Файл: Образовательная автономная некоммерческая организация высшего образования Московский открытый институт.pdf

150 и постоянно совершенствуется, приводя к созданию все более детальной шкалы.
Следует отметить, что палеомагнитный метод (но не магнитостратиграфический) чрезвычайно широко используется для определения перемещений литосферных плит в геологическом прошлом, так как по ориентировке вектора остаточной намагниченности можно реконструировать положение какой-либо плиты на сфере Земного шара.
Концепция тектоники литосферных плит во многом опирается именно на палеомагнитный метод.
В последние два десятилетия широкое распространение в целях корреляции пластов горных пород и их пачек получил геофизический метод отраженных волн общей глубинной точки (МОВ ОГТ), позволяющий на основе отражения сейсмических волн прослеживать пласты на глубинах до 10 км. Получив название сейсмостратиграфии, данный метод особенно активно используется в нефтяной геологии, так как дает возможность в относительно краткие сроки получить профили на очень большую территорию и выявить структуры и литологические отличия в пластах, благоприятные для появления скоплений нефти и газа.
Абсолютная геохронология.
Когда мы говорим об абсолютной геохронологии, то подразумеваем возраст образования какой-либо горной породы в астрономических единицах времени – годах, продолжительность которых признается абсолютной, неизменной в масштабе времени. Проблема определения абсолютного возраста горных пород, продолжительности существования Земли издавна занимала умы геологов, и попытки ее решения предпринимались много раз, для чего использовались различные явления и процессы. Ранние представления об абсолютном возрасте
Земли были курьезными. Современник М. В. Ломоносова французский естествоиспытатель Бюффон определял возраст нашей планеты всего лишь в 74 800 лет. Другие ученые давали различные цифры, не превышающие 400 – 500 млн лет. Здесь следует отметить, что все эти попытки заранее были обречены на неудачу, так как они исходили из постоянства скоростей процессов, которые, как известно, менялись в геологической истории Земли. И только в первой половине XX в. появилась реальная возможность измерять действительно абсолютный возраст горных пород, геологических процессов и Земли как планеты. Эта возможность базировалась на открытии процесса радиоактивного распада неустойчивых изотопов целого ряда химических элементов.
Поскольку этот физический процесс идет с постоянной скоростью и не зависит ни от каких внешних воздействий, мы получаем в руки «атомный часовой механизм», позволяющий измерять возраст интересующего нас геологического объекта. Так возник радиометрический метод определения абсолютного возраста горных пород, в основе которого лежит физическое явление радиоактивного распада изотопов
238
U,
235
U,

151 232
Th,
40
K,
87
Sr,
14
C,
3
H и многих других. Все эти изотопы нестабильны и обладают вполне определенной, выявленной экспериментально скоростью распада, обычно характеризуемой периодом полураспада, т. е. временем, в течение которого распадается половина атомов данного нестабильного изотопа. Период полураспада сильно варьирует у различных изотопов. Период полураспада радиоактивного элемента известен и определение возраста заключается в том, чтобы найти отношение массы вновь образованного химического элемента к массе материнского изотопа. Радиометрический возраст должен определяться по минералам, содержащим радиоактивные элементы, при этом отсчет времени в «атомных часах» начинается сразу же после кристаллизации данного минерала, который все последующее время вел себя как замкнутая система и сохранял все продукты распада и то количество исходного материнского изотопа, которое осталось после распада. Кроме этого, мы должны быть уверенными в том, что ничто постороннее не попало в минерал за время, прошедшее с момента его образования.
В наши дни наука, занимающаяся определением абсолютного возраста минералов и горных пород, называется радиологией и в ее арсенале насчитывается много методов, которые постоянно совершенствуются и имеют конечной целью повышение точности определений.
Учитывая периоды полураспада, различные изотопы используются для определения возраста в разных временных диапазонах. Так, радиоактивный углерод
14
С, образующийся в верхних слоях атмосферы в результате действия космических лучей на атом азота
14
N, используется для определения возраста древесины, торфа и т. д. в пределах 50 000 лет, что позволяет успешно применять его в четвертичной геологии и археологии. Большое влияние на отношение
14
С/
12
С оказывают проводящиеся уже более 40 лет испытания атомного оружия, атомные реакторы и ускорители.
Изотопы с большим периодом полураспада с успехом применяются для определения возраста докембрийских пород, диапазон формирования которых превышает 3,5 млрд лет.
Используются уран-свинцовый, торий- свинцовый, свинец- свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, самарий- неодимовый и другие методы, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Проблемы возникают с калий-аргоновым методом, основанным на переходе нестабильного изотопа
40
К при условии захвата электрона в стабильный
40
Аr или
40
Са, если при этом испускается отрицательно заряженная бета-частица (свободный электрон с большой скоростью). В результате термального прогрева породы часть аргона улетучивается, и поэтому возраст породы как бы
«омолаживается», фиксируя момент прогрева, но не время образования данной породы. Калий-аргоновый метод стал применяться одним из первых, и именно ему мы обязаны в значительной мере шкалой

152 геологического времени, хотя известны и многочисленные случаи ошибочных определений, нуждающихся в геологической корректировке.
Уран-свинцовый метод, как и рубидий-стронциевый, применяется для определения возраста в диапазоне от 100 млн лет до 5 млрд лет. При этом содержание изотопов устанавливается с помощью масс- спектрометров, где атомы изотопов, будучи пропущенными, в вакууме через магнитное поле, разделяются с учетом их относительной массы.
Важное значение имеет взаимная проверка определений разными методами, данные которых в случае их совпадения лежат на кривой распада – «конкордии». Чтобы уменьшить вероятность ошибок определения возраста, его проводят по так называемым «валовым пробам», т. е. используя всю породу, а не какой-либо минерал отдельно, хотя последний способ также применяется.
Для правильного понимания абсолютной геохронологии, кроме взаимного контроля разными методами, необходимо проводить контроль геологическими данными, без которого, принимая результаты определения абсолютного возраста за кажущуюся истину, можно сделать ошибочные выводы. Как уже говорилось, радиометрические методы особенно важны для докембрийских образований, формировавшихся в течение очень длительного времени и лишенных палеонтологических остатков. В то же время для фанерозойских отложений данные определения абсолютного возраста горных пород позволяют установить продолжительность главных подразделений международной геохронологической шкалы, разработанной на основе других принципов.

153

154 выпадающих на материки, стекает по поверхности и вновь непосредственно или через реки попадает в океан, часть же осадков просачивается (фильтруется) в горные породы и идет на пополнение подземных вод, образующих подземный сток, и, наконец, некоторый объем вновь испаряется в атмосферу.
Таким образом, распределение выпадающих атмосферных осадков может быть представлено следующей схемой: испарение, поверхностный сток, инфильтрация, или просачивание, подземный сток. Соотношение между указанными составляющими изменяется в зависимости от конкретных природных условий: рельефа, температуры воздуха, растительности, водопроницаемости горных пород и др. В пределах большого круговорота на материках выделяется внутренний, или внутриконтинентальный, круговорот, повторяющийся неоднократно, существенно увеличивая количество атмосферных осадков, выпадающих на сушу и пополняющих подземные воды.
Водноколлекторские свойства горных пород определяютсяихпористостью и трещиноватостью. По характеру пустот породы-коллекторы (лат. «коллектор» – собирающий) могут быть подразделены на следующие категории:
1) Гранулярные (лат. «гранулум» – зернышко), или рыхлые зернистые пористые породы, такие, как пески, гравий, галечники.
2) Трещиноватые скальные породы с трещинной пустотностью – песчаники, известняки, доломиты, магматические, метаморфические породы и др.
3) Трещиноватые и трещинно-карстовые породы, такие, как известняки, доломиты, гипсы, соли. Таким образом, подземные воды могут заполнять поры между отдельными зернами осадка, мелкие и крупные трещины, зоны тектонических разломов, карстовые пустоты и полости.
Общая пористость пород выражается отношением объема всех пор
(vp) к объему всей породы (v): n=vp/v; или в процентах: п=vp/v 100%.
Важное значение для формирования и движения подземных вод имеет не только общая пористость, но и размеры пустот и их связь друг с другом.
Известно, что пористость глин достигает 50 – 60%, а фактически это относительно водонепроницаемые породы вследствие того, что поры в них субкапиллярные (диаметр менее 0,0002 мм). Пористость осадочных пород, а следовательно, и их водопроницаемость зависят от:
1) формы и расположения составляющих частиц;
2) степени их отсортированности;
3) цементации и уплотнения;
4) выноса (выщелачивания) растворимых веществ, сопровождающегося образованием различных карстовых полостей;
5) характера и степени трещиноватости и наличия разломов.

155
Рис. 64. Характер водопроницаемости пород:
а) пористые породы; б) трещиноватые породы, размер трещин; в)
размеры водопроводящих трещин; г) размеры и плотность
расположения зерен; 1) водонепроницаемые породы; 2) породы,
насыщенные водой
Схема характера водопроницаемости пород показана на рис. 64. На водопроницаемости горных пород сказывается характер сложения зерен.
Представим себе, что зерна песка имеют шаровидную форму, но их расположение различно. В первом случае они расположены так, что их центры образуют куб, во втором – тетраэдр. Соответственно пористость изменяется от 47,6 до 26,2%, а, следовательно, изменяется и водопроницаемость. Наибольшая водопроницаемость наблюдается в галечниках, гравии, в крупных песках, сильно закарстованных известняках и сильно трещиноватых породах разного генезиса.
Относительно слабая проницаемость отмечается в тонкозернистых песках, супесях, еще меньшая в лёссах, легких суглинках, слаботрещиноватых породах. Почти непроницаемыми (водоупорными) являются глины, тяжелые суглинки, сцементированные и другие массивные породы с ничтожной трещиноватостью.
Горные породы содержат различные виды воды. Ее состояние и свойства в рыхлых песчаных и глинистых породах впервые были экспериментально изучены советским ученым А. Ф. Лебедевым, выделившим несколько видов воды в горных породах, отличающихся физическими свойствами. Позднее идеи А. Ф. Лебедева получили дальнейшее развитие в работах В. А. Приклонского, А. А. Роде, А. М.
Васильева, В. Д. Ломтадзе, Е. М. Сергеева и др. В настоящее время предложено следующее подразделение видов воды в породах:
1. Вода в форме пара.
2. Физически связанная вода:
1) прочносвязанная (гигроскопическая) вода;
2) слабосвязанная (пленочная) вода.

156 3. Свободная вода:
1) капиллярная вода;
2) гравитационная вода.
4. Вода в твердом состоянии.
5. Кристаллизационная вода и химически связанная вода.
Вода в форме пара содержится в воздухе, заполняющем пустоты и трещины горных пород, свободные от жидкой воды. Парообразная вода находится в динамическом равновесии с другими видами воды и с парами атмосферы. Прочносвязанная вода образуется непосредственно на поверхности частиц горных пород в результате процессов адсорбции молекул воды из паров и прочно удерживается под влиянием электрокинетических и межмолекулярных сил. Вследствие этого она и получила название прочносвязанной, или гигроскопической. Содержание прочносвязанной воды зависит от состава, структуры и степени дисперсности минеральных частиц. Особенно много физически связанной воды содержится в тонкодисперсных глинистых породах.
Слабосвязанная вода имеет меньший уровень энергетической связи. Она образует на поверхности частиц как бы вторую пленку поверх прочносвязанной и может передвигаться от участков с большей толщиной пленки к участкам, где толщина меньше. Пленка удерживается молекулярными силами, возникающими между молекулами прочносвязанной воды и молекулами воды вновь образующейся пленки.
По мере роста толщины пленки действие молекулярных связей уменьшается. Внешние слои слабосвязанной воды доступны для питания растений и могут служить средой развития микроорганизмов. Суммарное содержание прочно- и слабосвязанной воды образует максимальную молекулярную влагоемкость, которая изменяется в зависимости от состава пород (в процентах): для песков 5 – 7; супесей – 9 – 19; суглинков
– 15 – 23; глин – 25 – 40.
Капиллярная вода частично или полностью заполняет тонкие капиллярные поры и трещинки горных пород и удерживается в них силами поверхностного натяжения (капиллярных менисков). Она подразделяется на капиллярно-разобщенную, капиллярно-подвешенную и капиллярно-поднятую. Капиллярно-разобщенная вода называется также водой углов пор, или стыковой водой. Она обычно образуется преимущественно в местах сопряжения частиц породы и суженных угловых участков пор, где прочно удерживается капиллярными силами
(капиллярно-неподвижное состояние). Другие виды капиллярной воды способны передвигаться и передавать гидростатическое давление.
Капиллярно-подвешенная вода образуется в верхней части зоны аэрации
(рис. 65), в тонких порах и трещинках почв и песчано-глинистых пород за счет инфильтрации атмосферных осадков при влажности пород выше максимальной молекулярной влагоемкоемкости.
Капиллярно-