N -

ИЗОТОПНЫЕ МЕТОДЫ
ДАТИРОВАНИЯ
ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Радиоуглеродный метод
датирования
возраст объекта
t = (1/ λ) ln
ln((N0/ N)
λ – константа распада, которая показывает,
какая часть (доля) атомов радиоактивного элемента
распадается за единицу времени по отношению к
первоначальному его количеству.
N0 число радиоактивных атомов 14С, которые
находились в выбранной для исследования части
организма к моменту его гибели
N = N(t) – число атомов 14С, оставшихся в исследуемой
части организма
Изменение содержания радиоактивного изотопа 14С в
атмосфере за последние 9700 лет, определенное
посредством измерения содержания этого изотопа в
годичных древесных кольцах
возраст объекта может быть
определен по формуле
tОпределение
= (1/ λ) точного
ln((S/N
ln
+ 1) объекта требует
возраста
измерения точных значений S и N (значение λ
известно с большой точностью). Число N может быть
очень точно измерено масс-спектрометрическими
методами.
Но при определении числа S возникают очень большие
трудности, которые состоят в отделении атомов,
являющихся продуктами распада радиоактивных
изотопов в объекте, от таких же атомов, которые были в
исследуемом объекте изначально. Другими словами
трудно ответить на вопрос о том, каково было начальное
число N0 атомов радиоактивного изотопа в объекте.
Часто для целей геохронологии
используются следующие ядерные
превращения:
238U → 206Pb + 84He,
235U → 207Pb + 74He,
232Th → 208Pb + 64He,
40K + e → 40Ar,
40K + e → 40Ca + β,
87Ru → 87Sr + β.
По конечным продуктам распада радиоактивных изотопов
даются названия методов определения абсолютного
возраста геологических объектов:
свинцовый (уран-свинцовый,
торий-свинцовый),
аргоновый (калий-аргоновый),
кальциевый, стронциевый.
Соответствие подразделений стратиграфической
и относительной геохронологической шкал
Стратиграфические
подразделения
Эонотема
Эратема (группа)
Система
Отдел
Ярус
Зона
Звено
Геохронологические
подразделения
Эон
Эра
Период
Эпоха
Век
Время
Пора
Абсолютная геохронологическая шкала
Эра,
продолжитель
ность
КАЙНОЗОЙСКАЯ
ЭРА
67 млн. лет
Период,
продолжите
льность
Время
начала
периода
Главнейшие
особенности
органического
мира
ЧЕТВЕРТИЧНЫЙ
ПЕРИОД
1.5 - 2 млн. лет
1.5 - 2
млн. лет
Появление и развитие
человека
НЕОГЕНОВЫЙ
ПЕРИОД
23 млн. лет
25
млн. лет
Развитие млекопитающих и
покрытосеменных
растений
67
млн. лет
Распространение
млекопитающих,
появление насекомых,
приматов
ПАЛЕОГЕНОВЫЙ
ПЕРИОД
42 млн. лет
Абсолютная геохронологическая шкала
МЕЗОЗОЙСКАЯ
ЭРА
165 млн. лет
МЕЛОВОЙ
ПЕРИОД
70 млн. лет
137
млн.
лет
Первые покрытосеменные
растения. Примитивные
млекопитающие. Вымирание
гигантских рептилий,
аммонитов, белемнитов.
ЮРСКИЙ
ПЕРИОД
55 млн. лет
195
млн.
лет
Расцвет гигантских рептилий.
Появление птиц. Аммониты,
белемниты. Цикадовые и
хвойные растения.
ТРИАСОВЫЙ
ПЕРИОД
40 млн. лет
230
млн.
лет
Рептилии. Аммониты. Цикадовые,
хвойные и гингковые растения.
Абсолютная геохронологическая шкала
ПАЛЕОЗОЙСКАЯ
ЭРА
345 млн. лет
ПЕРМСКИЙ
ПЕРИОД
55 млн. лет
285
млн.
лет
Появление рептилий, хвойных и
цикадовых растений.
Вымирание ряда групп
беспозвоночных.
КАМЕННОУГОЛЬ
НЫЙ
ПЕРИОД
65 млн. лет
350
млн.
лет
Плауновые и хвощевые древовидные растения. Древовидные
папоротники. Амфибии.
Различные беспозвоночные.
ДЕВОНСКИЙ
ПЕРИОД
55 млн. лет
405
млн.
лет
Псилофиты. Панцирные рыбы.
Древние кораллы. Аммониты.
Брахиоподы.
СИЛУРИЙСКИЙ
ПЕРИОД
35 млн. лет
440
млн.
лет
Псилофиты. Панцирные рыбы.
Древние кораллы. Брахиоподы.
Граптолиты.
ОРДОВИКСКИЙ
ПЕРИОД
60 млн. лет
500
млн.
лет
Трилобиты. Граптолиты.
КЕМБРИЙСКИЙ
ПЕРИОД
70 млн. лет
570
млн.
лет
Водоросли. Трилобиты.
Археоциаты.
Абсолютная геохронологическая шкала
ПРОТЕРОЗОЙСКАЯ
ЭРА
2030 млн. лет
2600
млн.
лет
Водоросли. Беспозвоночные
(медузы, плоские черви,
одиночные и колониальные
полипы).
АРХЕОЗОЙСКАЯ
ЭРА
900 млн. лет
3500
млн.
лет
Зарождение примитивных форм
жизни...
БИОЛОГИЧЕСКИЕ
СВИДЕТЕЛЬСТВА
ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА
Годичные кольца древесных растений как
индикаторы изменений климата
Каждое годичное кольцо является результатом деления
камбиальных клеток в течение одного вегетационного
периода. Расположенный между древесиной и флоэмой
камбиальный слой – это образовательная ткань,
деление клеток которой является причиной увеличения
размеров древесных растений (каждый год на толщину
одного годичного кольца).
Изучением годичных древесных колец занимается
дендрохронология ‒ наука, основными задачами
которой являются: 1) датировка годичных колец
древесины и экологических событий в прошлом; 2)
изучение влияния экологических факторов на величину
прироста древесины, анатомическую структуру
годичных слоев и их химический состав; 3) анализ
содержащейся в годичных слоях информации для целей
определения количественных характеристик условий
окружающей среды в прошлом.
Графики годичного прироста у трех перекрестно датированных
Индивидуальных хронологий по лиственнице с Полярного Урала. Заливкой
выделены характерные блоки изменчивости ширины годичных колец,
повторяющиеся у сравниваемых хронологий
Пример перекрестной датировки трех индивидуальных серий колец
Лиственницы Каяндера и продления абсолютной хронологии за пределы
возраста ныне живущих деревьев
Статистический анализ связи показателей
прироста деревьев с климатическими
переменными
Дендроклиматические ряды «Тропа Мафусаила» (тонкая линия) и «Хозяин
Белых гор» (толстая линия) и ряд абсолютно калиброванных температур
(штриховая линия)
Спорово--пыльцевой анализ
Спорово
Спорово-пыльцевой анализ – это ботанический
Споровометод исследования, который позволяет
определять таксономическую принадлежность
растений по характерным морфологическим
особенностям выделенных этими растениями
спор и пыльцевых зёрен. Существование этого
метода обусловлено, вово-первых, тем, что растения
продуцируют огромное количество пыльцевых
зёрен или спор, а, во
во--вторых, тем, что наружные
оболочки пыльцевых зёрен или спор, как правило,
очень стойки и почти не разрушаются даже при
окаменении (фоссилизации).
Первичным объектом исследования при применении
данного метода служат пробы осадочных пород,
торфа, сапропеля и т. п., из которых в результате
специальной обработки извлекают захороненные в
них пыльцу и споры. При просмотре под микроскопом
пыльцу и споры определяют и регистрируют. Обилие
пыльцы и спор в пробах позволяет достаточно
уверенно определить таксономическую
принадлежность большинства из этих
микрообъектов, то есть даёт возможность судить о
флоре определённого региона, существовавшей во
время отложения содержащей споры и пыльцу
(вмещающей) породы. Процентное соотношение
пыльцы и спор, относящихся к разным таксонам,
позволяет (с учетом закономерностей
продуцирования, рассеивания и фоссилизации спор и
пыльцевых зёрен) судить об относительном
доминировании тех или иных представителей
растительного мира.
Статистическая обработка результатов определения и регистрации спор и
пыльцы приводит к выявлению спорово-пыльцевых спектров и споровопыльцевых комплексов. Спорово-пыльцевым спектром называется
содержание (в процентах) в одной пробе (или статистической выборке
проб) всех обнаруженных пыльцевых зёрен и спор разных таксонов
Обильные спорово-пыльцевые спектры, обнаруженные в геологических
образованиях
Споры и пыльцевые зёрна, сохранившиеся в углях и горных породах:
а — женская спора (мегаспора) и б — мужская спора (микроспора) плаунового
растения из каменноугольных отложений; в — пыльцевое зерно хвойного
(микроспора) из пермских отложений; г — микроспора папоротника из меловых
отложений; д — пыльцевое зерно кедра из меловых отложений, е — грецкого
ореха, ж — ильма, з — падуба из третичных отложений. Размеры от 20 мкм
(пыльцевые зёрна) до 1 — 2 мм (мегаспора).
Пыльца растений имеет очень разнообразную форму
Так выглядят пыльцевые зерна клена при большом увеличении
Рассеивание пыльцы растением
Фотография, иллюстрирующая многообразие форм пыльцы растений
Пример спорово-пыльцевой диаграммы
Фаунистические и флористические комплексы как
показатели палеоклиматической зональности
Обнаружение тех или иных растительных или животных ископаемых
организмов, климатические предпочтения которых с большей или
меньшей точностью известны, позволяет делать заключения о
климатических условиях в годы жизни этих организмов.
Для правильного и обоснованного палеоклиматического заключения по
остаткам растений и споровоспорово-пыльцевым комплексам необходимо
оперировать не отдельно взятыми формами, а целыми сообществами
(ассоциациями) определенного ландшафта и качественные данные
согласовывать и корректировать результатами, основанными на
данных литологии и литогенетических формациях. Вместе с тем
подсчет коэффициентов термофильности и ксерофильности позволяет
наметить определенные количественные характеристики древнего
климата и возможность сопоставления между собой удаленных
территорий.
Относительная
геохронология
В годы становления относительной геохронологии
все основные выводы в рамках этой науки
строились главным образом на изучении более
или менее крупных и сравнительно
Высокоорганизованных животных, таких как
моллюски (аммониты (рис. 1.2),
белемниты (рис.1.3) и др.), кораллы (рис. 1.4),
трилобиты (рис. 1.5), некоторые ракообразные,
брахиоподы (рис. 1.6) и позвоночные.
Аммониты
Аммониты - подкласс головоногих моллюсков со спирально закрученными
раковинами. Близкие родственники наутилусов. Возникли в девонском
периоде палеозоя, вымерли в конце мела (мезозой). Раковины разделены
на отдельные камеры со сложно устроенными перегородками,
соединенными специальной трубкой - сифоном. Через сифон камеры
раковины могли быстро наполняться газом или водой, обеспечивая
всплытие или погружение моллюска. Внутри сифона проходил
специальный кровеносный сосуд – через него и проходил обмен газом
и жидкостью.
Ростры белемнитов
Белемниты - полностью вымерший отряд головоногих моллюсков.
Родственны современным осьминогам, каракатицам и кальмарам,
обладали мощной внутренней раковиной - ростром. Ростры иногда
называют "чертов палец".
Кораллы
. Большинство кораллов имеет известковые скелеты самой разной формы
Колонии кораллов
Колонии кораллов над океанской бездной
Модельная реконструкция трилобита
Окаменевшие остатки
трилобита
Раковины брахиопод
Брахиоподы (плеченогие) – такая же неотъемлемая составляющая морской
палеофауны палеозоя, как аммониты и белемниты в мезозое. Брахиоподы
- не моллюски, хотя имеют двустворчатую раковину, а самостоятельный тип
морских беспозвоночных раковинных животных типа щупальцевых.
Класс фораминиферы
Основу скелета радиолярий
образуют соли кремния
Массивы известняков состоят большей
частью из скелетов радиолярий
ЛЕДОВЫЕ
ИНДИКАТОРЫ
ИЗМЕНЕНИЙ
КЛИМАТА
Изменения средней температуры Земли за
последние 800 тысяч лет, определенные по
содержанию дейтерия в ледовых колонках
Ледовый покров Антарктиды и Гренландии существует
непрерывно уже сотни тысяч лет. По соотношению в ледовых слоях
концентраций дейтерия и протия можно судить о температуре воздуха
в период образования этих ледовых слоев. Таким образом, ледовый
покров Антарктиды и Гренландии хранит в своих ледовых слоях
память о теплых и холодных периодах в земной истории за сотни
тысяч лет.
Наилучший фактический материал для суждения об изменениях
палеотемператур дали колонки льда, отбуренные в ледниковых щитах
Гренландии и Антарктиды.
Станции Саммит в Гренландии, достигла дна на глубине 2983 м с
оценкой возраста льда в 249000.
Буровая скважина на станции Восток в Антарктиде, достигла глубины в
3623 м с оценкой возраста льда в 427000 лет при практически полном
извлечении колонки льда.
В этих кернах льда хранится информация о климатических изменениях
за многие тысячи лет. В одном метре извлеченного с большой глубины
льда может содержаться информация о 500 годах.
Панорама Европейской международной станции «Конкордия» на куполе
«C» в Антарктиде. Зимой на станции могут жить 16 человек. Средняя
годовая температура воздуха: –50,8°C. Минимальная: –84,6°C. Обычная
летняя температура: –30°C, обычная зимняя: –60°C.
Именно около этой станции проводилось глубинное бурение льда.
Бур, несущий керн льда, поднимается на поверхность. Антарктида,
Купол «С». Станция «Конкордия».
. Ледовый бур, поднятый на поверхность с колонкой льда
Многолетний ход двух независимо полученных показателей, характеризующих
изменения температуры за 800 тыс. лет в районе Антарктиды. По оси
абсцисс – возраст отложений в тысячах лет до настоящего времени
(т.е. ход времени - справа налево). Чёрная линия вверху – данные по
относительному содержанию дейтерия δD в колонке льда с Европейской
станции (EPICA) на куполе «С». Синяя линия внизу – данные по
относительному содержанию тяжелого изотопа кислорода δ18O в донных
отложениях в Южном океане (в последнем случае – инвертированная
шкала). Пики на обеих линиях соответствуют потеплениям.
Динамика различных показателей климата Антарктиды за 800 тыс. лет
Содержание парниковых газов в атмосфере
Земли за последние 800 тысяч лет по данным,
полученным из Антарктических ледовых кернов
Удачным и важным обстоятельством при поиске ответов на вопросы о
климатах далекого прошлого является то, что при образовании льда
захватываются и на долгий срок в нем сохраняются пузырьки воздуха,
исследуя которые можно представить себе состояние
атмосферы
тысячи и даже сотни тысяч лет тому назад.
Лед этот, образовывавшийся в течение сотен тысяч лет из выпадавших
атмосферных осадков, содержал в своей толще пузырьки воздуха ‒ того
самого, который был на Земле 100 тыс., 200 тыс., и даже 400 тыс. лет
назад. Анализируя в лабораториях его газовый состав, удалось, по сути,
прямым методом определить содержание в прошлые эпохи таких
важнейших парниковых газов, как диоксид углерода (углекислый газ)
CO2 и метан CH4. А оценив в разных слоях льда относительное
содержание тяжелого изотопа водорода ‒ дейтерия, можно было
проследить и за тем, как менялась на протяжении последних
400 тыс. лет температура воздуха.
Бурение льда на куполе «C» закончено. Участники проекта бросают кусочки
льда, которому сотни тысяч лет, в стаканы с шампанским. Пузырьки воздуха
взрываются, оказавшись вне огромного давления.
Верхняя кривая ‒ колебания температуры. Нижняя кривая ‒ содержание
Углекислого газа (CO2) в миллионных долях за 800 тыс. лет по данным
ледового керна с купола «C»
Динамика содержания CO2 (в миллионных долях) в атмосфере
800–600 тыс. лет назад по данным анализа пузырьков воздуха в ледовом
керне с купола «C»
Пылевая буря в северо-западной Африке. На снимке НАСА, сделанном
со спутника 28 февраля 2000 года, видно, как облака пыли из района Сахары
сносятся ветром на запад, в Атлантический океан. Попадающая в центральные
районы океана пыль ‒ важнейший источник биогенных элементов, прежде всего
фосфора и железа, необходимых для развития фитопланктона.
. Изменения во времени ряда показателей, полученных при анализе керна
льда с российской станции «Восток»
Зависимость между содержанием дейтерия (горизонтальная шкала) и потоком
частиц пыли (вертикальная шкала) по данным ледового керна с купола C.
Временные срезы по масштабам 5, 20 и 100 тыс. лет вейвлетных
преобразований рядов дейтерия (толстые линии) и углекислого газа
(тонкие линии). Положительные значения срезов соответствуют локальным
трендам потепления (роста концентрации углекислого газа), отрицательные
области – трендам похолодания (уменьшения концентрации).
Временные срезы по масштабам для дейтерия и метана
В целом можно заключить, что в масштабах основного
ледникового цикла, как он четырежды наблюдён в
ледяном керне станции Восток, изменения температуры
всегда упреждали изменения КПГ. Особо заслуживает
быть отмеченным тот факт, что температура начинала
убывать после того как она достигала очень высокого
значения, несмотря на то, что КПГ всё ещё продолжала
расти. Не будем ли мы свидетелями похолодания в
недалёком будущем, даже если вызванное
Антропогенной деятельностью увеличение КПГ
будет сохраняться?
Основные понятия теории
временных рядов
Временным рядом называется
последовательность числовых значений,
получаемых при измерении изучаемой
величины в последовательные моменты
времени. Временные ряды весьма часто
появляются при измерении слоистых
характеристик природных индикаторов
климата.
В качестве примера временного ряда можно
взять множество значений концентрации
дейтерия, измеренных в последовательных
точках ледового керна. В этом примере
роль времени играет расстояние от начала
керна.
Среднее значение величин,
генерируемых случайным
процессом
µ = E[ z t ] =
∞
zp
(
z
)
dz
∫
−∞
Выборочное среднее значений
временного ряда, как оценка μ
N
z = (1 / N ) ∑ z t
t =1
Автокорреляцией называется корреляция между
членами одного и того же ряда.
Автокорреляционная функция с задержкой k
определяется выражением
−2
ρk = (σ z ) E[(zt − µ)(zt +k − µ)]
где (σ z ) 2 - дисперсия случайного процесса
Примеры графиков автокорреляционных
функций для различных классов анализируемых
процессов
По оси абсцисс откладываются значения сдвига k , по оси ординат
соответствующие значения автокорреляционной функции ρk .
Спектральные свойства
временных рядов
Представление членов ряда в виде разложение Фурье
q
z t = α 0 + ∑ (α i cit + β i sit ) + et
i =1
cit = cos 2πf i t
sit = sin 2πf i t
fi = i / N
Оценки коэффициентов разложения
Фурье
a0 = z,
N
ai = (2 / N )∑ z t cit ,
t =1
N
bi = ( 2 / N )∑ z t sit ,
t =1
(i = 1,2,..., q )
Периодограмма – это набор величин
I ( f i ) = ( N / 2)(ai + bi ),
2
2
(i = 1,2,..., q),
называемых интенсивностями на частотах fi
Выявление скрытых
периодичностей
Линейные преобразования,
осуществляющие селекцию периодической
компоненты
x (t ) =
1
∞
h
(
τ
)
x
(
t
−
τ
)
d
τ
,
∫
−∞
где h(τ) – весовая функция
(2)
Метод усреднения ординат через пробный
период
x (t) = (1/ 2)[x(t −T / 2) + x(t +T / 2)]
1
Частотная характеристика преобразования (2)
имеет вид R = cosλ
График частотной характеристики преобразования (2)
как функции параметра λ = ωТ/2.
Метод селекции периодической
компоненты заданного периода
x (t ) = (2k + 1)
1
−1
k
x
(
t
+
lT
)
∑
l =− k
Вейвлеты – это локализованные функции, которые
получаются из исходной вейвлетной функции ψ(t)
путем пераций сдвига по времени (b) и изменении
временного масштаба (а)
Ψab(t) =
1
a
Ψ[(t-b)/a]
Вейвлеты Mhat и Wave. По оси ординат отложены
значения ψ (t, а, b)
Сигнал, вейвлетный спектр вейвлета Mhat и масштабные
сечения спектра. Если анализируемая функция имеет
изломы, спектрограммы уверенно фиксируют место
изломов максимумами (минимумами) значений
коэффициентов c(a,b)
Вейвлет-преобразование сигнала,
Вейвлетимеющего изломы и возмущенного
шумами
Результат вейвлетных преобразований рядов дейтерия и метана
из антарктических ледовых кернов
ПАЛЕОКЛИМАТИЧЕСКИЕ
РЕКОНСТРУКЦИИ
Принципы определения характеристик климата
Земли в геологическом прошлом
На протяжении кайнозоя действовали те же самые механизмы
формирования климата, что и механизмы, формирующие
современный нам климат, и формировавшие его на протяжении
четырех последних столетий (то есть на протяжении времени
инструментального определения климатических характеристик).
В прошлые геологические эпохи осуществлялся такой же, как и в
настоящее время, механизм взаимодействия солнечной
излучения с системой сушасуша-океан
океан--атмосфера
атмосфера--биосфера.
Солнечная радиация – первичный климатообразующий фактор
– частично поглощалась, отражалась или рассеивалась
атмосферой, а остальная ее часть достигала поверхности
Земли. Суммарная радиация, достигающая земной
поверхности, зависела от химического и аэрозольного состава
атмосферы. Так же как и в современную эпоху, в древности
соотношение отраженной, поглощенной, прямой и рассеянной
радиации зависело не только от газового состава, и
аэрозольных примесей атмосферы, но и от мощности
облачного покрова и отражающей способности земной
поверхности (альбедо).
Наиболее полные и объективные данные о климатах
древних эпох и логически правильные реконструкции
климатической зональности могут быть получены только на
основе принципа комплексности палеоклиматических исследований
с использованием различных взаимодополняющих методов.
При этом литологические климатические свидетельства должны
согласовываться с данными геохимии, палеозоологии,
палеоботаники и палинологии.
Геологические показатели древнего климата отражают
усредненную совокупность всех климатических элементов за
сравнительно большой отрезок времени.
Существуют группы исследователей, которые при построении
палеоклиматических карт наиболее существенными считают
литологические критерии, другие же наибольшее значение придают
данным палеоботаники и палинологии, практически игнорируя
результаты
литологии.
Реконструкция палеотемператур по данным скважинных
измерений и ледового
керна Антарктиды
Сопоставление данных по температуре ледового керна в
антарктической скважине и содержания углекислого газа в этом же керне.
Временной интервал изменений — 420 тысяч лет.
Изменение солнечной активности ( S) и изменение
среднего значения поверхностной температуры Северного полушария
за последние 250 лет ( Т).
Увеличение глобальной температуры за последние 500 лет
За четверть века, с 1979 (фото слева) по 2003 (фото справа) год,
область, покрытая арктическим льдом, заметно уменьшилась.
Многие связывают это явление с начавшимся глобальным потеплением