Geoloogilise ajaskaala ajalugu ja ajastute kujunemine

Selles artiklis kirjeldatakse geoloogilise ajaskaala ajalugu. Geoloogiline ajaskaala on teaduslik raamistik, mis jagab Maa ajalugu hierarhilisteks üksusteks (eonid, ajastud, perioodid, epohhid ja ajastud/vanused) ning võimaldab seostada kivimeid, fossiile ja geoloogilisi sündmusi nii suhteliselt (kes on eelneja) kui ka absoluutse vanuse alusel (aastad). Stratigraafia kirjeldab kivimikihtide järjestust ehk kronostratigraafiat, geokronoloogia aga mõõdab ajavahemikke ja arvutab kivimite absoluutset vanust.

Põhimõtted ja varajane ajalugu

Geoloogilise ajaskaala alused pani 17. sajandi lõpul paika Nicolaus Steno. Ta rõhutas, et kivimikihtide (kihtide) ladestumine toimub järjestikku, ning sõnastas olulisi printsiipse nagu superpositsioon, originaalse horisontaalsuse ja lateraalse jätkusuutlikkuse ideed. Steno superpositsiooniprintsiip on säilinud sõnastuses: iga kiht on tõenäoliselt vanem kui tema kohal olevad kihid ja noorem kui tema all olevad kihid. Lisaks on tähtsad printsiibid nagu lateraalne ühtsus ja ristuvad suhted (cross-cutting relationships), mis aitavad määrata kivimite järjestust olukordades, kus kihid on deformeerunud või ülekatnud.

Kuid lihtsad printsiibid ei selgita kõike: kivimite ajalugu võib olla keeruline. 18. sajandil märgati, et

1. kihi jadad olid pärast ladestumist sageli erodeerunud, katkendlikud, kallutatud või ümberpööratud;
2. samal ajal erinevates piirkondades ladestunud kihid võivad erineda koostise ja väljanägemise poolest;
3. üksik regiooni kihistik esindab vaid osa Maa pikkast ajaloost ning täpsemaks pildiks tuleb kihte korreleerida kaugemate aladega.

Teooriate konkurents ja XIX sajandi edusammud

18. sajandi lõpu ja 19. sajandi alguse geoloogias tekkisid vastandlikud teooriad kivimite tekkest. Abraham Werner ja tema koolkond pakkusid neptunistlikku seletust, mille kohaselt olid paljud kivimid sadestunud suurest üleujutusest (tõlgendati kui merevee tekkest pärinevat sadestust). Werner jagas maakoore kivimid neljaks tüübiks: Primaarne, sekundaarne, tertsiaarne ja kvaternaarne.

Vastukaalu tõi Šoti arst ja geoloog James Hutton, kes oma loengutes ja trükises "Theory of the Earth" (Theory of the Earth) tutvustas ideed, et Maa sisemus on kuum ja et sisemine soojus (vulkanism, diagenesis) on oluline mootor uute kivimite teke‑tasandamisel; see suund sai tuntuks plutoonismina. Huttoni mõtted aitasid mõista, kuidas setted uuesti maaks tõusevad ning kuidas pikad protsessid kujundavad maapinda — tema tööd olid olulised üleminekul lühiajaliste katastroofiliste seletuste juurde pidevate ja järjepidevate protsesside (uniformitarianism) tõlgendamisele.

19. sajandil arenesid välja meetodid kihtide identifitseerimiseks fossiilide järgi. William Smith ja paljud teised näitasid, et teatud fossiilide rühmad korduvad korduvalt ja neid saab kasutada kihistute korrelatsiooniks; see on nn indikaatorfossiilide ehk faunal succession'i põhimõte. Georges Cuvier rõhutas, et paljusid geoloogilisi muutusi selgitavad suured katastroofilised sündmused (katastroofiliste sündmustega), mistõttu erinevate fossiilifaunade järjestikune väljendumine võiks peegeldada korduvaid muutusi ja väljasuremisi (väljasuremise). Cuvier leidis, et Maa ajaloos on toimunud korduvalt faunade asendumine (faunade järjestus).

Briti geoloogid olid väga aktiivsed perioodide nimetamisel ja korrelatsioonis; mitmed nüüd ajalooliseks saanud ajaperioodide nimed (nt "Kambrium", "Ordoviitsium", "Silur") pärinevad Walesi kivimite uurimisest. Näiteks "Kambrium" on tuletatud Walesi piirkonnast; "Devoni" sai nime Devoni krahvkonna järgi; "Carboniferous" tulenes söekihtidest ehk vanast terminist "The Coal Measures"; ja "Permi" määratles šoti geoloog Roderick Murchison, kasutades Permi (Venemaa) alade kihtkondi. Selliselt paiknevate kivimite huvides loodi ka suuremad rühmitused nagu ajastud ja epohhid.

Stratigraafia, radiomeetria ja XX sajand

19. sajandi lõpuks olid geoloogid ja paleontoloogid loonud suhtelise geoloogilise tabeli, mis põhines kivimite ja fossiilide suhtelistel seostel. Nad hindasid ka erinevaid protsesse (ilmastikutingimused, erosioon, settimine) ning püüdsid hinnata, kui kaua kulus setete tekkest kuni kivimiks muutumiseni.

Suurema läbimurde tõi radioaktiivsuse avastamine ja selle kasutuselevõtt geoloogias: radiomeetriline dateerimine (radiomeetrilise dateerimise) 20. sajandi algusest võimaldas kivimite absoluutset vanust määrata. Selle abil määrati täpsemalt ka Maa vanus ja hakati kvantitatiivselt siduma suhtelisi ajavahemikke konkreetsete aastamääradega. Arendati mitmeid meetodeid (nt U–Pb, K–Ar/Ar–Ar, Rb–Sr ja 14C), mida kasutatakse sõltuvalt vanusest ning mineraalidest.

20. sajandi keskel mõjutas geoloogide maailmapilti ka plaattektoonika teooria: mandrite ja ookeanide paigutuse muutumine ajas aitas seletada paljude kivimite, fossiilide ja settestike leviku mustreid ning võimaldas täpsemalt rekonstrueerida paleogeograafiat ja kliima tingimusi möödunud ajajärkudel.

Tänapäevane standardimine: GSSP ja rahvusvaheline koostöö

Tänapäeval koordineerib geoloogide töö standardimist Rahvusvaheline Stratigraafiakomisjon (International Commission on Stratigraphy, ICS). Üks põhimõtteid on piiride ja ajavahemike täpne definitsioon reaalsete kivimikihtide ja -sektsioonide kaudu. Need globaalsed referentspunktid nimetatakse globaalseteks piiristratotüüpseteks lõikudeks ja punktideks (GSSP — Global Boundary Stratotype Section and Point). GSSP-id määratakse tavaliselt mingiselt hästi säilinud sektsioonilt, kus piir on tähistatud selge biostratigrafilise sündmuse (nt mingi indikaatorfossiili esmakordne ilmumine), keemilise muutuse (näiteks süsinikuisotoopide nihke), magnetilise reversiooni või muu säiliva markeriga ning kus see on võimalik dateerida radiomeetriliselt.

Lisaks biostratigraafiale kasutatakse tänapäeval ka muud tüüpi stratigraafilisi tööriistu: keemilist stratigraafiat (chemostratigraphy), magnetostratigraafiat, sequence stratigraphy't ja teisi meetodeid, mis koos radiomeetria ja paläontoloogiliste andmetega annavad võimaluse geoloogilise ajaskaala peenhäälestuseks. Eriti rasked on Precambrian-i (enne fänereotsooikumit) ja teiste vanemate osade täpsustused, kus fossiilne informatsioon on napp ja seetõttu kasutatakse sageli geokeemilisi ja geokronoloogilisi meetodeid.

Kokkuvõtlikult on geoloogilise ajaskaala kujunemine olnud protsess: lihtsatest alustest (Steno) liikus teadus läbi rivaliteetsete interpretatsioonide (neptunism vs plutoonism; catastrophism vs uniformitarianism), lisades järjest uusi vahendeid (fossiilikorrelatsioon, radiomeetria, plaattektoonika) kuni tänapäevase rahvusvahelise standardisatsiooni ja pideva täpsustamiseni. ICS-i ja rahvusvaheliste uuringute kaudu täieneb ja korrigeeritakse ajaskaalat jätkuvalt, kui uued andmed ja paremad dateerimismeetodid seda võimaldavad.