Univerzita Karlova v Praze Pedagogická fakulta Katedra biologie a environmentálních studií URČOVÁNÍ ČASU V GEOLOGICKÝCH VĚDÁCH Bakalářská práce Autor: Marie Valčíková Vedoucí práce: Doc. RNDr. Vasilis Teodoridis, Ph.D. Praha 2013
Abstrakt Předkládaná bakalářská práce má rešerší charakter a pojednává o aspektech souvisejících s určováním času v geologických vědách. V širším pojetí lze práci rozdělit na dva větší celky. První část se zabývá popisem geologických věd, které jsou s určováním času přímo či nepřímo spojené, jako je historická geologie, stratigrafie, paleontologie, strukturní a sedimentární geologie. Dále je v rámci této části vymezen a charakterizován proces zaznamenávání geologické historie planety Země včetně specifikace geologické časové stupnice a historického náhledu na otázku vývoje určování času v propojení s problematikou určování stáří Země. Druhá část bakalářské práce se věnuje relativním a absolutním metodám, které se pro určování času v geologických vědách využívají. Jsou zde představeny dva hlavní zákony relativního datování, tj. zákon superpozice a zákon stejných zkamenělin. Radiometrické metody absolutního datování jsou stručně popsány a charakterizovány s ohledem na jejich aplikaci do geologické praxe, přičemž jejich výběr reflektuje kritérium nejčastějšího použití v geologii. Klíčová slova: čas, geologické vědy, stáří Země, relativní datování, absolutní datování
Abstract The presented Bachelor thesis has a character of a literature search and discusses aspects related to the determination of time in geological sciences. In the broader concept, the thesis can be divided into two major units. The first part describes the geological sciences, which are directly or indirectly related with determining the time, such as historical geology, stratigraphy, paleontology, structural and sedimentary geology. In this part the process of recording geological history of planet Earth is also defined and characterized, including specifications of the geological time scale and historical preview on issue of development in determining the time connected with issues of determining the age of the Earth. The second part of the thesis deals with relative and absolute methods that are used in geological sciences for determining the time. Two main laws of relative dating are presented, i.e. the law of superposition and the law of the same fossils. Absolute radiometric dating methods are briefly described and characterized with respect to their application to geological practice. While the selection reflects the commonality of the application in geology. Key words: time, geologic sciences, age of the Earth, relative dating, absolute dating
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci vypracovala samostatně pod vedením doc. RNDr. Vasilise Teodoridise, Ph.D., a že jsem citovala všechny použité informační zdroje. Zároveň souhlasím s uložením své bakalářské práce v databázi Thesis. V Praze dne:... Podpis
Poděkování Ráda bych poděkovala vedoucímu mé bakalářské práce doc. RNDr. Vasilisu Teodoridisovi, Ph.D. za cenné rady, trpělivost, podporu a čas, který mi věnoval. Mgr. Jiřímu Laurinovi Ph.D. za podklady, které mi doporučil. RNDr. Zdeňku Štaffenovi za rady, podklady a čas mi věnovaný. Bc. Dominiku Ehlovi za technickou i psychickou podporu a trpělivost. Jitce Stráníkové za ochotu a podporu. V poslední řadě bych ráda poděkovala mojí rodině za podporu, shovívavost a trpělivost po celou dobu.
Obsah Úvod... 8 1. Geologický čas... 10 2. Geologické vědy, které jsou spojeny s určováním času hornin... 12 2.1. Historická geologie... 12 2.1.1. Stratigrafie... 12 Litostratigrafie... 16 Biostratigrafie... 17 Magnetostratigrafie... 19 Stratigrafická korelace... 20 2.1.2. Paleontologie... 21 2.2. Sedimentární geologie... 22 2.3. Strukturní geologie... 22 3. Zaznamenávání historie planety Země... 23 3.1. Chronostratigrafie... 23 3.1.1. Chronostratigrafické jednotky... 23 3.2. Geologická časová stupnice... 24 4. Historický vývoj určování času v geologii... 27 4.1. Vývoj relativního datování... 27 4.2. Pokusy o stanovení stáří Země a vývoj absolutního datování... 28 5. Metody určování času v geologii... 33 5.1. Relativní datování... 33 5.1.1. Zákon superpozice... 33 5.1.2. Zákon stejných zkamenělin... 34 5.1.3. Princip protínání geologických těles... 35 5.2. Absolutní datování... 35 5.2.1. Radiometrické metody... 36 Izotopy... 39
Radioaktivní izotopy... 40 Radioaktivní přeměna... 41 Poločas přeměny... 42 5.2.1.1. Metody datování K-Ar a Ar-Ar... 43 Metoda datování K-Ar... 44 Metoda datování Ar-Ar... 46 5.2.1.2. Metoda datování Rb-Sr... 47 5.2.1.3. Metoda datování Sm-Nd... 50 5.2.1.4. Metoda datování Re-Os... 51 5.2.1.5. Metoda datování Lu-Hf... 53 5.2.1.6. Metody datování U-Th-Pb... 55 6. Závěr... 59 Seznam literatury... 60 Seznam internetových odkazů... 68
Úvod Určování času v geologii je dlouhotrvající a stále aktuální proces. Tento proces se prolíná i s ostatními vědními obory, jako jsou chemie, fyzika, biologie, astronomie, archeologie a další. Tato práce, jak název napovídá, se úzce specializuje především na propojení určování času s vědami geologickými. V první kapitole této práce se věnuji vymezení pojmu geologický čas. Druhá kapitola pojednává o geologických vědách, které jsou s datováním hornin spojeny. Jedná se zejména o historickou geologii a stratigrafii, kde jsou následně popsány hlavní stratigrafické podobory, tj. litostratigrafie, biostratigrafie a magnetostratigrafie. Chronostratigrafie je popsána odděleně ve třetí kapitole, protože se přímo vztahuje k zaznamenávání geologické historie Země ve spojitosti s časovou posloupností, čemuž se zde také věnuji. Ve druhé kapitole dále uvádím i sedimentární a strukturní geologii, které se primárně nezabývají určováním času, ale svými postupy, poznatky a studiem hornin a jejich vlastností k určování času nepřímo přispívají. Čtvrtá kapitola je věnována historii vývoje určování času v geologii. Je zde také popsána dlouhá cesta různých vědeckých postupů, které měly za cíl objasnit stáří Země, až po stanovení současně přijímaného stáří Země 4,55 miliard let. V poslední kapitole jsou charakterizovány jednotlivé metody relativního a absolutního datování. Od 17. století se začaly formovat metody a principy relativního určování času. Objevem radioaktivity prvků se začaly utvářet metody pro absolutní datování, které se dále rozvíjely a upřesňovaly. Tento proces trvá dodnes. Absolutní datování je náročnější po technické stránce, neboť zahrnuje radiometrické metody, které využívají poločas rozpadu přírodních radioaktivních izotopů. Proto se v této části věnuji vysvětlení jednotlivých pojmů, jako jsou poločas rozpadu, izotopy, rozpadové řady prvků a jiné. Cílem práce není popsat všechny radiometrické metody a způsoby výpočtu stáří, ale přehledově charakterizovat nejpoužívanější radiometrické metody s důrazem na jejich možnosti použití, novější poznatky, principy a jejich výhody či nevýhody. 8
Práce si klade za cíl vypracovat ucelené shrnutí určování času v geologických vědách v souladu s dostupnou zahraniční i českou literaturou, a pojmout tak aspekty s ním spojené, jako jsou geologické vědy vztažené k určování času, historie určování času v geologii a metody, které se k tomu využívají. 9
1. Geologický čas Čas je fyzikální veličina, kterou se dá měřit doba trvání mezi událostmi, které se dějí v nevratném pořadí. Geologický čas pak představuje velmi rozsáhlý rozměr tím, že vyjadřuje dobu trvání v rozsahu tisíců, miliónů, miliard a více let. Přispívá tak k porozumění vývoje světa zejména tím, že může vyjádřit délku trvání jednotlivých procesů, které na Zemi probíhaly a probíhají. Geologický čas si není jednoduché představit, neboť v lidských schopnostech není možné pozorovat geologické procesy tak, jako například životní cyklus u živočichů či rostlin. Porozumět geologickému času můžeme skrze relativní datování a měření absolutního stáří hornin. Relativní a absolutní datování nám poskytuje základní informace o transformacích, které způsobily geologické a evoluční procesy (Hawkesworth a Calsteren, 1992). Geologický čas, jako obecně přijímaný koncept, musel být nejprve zaveden a formulován. Jeho základy byly položeny již v 17. století spolu s prací dánského vědce Nicolase Stena (1638-1686) 1 a Angličana Roberta Hooka (1635-1703) 2. Začátek byl poněkud vleklý a formulace vhodného konceptu geologického času trvala po další dvě až tři dekády. Paleontologové, jako například Georges Cuvier (1769-1832), J. B. Lamarc (1744-1829) a William Buckland (1784-1856), poukázali na časový sled organismů. Objevitel zákona stejných zkamenělin William Smith (1769-1839) za tohoto faktu předvedl korelaci vrstev na oddělených vrstevních profilech. Horninové záznamy se na těchto podkladech mohly začít organizovat do jednotlivých chronologických sloupců. Celý proces systematické klasifikace na základě zkamenělin a superpozice vrstev dosáhl rozkvětu ve 20. letech 19. století (Burchfield, 1998). Pro označení doby trvání (roku) v geologii není universální jednotka, obecně se ale používá a podle latinského annus. V angličtině se také někdy 1 Nicolas Steno (Niels Stensen) zformuloval zákon superpozice a princip primární horizontality a laterální kontinuity. 2 Robert Hooke poprvé roku 1676 popsal zákon o pružné deformaci materiálů působením síly, které po odlehčení zmizí. Tento zákon je známý jako Hookeův zákon a říká, že deformace je přímo úměrná napětí materiálu. 10
používá y nebo yr (z anglického year). Pro vyjádření tisíců, miliónů, miliard a více let se pak používají předpony: ka kiloannum značící 1000 let, Ma megaannum značící 10 6 let, Ga gigaannum značící 10 9 let, Ta terraanum značící 10 12 let atd. (pro anglické značení pak kyr, myr, byr atd.). Tento typ značení používám dále v textu pro vyjádření doby trvání. 11
2. Geologické vědy, které jsou spojeny s určováním času hornin Mezi geologické vědy, které se mimo jiné přímo či nepřímo zabývají také určováním geologického času, patří historická, strukturní a sedimentární geologie. V následujícím textu jsou tyto vědy podrobněji popsány, přičemž jsem pro historickou geologii vycházela především z publikací od Kumpery a Vašíčka (1988), Boučka a Kodyma (1958, 1963), Wicandera a Monroea (2010) a z internetové verze International Stratigraphic Guide (ISG; viz WEB 1) od Murphyho a Salvadora (1999). 2.1. Historická geologie Historická geologie se zabývá podrobným popisem dějin planety Země na základě horotvorných pochodů a klimatických změn. Snaží se chronologicky seřadit významné geologické události podle geologických období, což je hlavním úkolem stratigrafie, jakožto pomocné vědy historické geologie. Dále historická geologie využívá zejména poznatků paleontologie, kde jsou zkameněliny vodítkem pro časovou komparaci a korelaci jednotlivých vrstev. Dalšími pomocnými vědami jsou např. paleobiogeografie, paleoekologie a geotektonika. Jedním z hlavních úkolů historické geologie je podle údajů Naučného geologického slovníku (Svoboda a kol., 1960) právě určení absolutního či relativního stáří hornin. 2.1.1. Stratigrafie Stratigrafie je geologická věda, která se zabývá zejména zkoumáním jednotlivých sedimentárních vrstev, zákonitostmi jejich sledu a určováním jejich vzájemného stáří. Základní metody stratigrafie pro určení stáří vrstev jsou metody radiometrické a metody relativního datování. Cílem je pak hierarchické uspořádání vrstev z jednotlivých geologických období vývoje zemské kůry. Toto zkoumání však není jednoduché, neboť se na zemském povrchu vyskytují jen určité části vrstev. Zejména v důsledku pohybů moře a s tím spojených procesů eroze a abraze působících na již usazené vrstvy a tektonických procesů 12
(subdukce). Vrstevní sled tudíž není úplný. Dalším problematickým aspektem zmíněné tektoniky je to, že vrstvy nemusí být vždy uloženy v původním postavení, tedy horizontálně, ale jsou na mnoha místech deformované (zvrásněné, přelámané či přesmyknuté). V některých případech může dojít až k překocení vrstevního sledu a vrstvy mladší se tak nachází v podloží vrstev straších. Podkladem pro stratigrafické zkoumání jsou přirozeně nebo uměle (lomy, vrty, doly) odkryté vrstvy (výchozy a profily). Ty se skládají v základě z usazených hornin, avšak obsahují také zbytky živých organismů v podobě fosílií. Na základě toho se používá pro relativní datování hornin metoda litostratigrafická, která vychází z principu sedimentace vrstev, a metoda biostratigrafická, která pracuje s paleontologickým obsahem zkoumaných vrstev. Podle toho se určují litostratigrafické a biostratigrafické jednotky. Ve stratigrafii se pro klasifikaci horninových těles dále používají zejména magnetostratigrafické jednotky (jednotky magnetostratigrafické polarity), jednotky vymezené diskordancí (jsou vymezené převážně tam, kde jsou rozlišitelné jejich diskordantní hranice např. okrajové části sedimentačních pánví; pro posouzení důležitosti stratigrafické diskontinuity se přihlíží k velikosti úhlové diskordance, časovému rozpětí hiátu a jeho geografickému rozšíření) a chronostratigrafické jednotky (viz kap. 3), což jsou základní jednotky ve stratigrafii. K jejich vymezení přispívají hlavně litostratigrafické a biostratigrafické jednotky. V nejširším pojetí se rozlišují formální (název a charakteristika podle konvenčně stanovených zásad; vyžadují stabilitu nomenklatury a píší se s velkým písmenem) a neformální jednotky (termíny používané v popisném smyslu, které nejsou součástí systému stratigrafické klasifikace; píší se s malým počátečním písmenem a používají se v předběžných studiích a v ekonomické sféře, neměly by se však používat v odborných publikacích). Pro každou kategorii stratigrafických jednotek existují rozlišující termíny. Přehled nejpoužívanějších kategorií stratigrafických jednotek je uveden v tabulce 1. 13
Tab. 1: Přehled nejpoužívanějších kategorií stratigrafických jednotek JEDNOTKY POPIS TYPY JEDNOTEK (CHRONOLOGICKY) Litostratigrafické Biostratigrafické Magnetostratigrafické Chronostratigrafické Vymezené diskordancí jednotky horninových těles (vrstevnaté, nevrstevnaté) určeny viditelnými litologickými znaky (petrologický obsah) a stratigrafickými vztahy, kterými se navzájem odlišují. jednotky horninových těles, které jsou charakterizovány na základě jejich fosilního obsahu jednotky horninových těles určené remanentními magnetickými vlastnostmi, kterými se liší od okolních jednotek sledy hornin, které se zformovaly v určitém časovém intervalu specifického geologického období, přičemž jejich hranice jsou isochronní horninová tělesa, která jsou z vrchu a zespodu ohraničena výraznými diskordancemi Superskupina Skupina Formace Člen Vstva Flow Superbiozóna Biozóna Subbiozóna Superzóna polarity Zóna polarity Subzóna polarity Eonotém Eratém Útvar Oddělení Stupeň Podstupeň Synthém U vrstevních sledů sedimentárních hornin se určuje posloupnost vrstev pomocí různých metod. Litologická, tektonická a paleontologická kritéria se pak využívají k určení normálního či překoceného sledu. Z litologických kritérií se jedná především o vertikální anizotropie ve vrstvách (gradační, šikmé, křížové, konvolutní zvrstvení) a různé druhy nerovností (mechanického původu: vlečné a proudové nerovnosti; biologického původu: ichnofosílie). Tektonická 14
kritéria se aplikují na zvrásněné či mírně metamorfované sedimenty. Paleontologická kritéria vycházejí za zákona o stejných zkamenělinách. Ve stratigrafii rozlišujeme různé podobory, nejdůležitější z nich jsou popsány dále v textu (litostratigrafie, biostratigrafie, magnetostratigrafie, chronostratigrafie). Dalšími podobory jsou eventostratigrafie (studuje v geologickém měřítku náhlé a krátkodobé události [převážně globální katastrofy], které po sobě zanechaly v horninovém záznamu výraznější stopy), chemostratigrafie 3 (studuje časově nevratné změny v chemickém složení geologického materiálu, zejména proměnlivost poměru prvků v hornině a poměry stabilních izotopů), sekvenční stratigrafie 4 (studuje geneticky propojené cyklické sedimenty [sekvence vrstev, které se pravidelně opakují] a jejich chronologické vztahy, které se snaží dělit a spojovat podle diskordancí; hranice jednotlivých sekvencí vznikají v důsledku poklesu hladiny moře), varvová stratigrafie (varvy střídavě světle a tmavě laminované sedimenty [jedna lamina se usadí za jeden rok] vznikající převážně v jezerech, do kterých přitéká voda z tajících ledovců dá se tak měřit čas v sedimentech jezer, které se nachází u ledovců) a cyklostratigrafie 5 (studuje cyklické změny ve stratigrafickém záznamu, přičemž využívá známé pravidelnosti astronomických cyklů). Pro neustálý vývoj ve stratigrafii je zřízena komise ICS (International Commission on Stratigraphy; viz WEB 2), která celosvětově dohlíží na stratigrafickou klasifikaci. ICS zahrnuje 16 subkomisí 6, které spravují dělení útvarů do oddělení a stupňů a navrhují pro ně stratotypy. Na našem území se tomuto věnuje Česká stratigrafická komise 7. Důležitá publikace zabývající se stratigrafií v České republice je především Zásady české stratigrafické klasifikace (Chlupáč a Štorch, 1997) a široké veřejnosti lépe dostupná 3 Více viz Prothero a Schwab (2004). 4 Více viz Catuneanu (2006) a Emery a Myers (1996). 5 Více viz Hinnov a Ogg (2007) a Hinnov a Hilgen (2012). 6 Stratigrafické zaměření jednotlivých subkomisí: prekambrium, kryogenium, ediacaran, kambrium, ordovik, silur, devon, karbon, perm, trias, jura, křída, paleogén, neogén, kvartér, stratigrafická klasifikace. 7 Česká stratigrafická komise v dubnu 2013 pozastavila svoji činnost v důsledku vypršení funkčního období předsedy i jejích členů. Termín obnovení komise nebyl určen. 15
publikace Geologická minulost České republiky (Chlupáč et al. 2002), která popisuje regionální a historickou geologii území Českého masívu (ČR) v souladu s obecnými pravidly stratigrafie. V roce 1994 došlo k realizaci druhého vydání ISG (Salvador, 1994), které se snaží o mezinárodní standardizaci stratigrafických zásad. Tato verze obsahuje definice pojmů, kategorie stratigrafických jednotek a jejich charakteristiky, dále jsou zde popsány pracovní postupy při vymezování a revizi stratigrafických jednotek, slovník používaných termínů, literatura a národní kodexy. Podle této příručky (Salvador, 1994) se řídí a reviduje mezinárodní i naše stratigrafická práce. Na základě obtíží spojených s přístupem k této verzi příručky (dálková dostupnost kopií a náklady) došlo v roce 1999 k vydání zkrácené verze v periodiku Episodes (Murphy a Salvador, 1999) (hlavní médium pro IUGS International Union of Geological Sciences; viz WEB 3), která je také dostupná online na stránkách ICS (WEB 1). V této verzi jsou uvedeny hlavní zásady, pojmy, charakteristiky a komentáře. U nás tuto verzi zhodnotil Chlupáč (2000). Litostratigrafie Litostratigrafie se zabývá vymezováním, uspořádáním a korelací litostratigrafických jednotek, které se řídí podle zásad a pravidel ISG (Salvador, 1994; Murphy a Salvador, 1999). Tyto jednotky se určují zejména stanovením stratotypu 8 (popsání sekvence horninových vrstev, na kterých je postavena definice určité jednotky) a typové oblasti 9, vymezením hranic v místě litologické změny (většinou v místě ostrého litologického kontaktu nebo náhodně v zóně vertikální či laterální litologické gradace), diskordancí (stav, kdy došlo k přerušení sedimentace na delší časový úsek, který se označuje jako hiát, v důsledku horotvorných procesů, denudací a erozí) s velkými hiáty. Litostratigrafické jednotky jsou určeny viditelnými litologickými znaky (petrologický obsah, textura a struktura hornin, barva), kterými se navzájem 8 Lokalita definující typický sled vrstev (standard) odpovídající určitému geologickému období (např. Klonk u Suchomast definující celosvětový standard pro hranici siluru a devonu). 9 Určuje se u nevrstvených jednotek (intruzivní těleso, silně metamorfované těleso neznámého původu). Takováto jednotka je definována lokalitou, kde se nachází a kde může být studována. 16
odlišují. Podle toho se dají snadněji rozlišit v terénu, což nemůžeme říci o jednotkách biostratigrafických, které se, na rozdíl od litostratigrafických jednotek, dají srovnávat časově. Pomocí biostratigrafie tak můžeme mezi litostratigrafickými jednotkami vymezit časoprostorové vztahy. Formální litostratigrafické jednotky jsou uvedeny v tabulce 1, přičemž Vrstva (Bed) je nejnižší jednotka pro sedimentární horniny a Flow je nejnižší jednotka pro extruzivní sopečná tělesa významné struktury. Nehierarchická f. j. je např. komplex, která vymezuje složité nevrstevnaté soubory. Chronologickým srovnáním litostratigrafických jednotek získáme litostratigrafickou stupnici, která nám podává informace o geologickém vývoji určitého regionu. Biostratigrafie Biostratigrafie, podobně jako litostratigrafie, se zabývá vymezováním, klasifikací a korelací biostratigrafických jednotek řídících se podle pravidel ISC (Salvador, 1994; Murphy a Salvador, 1999). Tyto jednotky se určují zejména podle paleontologického obsahu jednotlivých vrstev a mohou mít stejný nebo odlišný litologický charakter. Obsahují fosílie, které se vyskytovaly v určitém období, čímž toto období časově vymezují a odhalují evoluční změny během geologického času. Pro biostratigrafii jsou vymezeny následující kategorie: biozóna (obecný termín pro všechny biostratigrafické jednotky; může vymezovat jednu vrstvu nebo vrstevní sled; podle potřeby se může vymezit superbiozóna či subbiozóna), biohorizont (představuje stratigrafickou hranici, povrch či místo styku dvou jednotek, kde proběhla změna bioty), sterilní zóna (intervaly bez fosílií mezi nebo uvnitř zón). Biozóny se nehierarchicky rozdělují na pět běžně používaných druhů: zóna rozsahu (z. r. taxonu ohraničená prvním a posledním výskytem určitého taxonu; z. společného rozsahu určená souběžným, shodným nebo překrývajícím se rozsahem dvou taxonů), intervalová zóna (horninové těleso mezi dvěma určenými biohorizonty), zóna společenstva (sled vrstev obsahující společenstvo tří a více taxonů, kterými se liší od jiných vrstevních společenstev), zóna hojného výskytu (interval 17
s hojným výskytem daného taxonu či společenstva), evoluční zóna (obsahuje druhy reprezentující určitou část vývojové linie). Fosílie v biostratigrafických jednotkách hrají důležitou roli při korelaci sedimentů. Důležitým prvkem při vymezování biostratigrafických jednotek jsou vůdčí zkameněliny (indexové fosílie). Vůdčí zkamenělina je druh zkameněliny, který je pro danou část vrstevního sledu na více profilech (většinou od sebe vzdálených) charakteristický (viz obrázek 1). Nedostatek jejich nálezů znesnadňuje určení biostratigrafických jednotek. Biostratigrafie je tak založena na stratigrafickém zákoně stejných zkamenělin. Biostratigrafické metody jsou aplikovatelné zejména od období kambria až do současnosti. Obr. 1: Vůdčí zkameněliny pro jednotlivé periody (se svolením U.S. Geological Survey) 18
Magnetostratigrafie Magnetostratigrafie je metoda, která vychází z poznatku, že horniny si zachovávají získané magnetické vlastnosti z doby svého vzniku, přičemž během vývoje Země u nich docházelo k neperiodickému přetočení polarity geomagnetického pole. Právě toto přepólování umožňuje řadit sedimentární nebo magmatické vrstvy hornin do intervalů určených směrem magnetického pole hornin. Podle toho se vytvářejí magnetostratigrafické jednotky polarity, přičemž základem je zóna polarity. V případě potřeby se může členit na subzónu polarity nebo seskupovat do polaritních superzón. Rozlišujeme normální (shodnou se současnou polaritou Země; magnetizace směřující k severnímu pólu Země) a reversní polaritu (obrácenou o 180 ). Magnetostratigrafická korelace pak vychází ze srovnávání podle dané polarity. Lze tak celosvětově srovnávat časové roviny nezávisle na faciích. Co se týče magmatických hornin, ty si po utuhnutí uchovávají magnetickou polaritu v souladu s geomagnetickým polem, které bylo v čase utuhnutí (takto zformovanou magnetizaci nazýváme termální remanentní magnetizací). V případě zvětrání a eroze vyvřelého tělesa se částečky takto uvolněných minerálů usazují a stáčí se ve směru geomagnetického pole jako tyčové magnety (tento typ magnetizace nazýváme suťová remanentní magnetizace). Při zvětrávání také dochází k vypouštění železa z horniny do podzemních vod, kde může dojít k jeho vysrážení například na hematit. Takto vzniklý minerál získává magnetizaci, která je souhlasná s geomagnetickým polem při jeho vzniku (toto nazýváme chemická remanentní magnetizace). Poslední typ remanentní magnetizace však není relevantní pro stratigrafické účely, neboť k uvolňování železa (a vzniku hematitu) může docházet kdykoli, čili spojitost s dobou, kdy se dané horniny formovaly, je velmi malá (Prothero a Schwab, 2004). Pro měření intenzity a směru magnetického vektoru se používá magnetometr. Na základě měření pak vzniká série vzorků podávající informace o intenzitě a směru geomagnetického pole odpovídajícího době formování. Takto získané výsledky přispívají k vytvoření magnetostratigrafické časové tabulky. Magnetická stratigrafie umožňuje velmi přesnou celosvětovou korelaci 19
poté, co dojde k propojení lokálního záznamu polarity se záznamem globální časové stupnice polarity. Důvodů je hned několik: přepólování se děje celosvětově, je nezávislé na faciích a litologickém charakteru, korelace je možná pro hlubokomořské sedimenty a pevninské horniny, přepólování se v geologickém měřítku děje téměř okamžitě (4000-5000 let) (Prothero a Schwab, 2004). Jelikož je přepólování zaznamenáno v celém horninovém záznamu, nemůže být použito na datování jednoho vzorku. Z toho důvodu mohou být korelovány jen dlouhé horninové sekvence s výraznou délkou zóny polarity. Pro správné geochronologické umístění zón polarity je však zapotřebí spolupráce s biostratigrafií či radiometrickým datováním, které vyjádří příslušný časový úsek (Prothero a Schwab, 2004). Nejvhodnější pro magnetosratigrafii jsou zejména období kenozoika a spodní křídy a pak také trias, jura a svrchní karbon, neboť docházelo k rychlým změnám polarity. Období pozdní křídy je naopak charakterizováno dlouhým úsekem stability (normální polarita po 36 Ma), stejně tak období pozdního karbonu (reversní polarita po 70 Ma) a nejsou tak příliš vhodné pro magnetostratigrafii (Prothero a Schwab, 2004). Stratigrafická korelace Stratigrafická korelace se zabývá spojováním, porovnáváním a časovým srovnáním opěrných stratigrafických profilů na různých místech, a je tak důležitým nástrojem pro vytváření relativních časových stupnic na celém světě. Její hlavní úkoly zahrnují stanovení posloupnosti sledu vrstev v dolech, vrtech a terénu a určení časové posloupnosti těchto vrstev. Litostratigrafická korelace se zabývá korelací stejných horninových jednotek, které již nejsou kontinuální. Podle dostatečného množství rozlišitelných vrstev v opěrných stratigrafických profilech je tak možné laterálně rekonstruovat litostratigrafické jednotky. Časově stratigrafická korelace pak využívá ke srovnávání vzdálených vrstev převážně jejich fosilní obsah (vhodné pro horniny fanerozoika; nevhodné pro prekambrium z důvodu malého množství fosilního obsahu). Pro snadnější korelaci je důležitá přítomnost tzv. vůdčího stratigrafického horizontu, který 20
je snadno odlišitelný od ostatních vrstev a zaujímá v dalších opěrných stratigrafických profilech přibližně stejné místo. Opěrné stratigrafické profily studovaných oblastí slouží ke stanovení posloupnosti vrstevního sledu, které se graficky vyjadřují ve stratigrafických sloupcích. Stratigrafické sloupce se pak používají ke srovnávání a korelaci jednotlivých opěrných profilů. Výstupem jsou definice stratigrafických jednotek, které se zařadí do stratigrafické stupnice. Stratigrafická korelace se dá použít pro všechny podobory stratigrafie. 2.1.2. Paleontologie Paleontologie se začala rozvíjet nejprve jako pomocná geologická věda a do 19. století byla zaměřena víceméně na popis zkamenělin. Koncem 19. století vnesl G. Cuvier do paleontologie vědečtější přístup k fosíliím srovnáním jejich anatomie s anatomií současných živočichů, což přispívá k jejich výkladu a určení, navzdory nekompletnímu záznamu fosílií (stanovil tzv. korelační zákon, od kterého se odvíjí toto srovnávání). Ve stratigrafii začaly mít fosílie značný význam po objevu W. Smitha, který zjistil, že podle zkamenělin je možno korelovat vrstvy a určovat jejich stáří. Dnes je paleontologie samostatnou vědou, která v geologickém záznamu zkoumá zachovalé zbytky organismů a projevy jejich života spojené s jejich výskytem v minulosti. Podává odpovědi na otázky jak v biologické (ontogeneze, fylogeneze, ekologie, botanika, zoologie), tak v geologické sféře (procesy fosilizace, biostratigrafie). Paleontologie se dělí na mnoho podoborů, jako např. paleozoologie (paleontologické studium živočichů), paleobotanika (paleontologické studium rostlin), mikropaleontologie (studium mikroskopických fosílií), paleoekologie (paleontologické studium tehdejších ekosystémů a životního prostředí), ichnologie (studium stop fosilních organismů) a další. Význam paleontologie ve spojení s určováním geologického času spočívá především v propojení s výše popisovanou biostratigrafií. Paleontologické výzkumy poskytují pro biostratigrafické potřeby zejména informace o stáří uloženin na základě fosílií, které obsahují, a umožňují tak mezi sebou srovnávat více či méně oddělené oblasti. 21
2.2. Sedimentární geologie Zabývá se studiem sedimentárních hornin, procesů se sedimentací spojených, obsahem sedimentů a podmínkami sedimentace. Je tedy úzce spojená se stratigrafií (zvl. litostratigrafií a biostratigrafií) a korelací horninových vrstev. Soubor vlastností sedimentů nazýváme facie. Na základě těchto vlastností se jednotlivé facie analyzují a klasifikují do různých kategorií (geografické, petrografické, biologické, paleontologické, tektonické). Podle doby jejich vzniku a vlastností rozlišujeme facie izopické (ty samé facie, které se ukládaly současně na různých místech) a facie heteropické (různé facie, které vznikaly ve stejné době na různých místech). Dále se facie dají studovat horizontálně (přechod usazenin jednoho rázu k dalšímu rázu např. u skalnatého břehu se nejprve usazují hrubé sedimenty a postupem dále se zjemňují až po bahnitý písek) a vertikálně (čímž se dají vypozorovat náhlé nebo pozvolné změny podmínek při usazování). To vše přispívá k objasnění podmínek, prostředí a časových vztahů, v jakých sedimentace probíhala (Bouček a Kodym, 1958). 2.3. Strukturní geologie Zabývá se studiem vnitřní i vnější struktury hornin a horninových těles, jejich deformací, deformačních mechanismů a geologických procesů, které vedly ke vzniku různých geologických struktur. Jednou z používaných metod je strukturní analýza horninových těles, která je úzce spojena se znalostí stratigrafie (a tedy stáří) daného vrstevního souboru. S její pomocí lze rozlišit, zda se vrstva nachází v normální či překocené poloze a také definovat stáří strukturotvorných procesů. Strukturní geologie tak přispívá k porozumění podmínek, které doprovázely formování horninových těles, a k pochopení geologického vývoje Země a časového trvání jednotlivých geologických procesů. Strukturní geologie je dále propojená zejména s geomorfologií, geofyzikou a ložiskovou geologií (Jaroš a Vachtl, 1992). 22
3. Zaznamenávání historie planety Země 3.1. Chronostratigrafie Stratigrafická metoda, která se zabývá studiem časových vztahů a stáří hornin. Úkolem chronostratigrafie je vymezení chronostratigrafických jednotek pomocí stratotypů. Chronologický sled těchto jednotek vytváří chronostratigrafickou, tedy časově stratigrafickou, stupnici. K jejímu podrobnějšímu propracování výrazně přispěl objev přirozené radioaktivity prvků, což obohatilo chronostratigrafickou stupnici o podrobnější časové údaje absolutního datování. 3.1.1. Chronostratigrafické jednotky Chronostratigrafické jednotky jsou sledy hornin, které se zformovaly v určitém časovém intervalu specifického geologického období, přičemž jejich hranice jsou isochronní. Tyto jednotky tak vymezují určité časové intervaly. Takto vymezené časové intervaly se využívají pro časovou korelaci. Do chronostratigrafického systému jsou podle toho zařazována jednotlivá geologická tělesa a události. Chronostratigrafické jednotky mají konkrétní význam (jsou hmatatelné), což znamená, že jim odpovídají sledy vrstev a geologická tělesa určitého období a zahrnují všechny horniny vzniklé v daném období. Naproti tomu jsou geochronologické jednotky, které mají význam časový (nejsou hmatatelné, tedy nehmotné), takže v geologické historii Země reprezentují určité časově vymezené období. Nejsou to tedy stratigrafické jednotky v pravém slova smyslu. V tabulce 2 jsou znázorněny chronostratigrafické a tomu odpovídající geochronologické jednotky. Blíže jsou tyto jednotky popsány např. v ISG (Salvador, 1994; Murphy a Salvador, 1999; WEB 1). 23
Tab. 2: Chronostratigrafické a tomu odpovídající geochronologické jednotky CHRONOSTRATIGRAFICKÉ JEDNOTKY GEOCHRONOLOGICKÉ JEDNOTKY PŘÍKLAD Eonotém Eon Fanerozoikum Eratém Éra Kenozoikum Útvar Perioda Paleogén Oddělení Epocha Oligocén Stupeň Věk Chattian Podstupeň Subage Eochattian Mezi stratigrafickými jednotkami jsou tyto nejvýznamnější. Nejnižší kategorií je zde podstupeň (substage), na který se v případě potřeby dělí stupeň. Místo podstupně se dříve používal pojem chronozóna, která je však podle nové stratigrafické příručky (Salvador, 1994; Murphy a Salvador, 1999) zařazena jako neformální chronostratigrafická jednotka. Při aplikaci a korelaci chronostratigrafických jednotek se věnuje zvýšená pozornost radiometrickému stáří, zejména toleranci analytických chyb, která by neměla být větší než 0,2 %. 3.2. Geologická časová stupnice Geologická časová stupnice (GTS geological time scale) udávající posloupnost a stáří jednotlivých geologických období byla formována již od 1. poloviny 19. století. Základy byly postaveny především na zákonech superpozice a stejných zkamenělin. Průkopníky byli Adam Sedgwick (1785-1873), který popsal kambrický systém severního Walesu a Sir Roderick Impey Murchison (1792-1871), který popsal systém siluru jižního Walesu. Po zveřejnění obou prací bylo zjištěno, že hranice těchto dvou systémů se překrývají. S rozřešením přišel až v 2. polovině 19. století Charles Lapworth (1842-1920), který překrývající se části přiřadil k ordoviku, čímž vytvořil další nový systém. Všechny tři systémy byly podrobně popsány a zahrnovaly fosílie 24
typické pro každý z nich. Postupně byly popisovány i ostatní systémy, podle kterých byla chronologicky sestavována geologická časová stupnice popisující relativní stáří. Stratigrafie tak dostala řád, který se postupně rozvíjel s určováním a definováním jednotlivých stratigrafických jednotek, jak je známe dnes. O konkrétní časové údaje byla postupně doplněna až po objevu radioaktivity za použití radiometrických metod (Wicander a Monroe, 2010). Geologická časová stupnice byla stále doplňována a rozšiřována o nové geologické poznatky, až do současné podoby. Renovování časové stupnice se v dnešní době řídí mezinárodními standardy schválenými ICS podléhající IUGS. Velmi obsáhlá publikace, která nejaktuálněji podrobně popisuje a ilustruje (v podobě časových stupnic) historii naší Země se nazývá The Geologic Time Scale 2012 (Gradstein et al. 2012) (vylepšené a doplněné vydání A Geologic Time Scale 2004 (Gradstein et al. 2004)). V tabulce 3 je část schématu nejnovější GTS pro rok 2013. Celkový přehled pro rok 2013 je možno shlédnout na webu ICS (viz WEB 6). 25
Paleogén Fanerozoikum Kenozoikum Neogén Kvartér Tab. 3: Část schématu GTS 2013 Vysvětlivky: chronologická j. /geochronologická j.; 1 Eonotém/Eon, 2 Eratém/Éra, 3 Systém/Perioda, 4 Útvar/Epocha, 5 Stupeň/Věk. Epocha Holocénu zahrnuje současnost (upraveno podle GTS 2013). 1 2 3 4 5 SPODNÍ VĚKOVÁ HRANICE (Ma) Holocén 0,0117 Svrchní 0,126 Střední 0,781 Pleistocén Calabrian 1,806 Gelasian 2,588 Pliocén Miocén Oligocén Eocén Paleocén Piacenzian 3,600 Zanclean 5,333 Messinian 7,246 Tortonian 11,62 Serravalian 13,82 Langhian 15,97 Burdigalian 20,44 Aquitanian 23,03 Chattian 28,1 Rupelian 33,9 Priabonian 38,0 Bartonian 41,3 Lutetian 47,8 Ypresian 56,0 Thanetian 59,2 Selandian 61,6 Danian 66,0 26
4. Historický vývoj určování času v geologii Stáří hornin a Země bylo již od nepaměti zájmem mnoha badatelů. Ti však do začátku 20. století neměli k dispozici uspokojivé metody pro měření tohoto času a časových intervalů. Již v 17. století se začaly formovat metody relativního datování. Určení relativního stáří hornin však postupem času nebylo pro vyspělou vědu dostačující, a proto se v 19. století začaly provádět více či méně dokonalé pokusy, které by vedly k určení absolutního stáří Země (Cambel, 1964). 4.1. Vývoj relativního datování Nicolas Steno (1638-1686) je jedním z hlavních průkopníků zákonů relativního datování. Část svého života pobýval v Toskánsku, kde prováděl své terénní výzkumy a kde se také jako první pokusil o rekonstrukci geologických vrstev. Na základě jeho bádání vyvodil několik geologických souvislostí, na kterých postavil i zákon superpozice. Tyto geologické souvislosti jsou následující: sedimenty se ukládaly nejprve vodorovně a až později docházelo k jejich narušení princip primární horizontality; starší vrstvy leží pod mladšími zákon superpozice; sedimenty se rozšiřují laterálně všemi směry princip laterální kontinuity (Mortenson, 2006). William Smith (1769-1839) je další významná osoba geologie, která se zapříčinila o vznik dalšího zákona: zákon stejných zkamenělin. Smith založil své výzkumy na probádání mnoha dolů, ve kterých se zaměřoval především na fosílie vyskytující se v jednotlivých vrstvách. Na základě toho pochopil, že podle výskytu fosílií se od sebe jednotlivé vrstvy dají spolehlivě odlišit. Toto zjištění nebylo novinkou pro pracovníky v dolech, neboť právě oni využívali zejména fosílií k rozlišování jednotlivých vrstev při své práci. Všiml si také, že v různých dolech se sekvence vrstev shodují se sekvencemi v jiných dolech. Na jednom setkání zemědělců se Smith seznámil se sběratelem fosílií Benjaminem Richardsonem, který mu umožnil svoji sbírku fosílií podrobněji prostudovat. Jelikož Richardson neměl ponětí o tom, z které vrstvy jaká fosílie pochází, Smith se nabídl, že se pokusí sestavit fosílie, podle toho do jaké vrstvy náležejí. Smith byl s tímto úkolem velmi rychle hotov, což zapůsobilo 27
na Richardsona, který se pak spolu s Josephem Townsendem zapříčinil o ověření Smithových znalostí. Vybrali si proto jeden kopec v anglickém městě Bathu a po Smithovi chtěli, aby předpověděl, jaké vrstvy a v nich obsažené fosílie zde leží, což také udělal. Všichni tři společně pak lokalitu prozkoumali, a potvrdili tak Smithovu předpověď. Podle toho pak roku 1799 sestavili tabulku s názvem: Pořadí vrstev a jejich vložených organických zbytků v okolí Bathu; zkoumáno a předem dokázáno v roce 1799. Toto poznání bylo mezníkem v pochopení historie Země a schopnostech jejího časového vyjádření. Na základě unikátních fosílií, které byly charakteristické pro určité vrstvy, se pak začaly formulovat časové jednotky. Později se tento princip využil k vytvoření základních jednotek časové stupnice (Mackenzie, 2005). James Hutton (1726-1797) na základě svých pozorování postavil základy pro princip uniformitarismu (aktualismu), které pak Charles Lyell (1797-1875) ve 30. letech 19. století dovedl do konce uveřejněním své knihy: Principles of geology (1830). Tento princip se stal filosofií geologie, neboť říká, že přírodní zákony byly po celou dobu konstantní a veškeré procesy probíhající dnes, probíhaly i v minulosti (i když nemusely probíhat ve stejné intenzitě). Dále se Hutton zapříčinil o zavedení principu protínání geologických těles, který říká, že magmatické intruze protínající jiné horninové těleso jsou mladší (Wicander a Monroe, 2010). Všechny tyto poznatky (zákon superpozice, zákon stejných zkamenělin, princip primární horizontality, princip laterální kontinuity, uniformitarismus a princip protínání geologických těles) se staly základem pro určování relativního času a sestavení historie Země (Wicander a Monroe, 2010). 4.2. Pokusy o stanovení stáří Země a vývoj absolutního datování Již ve starověkém Řecku čtyři století před Kristem se filozofovalo o původu Země v mýtickém a nadpřirozeném pojetí. Během 5. až 6. století n. l. se rozvíjelo pojetí o biblickém vzniku světa spojované s Noemovou potopou světa, které se přičítaly i objevené fosílie. Různé obecněji přijímané teorie o původu světa, hornin a organismů se začaly formulovat teprve okolo 17-19. století. Jedním z prosazovatelů biblického stáří Země byl např. James 28
Ussher (1581-1656), který stáří stanovil podle studia bible na 4004 let. Do 18. století panovalo silné přesvědčení (podporováno např. i N. Stenem), že Země je stará několik tisíc let a odpovídá biblickému stvoření světa. Až koncem 18. století se začala prosazovat teorie staré Země (např. geologové J. E Guettard (1715-1786), N. Desmarest (1725-1815), C. de Buffon (1707-1788) či G. Arduino (1714-1795)) a biblické pojetí začalo ustupovat do pozadí (Mortenson, 2006). O určení absolutního věku Země se více začali zajímat vědci 19. století. Objevovaly se nejrůznější teorie, které však byly dříve či později vyvráceny. Relevantní odpovědi přineslo až radiometrické datování v polovině 20. století. Podkladem pro rozvoj radiometrického datování byl objev radioaktivity na začátku 20. století. Tento objev učinili za své spolupráce manželé Curieovi spolu s Henri Becquerelem 10 (1852-1908), za který dostali v roce 1903 všichni tři Nobelovu cenu za fyziku. O stanovení stáří Země na základě určení doby, za kterou se těleso o velikosti Země ochladilo, až se zpevnilo do současné podoby, se pokusil již v 2. polovině 18. století Comte de Buffon. Ten stáří Země stanovil na 75 000 let (Burchfield 1998). Na podobném principu se pokusil stáří Země určit Lord Kelvin. Teorie Lorda Kelvina (William Thomson; 1824-1907) vycházela z faktu, že se vzrůstající hloubkou pod zemským povrchem narůstá také teplota. Konkrétně (podle Kelvina) v rozmezí od 1/110 do 1/15 stupně Fahrenheita na stopu 11 do hloubky Země. Pro své výpočty vybral střední hodnotu, tj. 1/50 stupně Fahrenheita na stopu do hloubky Země (tedy 36 C na kilometr). Na základě tavících pokusů na horninách předpokládal, že na počátku byla Země roztavené těleso o teplotě 3 871 C (7 000 F). Hodnoty pro termální difuzivitu korového materiálu zjistil laboratorním měřením. Na základě těchto pozorování určil stáří Země v rozmezí od 24 Ma do 400 Ma. Výpočet udával dobu, za kterou se těleso o velikosti Země ochladilo tak, aby dosáhlo současného povrchového teplotního gradientu Země. V roce 1897 Lord Kelvin 10 Po H. Becquerelovi je pojmenována jednotka radioaktivity - becquerel. 11 1 stopa = 30,48 cm. 29
ustanovil konečné stáří Země na 20 milionů let (England et al. 2007; Lienhard, 2008). V době, kdy Kelvin stanovoval stáří Země, nepočítal s teplem, které vzniká při rozpadu radioaktivních prvků. To však nebylo příčinou jeho chybných výpočtů. Na skutečnou chybu v Kelvinových tvrzeních poukázal jeho asistent John Perry (1850-1920) ještě před objevením radioaktivity jako zdroje tepla. Podle Kelvina termální gradient u povrchu Země klesal spolu s rostoucím věkem, jak se zpevňovala ochlazená vrchní vrstva kůry. V případě stáří Země více než 100 milionů let by tato vrchní vrstva byla natolik tvrdá, že by byl teplotní gradient příliš nízký a neshodoval se tudíž s vypozorovanými hodnotami. Perry přišel s tím, že pokud by byla v pevném stavu pouze vnější vrstva Země a uvnitř by byla proudící tekutina (tzv. fluidum) o vysoké teplotě, která by byla vesměs dobře promíchána a o stejné teplotě, mohl by teplotní gradient na povrchu Země zůstat po dlouhou dobu vysoký. Nitro Země by tak představovalo velkou zásobárnu tepla udržující vysoký teplotní gradient po delší dobu, a Kelvinův odhad stáří Země by byl tedy příliš nízký (England et al. 2007). Za předpokladu tloušťky zemské kůry o velikosti 50 km a tekutém obsahu pod touto kůrou Perry vypočítal, že by stáří Země mohlo být v rozmezí od 2 do 3 miliard let, což se značně přiblížilo současnému určení stáří Země (4,5 Ga). Perryho určení stáří Země však nebylo vědeckou společností obecně přijato, protože jednak zpochybňoval Lorda Kelvina, jehož autorita byla značnější, a také proto, že lidé zajímající se o stáří Země jeho teorii zcela nepochopili (England et al. 2007). Někteří vědci se stáří Země pokusili vypočítat na základě rychlosti sedimentace, tedy vycházeli z předpokladu, že stáří je přímo úměrné tloušťce sedimentů. Rychlost sedimentace ale nemohla být určena přesně, mohla se jen odhadovat. Další problém byl v neúplnosti geologického záznamu pro tyto potřeby a v procesech eroze působících na vrstvy. Nicméně na tomto principu stanovil Samuel Haughton (1821-1897) stáří Země nejprve na 2 300 Ma, přičemž počítal s tím, že 1 stopa oceánského dna se usadila za 8 616 let. Toto stáří bylo po Kelvinově přibližném výpočtu stáří (24-400 Ma let) nepřijímané, a tak Haughton roku 1878 toto stáří přepočítal na 200 Ma (Lewis, 2002). 30
Dalším z vědců, který se pokusil zjistit stáří Země, byl John Joly (1857-1933), jehož článek pojednávající o věku Země byl roku 1899 publikován v časopise The Scientific Transactions of the Royal Dublin Society (Nudds 1986; Jolly, 1899). Z předchozích světových poznatků, jako je několikakilometrová jednotná tloušťka sedimentů nebo důsledky ustoupení a opětovného zaplavení pevniny mořem, bylo Jolymu zřejmé, že stáří Země je pozoruhodně obrovské. Zbývalo jen určit tomuto stáří číselné vyjádření. Jeho teorie byla založena na tom, že oceán si udržuje veškeré množství sodíku, které do něho přivedly řeky spolu se solí, která se dostala do oceánů vymýváním z hornin a vlivem počasí na horninová tělesa. Horniny byly touto formou degradace převáděny do sedimentární podoby. Podle Jolyho byl tedy prvotní oceán sladkovodní jezero, přičemž zde byla malá pochybnost o této teorii vznik zemské kůry pomalým ochlazováním mohl zapříčinit salinitu vody v oceánu, ale jen v relativně malém množství. Předpokladem Jolyho teorie také bylo, že horninové sedimenty jsou cyklické, tudíž putují z moře na pevninu a zase zpět. Odhadovalo se, že 25 % kontinentálního povrchu je tvořeno archeálními a vyvřelými horninami, zbylé množství pak představovaly sedimenty. Joly také předpokládal, že dodávané množství sodíku za rok je konstantní. Celkové množství sodíku v oceánu odhadoval na 14 151.10 12 tun a množství každoročního přísunu sodíku do oceánu na 157 267 544 tun. Na základě jednoduchého vydělení těchto dvou hodnot získal geologické stáří Země, které odpovídalo 90 milionům let. Jeho následující výpočty jinými metodami přinesly výsledky, které jsou v současnosti považovány za přesnější. K tomu si Joly sestrojil různé pomůcky, např. frakcionační dešťové měřidlo (fractionating rain gauge), které během deště stanovovalo rozdíly rozpuštěných solí v dešťové vodě. Tak mohl vypočítat, kolik soli se pravděpodobně dostalo do atmosféry z moře (Joly, 2005; Nudds, 1986). Novozélandský fyzik 1. poloviny 20. století Ernest Rutherford (1871-1937) se také intenzivně zajímal o radioaktivitu prvků a na základě svých pozorování popsal a pojmenoval tři druhy záření alfa, beta a gama a charakterizoval poločas rozpadu. Radioaktivitu hornin jako první studovali Lord Rayleigh (1842-1919) a Bernard Boltwood (1870-1927), přičemž Boltwood 31
vypozoroval, že olovo by mohlo být konečným produktem rozpadové řady uranu. Britský geolog Arthur Holmes (1890-1965) předvedl první přesné radiometrické datování hornin U-Pb metodou (1911), načež o dva roky později publikoval knihu s názvem The Age of the Earth (1913), ve které prosazoval radiometrické metody oproti metodám vykládajících stáří Země ze sedimentologie vrstev a ochlazování Země. Okolo roku 1920 stanovil stáří Země pomocí radiometrie na 3000 Ma, což o 20 let později upřesnil na 4500 ±100 Ma, na základě měření relativního výskytu uranu. Přesný věk Země, založený na měření terestrických hornin, zatím nebyl určen, neboť díky cyklickým procesům deskové tektoniky byly úplně původní horniny tzv. recyklovány. Je však možné datovat určité meteority, z čehož lze odvodit stáří sluneční soustavy a za předpokladu, že planety sluneční soustavy vznikly přibližně ve stejné době, lze odvodit i přibližné stáří Země. C. Patterson (1956) stanovil mezi prvními (i nyní obecně přijímané) stáří Země U-Pb metodou na 4,55 Ga let (± 70 000 let). Výpočet prováděl na základě studia meteoritů (meteorit Canyon Diablo). Pozdější výpočty udávají stáří kolem 4,45 Ga a jsou zaměřené především na formování zemského jádra, uzavírání Xe systému (poměr isotopů Xe se využívá pro studium formování sluneční soustavy) a tvorbu nejmladší kůry různými radiometrickými metodami. Více o této problematice pojednává např. Zhang (2002) či Allegre, Manhes a Göpel (2008). Nejstarší terestrické horniny nalezené na zemském povrchu, které vykazují vysoké stáří (např. acastská rula [4,03 Ga], formace Isua [3,7-3,8 Ga], krystal zirkonu ze západní Austrálie [4,3 Ga]), podávají svědectví o tom, že Země vznikla daleko dříve, než byly zformovány, neboť se jedná o lávové proudy a sedimenty mělkých vod. 32
5. Metody určování času v geologii V geologii rozlišujeme v nejširším pojetí dvě skupiny metod, podle kterých jsme schopni zjistit časové údaje jednotlivých geologických pochodů na Zemi. Jedná se o metody relativní a absolutní. Relativní metody datování hornin nám podávají informace především o tom, která hornina, vrstva nebo souvrství je mladší či starší a v jakém stratigrafickém období se mohly vyskytovat. Naproti tomu metody absolutního datování nám poskytují přesnější číselné údaje o stáří určité horniny. 5.1. Relativní datování Relativní datování stojí před zavedením radiometrických metod, kdy se nedal spolehlivě určit absolutní čas pro určitou geologickou událost. Tyto události byly řazeny sekvenčně, ale tehdejší geologové nemohli s určitostí podat informace o tom, před jakou dobou se udály. Již od 17. století byly pozorovány určité zákonitosti v uložení vrstev, v jejich protínaní a v jejich obsahovém složení, což přispělo k formulování zákonů a principů relativního datování. Na základě těchto zákonů byli geologové schopni interpretovat geologickou historii Země a sestavit stupnici relativního geologického času (Wicander a Monroe, 2010). Při popisování následně uvedených zákonů a principů relativního datování jsem vycházela především z publikací od Kumpery a Vašíčka (1988) a Boučka a Kodyma (1963). 5.1.1. Zákon superpozice Princip tohoto zákona objevil Nicolas Steno již v 17. století, ale do geologie ho zavedl až později A. G. Werner (1749-1817). Princip zákona spočívá v posloupnosti vrstev a platí pro normální vrstevní sledy, které nebyly tektonicky výrazněji porušeny. Zákon říká, že vrstvy mladší jsou uloženy nad vrstvami staršími. Takto lze vrstvy mezi sebou srovnávat a řadit je podle tzv. relativního stáří. Ve vrstevním sledu mohlo vlivem tektoniky dojít k překocení či převrácení vrstevního sledu, což znamená, že se mladší vrstvy dostaly pod starší. Zjištění takového pozměněného sledu od sledu normálního je mnohdy velmi obtížné. Celý proces studia vrstev pak ztěžuje skutečnost, 33