверности результата. Если же оценки расходятся, а сам изотопный анализ был надежным, то приходится заключить, что содержание изотопов в минерале за время его существования менялось не только из-за радиоактивного распада, но также из-за утечки или привнесения извне каких-то исходных, промежуточных или конечных продуктов радиоактивных превращений (например, вымывание урана сульфатно-карбонатными или свинца хлоридно-карбонатными растворами или утечка радона). Точность свинцово-урано-ториевого метода определения возраста минералов оценивается в 5%.

Возраст свинцовых руд, например галенита, PbS, может быть оценен при помощи грубого свинцового метода по отношениям изотопов свинца Pb206, Pb207, Pb208, являющихся конечными продуктами радиоактивного распада урана и тория, к нерадиогенному изотопу Рb204. Поскольку урана и тория в галените ничтожно мало, эти изотопные отношения практически не меняются со временем (если, конечно, не происходит ни утечки, ни привнесения извне каких-то из упомянутых изотопов), они будут тем больше, чем позднее галенит выделился из содержавшего уран и торий дорудного вещества, например магмы. Поэтому возраст свинцовой руды можно оценить по любому из отношений Pb206/Рb204, Рb208/Рb204 или Рb208/Рb204 (последнее из этих трех предпочтительнее, так как торий, вообще говоря, менее подвижен, чем уран), если как-то задать разумные «модельные» отношения урана и свинца в исходном дорудном веществе.

В табл. 1 указан возраст свинцовых руд по модели А. И. Тугаринова (см. детали в его книге [3]); первичный изотопный состав свинца в Земле в момент ее образования (первая строка таблицы) принят таким, как в железных метеоритах (практически не содержащих урана и тория; их возраст, по И. Е. Старику [4], оценивается в 4.5-4.6 млрд. лет, резонно допустить, что таков же и возраст Земли), а вместо соответствующих изотопных отношений урана и тория к свинцу задан современный изотопный состав свинца земной коры - такой, как в океанской воде и глубоководных илах Тихого океана (последняя строка таблицы).

Таблица 1: Возраст свинцовых руд
Таблица 1: Возраст свинцовых руд

Для оценки возраста калиевых минералов (амфиболы, слюды, полевой шпат, глауконит в осадочных породах и др.) применим калий-аргоновый метод, созданный в 1942 г. советскими учеными В. Г. Хлопиным и Э. К. Герлингом. Он основан на радиоактивном распаде К40, при котором около 12% этого радиоактивного изотопа калия превращается в аргон (Аr40) с постоянной радиоактивного распада λk ≈ 0.0585 (остальные 88% К40 более быстро превращаются в Са40 с постоянной λβ ≈ 0.472). Проплавляя минерал в вакуумной печи, можно измерить количество выделившегося из него аргона и по изотопному отношению Аr4040 оценить возраст минерала (конечно, при условии сохранности в нем радиогенного аргона). Этим методом, например, оценен в 3.6 млрд. лет возраст амфиболитов Украины, а по глаукониту оценены возрасты осадочных пород во всех докембрийских платформах в разных местах земного шара (от 0.6 до 1.6 млрд. лет).

К целому ряду минералов применим рубидий-стронциевый метод, основанный на очень медленном радиоактивном превращении изотопа рубидия (Rb87) в радиогенный стронций (Sr87) с постоянной радиоактивного распада λ87 ≈ 0.0147 (Rb87 составляет в среднем 27.85% природного рубидия, остальные 72.15% приходятся на нерадиоактивный изотоп Rb85; в природном стронции кроме радиогенного стронция Sr87 имеются еще нерадиогенные изотопы - Sr88, Sr86, Sr84). Вследствие медленности радиоактивного распада возраст рубидиевых минералов можно оценивать по приближенной формуле t ≈ 1/λ * Sr87 /Rb87, не учитывающей медленного убывания содержания Rb87 в минерале. В природе рубидий концентрируется преимущественно в кислых изверженных породах а стронций - в основных изверженных и в карбонатных (т. е. богатых углекислым кальцием) осадочных породах. Возраст пород, содержащих стронций без рубидия, можно оценивать грубым стронциевым методом но отношению Sr87/Sr86, принимая, что для первичного стронция земной коры оно равно 0.698, как для ахондритовых метеоритов (возраст которых 4.5 млрд. лет), а в современном океане составляет 0.708. Для известняков Булавайо в Родезии, возраст которых 3 млрд. лет, это отношение равно 0.700.

предыдущая главасодержаниеследующая глава

бурение скважин на воду




Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2017
При копировании материалов активная ссылка обязательна:
http://nplit.ru 'NPLit.ru: Библиотека юного исследователя'