Стратиграфия

Стратиграфия – раздел исторической геологии, устанавливающий последовательность напластования толщ горных пород и их возраст в миллионах лет. Стратиграфия решает две задачи: а) расчленение осадочных и вулканогенных пород на отдельные подразделения, различающиеся литологическим составом и комплексом окаменелостей; в итоге строится стратиграфическая колонка, отражающая последовательность накопления пород; б) стратиграфическая корреляция (сопоставление) одновозрастных пород разных разрезов, завершающаяся построением геологической карты.

2.1. Методы определения относительного возраста

Существует ряд методов, показывающих какой пласт моложе, а какой древнее, но не позволяющих определить длительность накопления данных пластов, то есть количество времени. К ним относятся: стратиграфический, тектоно-стратиграфический, литолого-петрографический, геофизический, палеомагнитный и палеонтологический.

Стратиграфический метод сформулирован Николаусом Стеноном (Нильсом Стенсоном) в середине XVII века в качестве «закона Стенона». Согласно этому закону, из двух пластов, залегающих один на другом, более древним является подстилающий, а более молодым – перекрывающий. Достоинством метода является простота и наглядность. Не требуется каких-либо знаний по геологии, чтобы понять, что в обнажении А пласт 1 является самым древним, а пласт 13 – самым молодым (рис. 82). Однако этот метод неприменим при сильно нарушенном залегании пластов. При углах падения, близких к 90⁰ невозможно понять, какой пласт является перекрывающим, а какой – подстилающим. Это становится затруднительным уже при углах падения 50-60⁰ (рис. 82, обнажение Б). Кроме того, стратиграфический метод неприменим при сравнении по возрасту пластов, пространственно разобщенных разрезов, когда невозможно непосредственно проследить сопоставляемые пласты.

Б

Рис. 82. Применение стратиграфического метода

Тектоно-стратиграфический метод основан на различиях в степени метаморфизма и дислоцированности горных пород. Применяется при расчленении докембрийских отложений, накопившихся в течение огромных интевалов геологического времени и практически лишенных органических остатков.

Литолого-петрографический метод (литологический анализ), неразрывно связанный с фациальным анализом, рассматривается ниже.

Геофизические методы обычно используются для корреляции разрезов между собой, когда возраст пород определен другими методами. С помощью каротажа скважин прослеживаются по простиранию геологические границы отложений, резко различающихся электрическими, механическими и другими свойствами. Кроме того, при поисках нефтегазоносных месторождений с помощью сейсмических особенностей горных пород удается выявить участки, перспективные для разведки на нефть и газ. Палеомагнитный метод разработан в результате изучения магнитного поля Земли прошлых геологических эпох, зафиксированного в горных породах. Палеомагнитные исследования начались в середине ХХ века. К настоящему времени разработано две методики определения возраста горных пород по палеомагнитным данным: 1) на основе изучения миграции магнитных полюсов, 2) на основе перемагничивания Земли, благодаря чему Северный и Южный магнитные полюса менялись местами (геомагнитные инверсии). При миграции магнитных полюсов (рис. 83) геологический возраст анализируемой горной породы определяется в три этапа. На первом этапе выделяется вектор первичной намагниченности, соответствующийположению магнитного меридиана в момент образования данной породы. Для этого устраняется воздействие современного магнитного поля (вектор остаточной
намагниченности) и магнитных полей, имевших место в течение времени существования данной горной породы (вектор вязкой

Рис. 83. Кривые блуждания полюса в фанерозое для Европы (квадратики) и Северной Америки (кружки) при нынешнем расположении материков; C – кембрийский, 550 млн. лет; S–D – силуро–девонский, 390 млн. лет; S–C₁ – силуро–нижнекарбоновый, около 350 млн. лет; С₃ – верхнекарбоновый, 300 млн. лет; Р – пермский, 250 млн. лет; Т – триасовый; Т₁ – нижнетриасовый, 220 млн. лет; J – юрский, 150 млн. лет; К – меловой, 100 млн. лет

намагниченности). На втором этапе определяется перемещение магнитного полюса в течение предполагаемого времени существования породы. Для этой цели требуется значительное количество разновозрастных образцов, отобранных с более или менее значительной территории.

На третьем этапе определяется точка пересечения магнитного меридиана, установленного в итоге исследований первого этапа, с кривой движения магнитного полюса. Полученная точка указывает возраст анализируемой породы в единицах относительной или абсолютной геохронологии (в зависимости от градуировки кривой движения магнитного полюса). Эта методика весьма трудоемка, требует большого количества образцов, а потому не получила широкого распространения.

Геомагнитные инверсии неоднократно происходили в истории Земли, причем проявлялись неравномерно. Выделяются эпохи сгущения и разряжения инверсий. К настоящему времени на основе изучения геомагнитных инверсий построена палеомагнитостратиграфическая шкала фанерозоя России.

Результаты палеомагнитных исследований используются сторонниками мобилизма для доказательства движения литосферных плит.

Палеонтологический метод, широко используется в стратиграфии. Её отрасль, основанная на использовании этого метода, получила название биостратиграфия. Важнейшим биостратиграфическим методом является метод руководящих ископаемых, сыгравший важную роль в установлении подразделений Международной биостратиграфической шкалы (МБШ). Руководящими формами называют остатки вымерших организмов, живших короткий отрезок времени, но имевших широкое географическое распространение. Оптимальными в этом плане являются конодонты – остатки челюстного аппарата морских червей. В идеальном случае конодонты позволяют решить обе задачи стратиграфии: расчленить толщи горных пород и скоррелировать одновозрастные отложения. Недостатком метода является неодновременность вымирания групп организмов. Например, в Австралии до настоящего времени существуют сумчатые млекопитающие, вымершие на остальных континентах. Для уменьшения данного недостатка было разработано несколько методик: руководящих комплексов, математического анализа и другие.

Основное правило палеонтологического метода – пласты горных пород, содержащие одинаковый комплекс окаменелостей, одновозрастны. С помощью этого метода были, в частности, сопоставлены по возрасту известняки карьеров г. Гурьевска с породами окрестностей г. Праги (Чехия). Обратное правило – пласты, содержащие различные комплексы окаменелостей, разновозрастны не всегда справедливо, так как разный состав окаменелостей может быть вызван как возрастными различиями, так и разной средой обитания. Широкое использование палеонтологического метода позволило исследователям XIX века охарактеризовать органическими остатками отложения каждого периода палеозойской, мезозойской и кайнозойской эр. В целом, стратиграфический и палеонтологический методы геохронологии обеспечили детальное изучение отложений фанерозойского эона, но оказались малопригодными для докембрийских отложений, отличающихся высокой дислоцированностью и в значительной мере лишенных органических остатков.

Все эти методы отвечают на вопрос об относительном (сравнительном) возрасте пластов горных пород. На основе относительной геохронологии в 1881 году на Международном геологическом конгрессе в г. Болонье (Италия) был принят первый вариант Международной биостратиграфической шкалы, содержащий палеонтологические характеристики (списки видов) каждого геологического периода палеозойской, мезозойской и кайнозойской эр.

2.2. Методы определения абсолютного возраста

Геологические процессы отличаются от процессов обыденной жизни чрезвычайной продолжительностью, в силу чего для них оказываются непригодными единицы измерения, применяемые в быту (минуты, часы, сутки, недели, месяцы, годы). Основной единицей измерения продолжительности геологических процессов являются миллионы лет. Только при измерении продолжительности последнего отрезка геологического времени – четвертичного периода – единицей измерения становятся тысячелетия.

Для определения количества времени, прошедшего после какого-либо геологического события, нужны «геологические часы», то есть процесс, во-первых, соизмеримый по длительности с остальными геологическими процессами, во-вторых, характеризующийся постоянной скоростью, не меняющейся от воздействия других процессов. В течение первой половины XIX века обнаружить такой процесс не удавалось. Мощность осадочных толщ, степень метаморфизма горных пород, накопление солей на дне Мирового океана возрастают с течением времени, но, как показали дальнейшие исследования, скорость этих процессов различна на различных участках Земного шара.

Только в конце XIX века трудами французского ученого Беккереля и супругов Пьера и Марии Кюри-Склодовских был обнаружен радиоактивный распад – процесс превращения одного химического элемента в другой, сопровождающийся выделением энергии в виде радиоактивного излучения. Химические элементы, характеризующиеся способностью к радиоактивному распаду, называются радиоактивными (радий, торий, уран и некоторые другие). Установлено, что многие элементы, считающиеся нерадиоактивными, в небольшом количестве содержат радиоактивные изотопы. Время превращения половины какого-либо количества радиоактивного элемента в другой элемент обычно нерадиоактивный (период полураспада) есть величина постоянная, установленная лабораторными исследованиями для каждой пары элементов.

Первые попытки использования радиоактивного распада для определения возраста горных пород относятся к началу ХХ века. Широкое распространение радиометрический (радиологический) метод, известный в качестве «абсолютной геохронологии», получил во второй половине ХХ века. Название «абсолютная» здесь не совсем уместно, так как радиометрический метод (подразделяющийся на несколько частных методик) также не свободен от ошибок.

Использование радиометрического метода предполагает существование в природе замкнутой системы, в которой исходный радиоактивный элемент постепенно превращается в конечный продукт распада, причем вынос начального и конечного продуктов отсутствует. В этом случае, определив лабораторным путем содержания в породе исходного и конечного продуктов распада и зная период полураспада, можно определить его длительность, то есть возраст породы. В действительности начальный и конечный продукты распада частично выносятся в результате процессов метаморфизма, причем их количество зачастую не поддается учету. В силу этого возможны существенные ошибки при определении возраста пород радиометрическим методом. Во избежание ошибок, обычно используется несколько пар элементов и, соответственно, выделяется несколько методик (частных методов) радиометрического датирования.

Таблица 1

Радиоактивный элемент (изотоп)	Конечный продукт	Период полураспада млрд лет
238U	206Pb	4,468
235U	207Pb	0,7038
232Th	208Pb	14,008
87Rb	87Sr	4,88
40K	40Ar	1,3
14C	14N	5750 лет

Урано-ториево-свинцовый метод основан на распаде ²³⁸U→ ²⁰⁶Pb, ²³⁵U→ ²⁰⁷Pb, ²³²Th→ ²⁰⁸Th→ ²⁰⁸Pb. В последние годы определение возраста горных пород чаще всего проводится по отношению U/Pb в кристаллической решетке минерала циркона. Атомы урана частично замещают атомы циркония в кристаллической решетке циркона, а в результате распада урана образуется свинец.

Рубидий-стронциевый метод основан на распаде радиоактивного изотопа ⁸⁷Rb и превращения его в изотоп ⁸⁷Sr. Этот метод широко используется при определении геологического возраста древнейших горных пород.

Калий-аргоновый метод, предложенный в 1949 году советским ученым Э.К. Герлингом, основан на распаде радиоактивного изотопа ⁴⁰К и частичном превращении его в изотоп ⁴⁰Ar с периодом полураспада 1300 млн. лет.

Радиоуглеродный метод основан на измерении содержания радиоактивного изотопа углерода, присутствующего в органических остатках и породах с высоким содержанием органического вещества. Организмы усваивают радиоактивный углерод из воздуха, а после их отмирания начинается его распад. Период полураспада ¹⁴С→¹⁴N равен 5750 лет, поэтому радиоуглеродный метод используется для датировки осадков не древнее 60-80 тыс. лет. Этот метод широко применяется для датировки отложений четвертичного периода, а также в археологии.

В течение ХХ века на основе абсолютной геохронологии была установлена продолжительность подразделений Международной биостратиграфической шкалы (МБШ).

2.3. Стратиграфические и геохронологические подразделения

Современная шкала геологического времени является одновременно стратиграфической и геохронологической. С одной стороны, по данным палеонтологического и стратиграфического методов характеризуется органический мир каждого подразделения МБШ, а также его вымирания и возрождения на границах подразделений. С другой – по данным абсолютной геохронологии указываются возраст границ этих подразделений (обычно с точностью до 1-2 млн. лет). Международная шкала геологического времени совершенствуется и в настоящее время. Её последний вариант был принят в 2008 году на Международном конгрессе в Осло (Норвегия).

В России высшим законодательным органом для геологических организаций является Межведомственный стратиграфический комитет (МСК), котрый каждые четыре года пересматривает МБШ и вносит в нее изменения, согласно новым данным науки. По постановлению МСК в 2006 году в России принята Общая стратиграфическая шкала, подразделения которой делятся на стратиграфические и геохронологические.

Таблица 2

Стратиграфические подразделения	Геохронологические подразделения
1.Акротема	Акрон
2.Эонотема	Эон
3.Эратема	Эра
4.Система	Период
5.Отдел	Эпоха
6.Ярус	Век
7.Зона	Фаза
8.Звено	Пора

Акротема – наиболее крупное подразделение, появившееся в 1992 году, поскольку подразделения докембрия – архей и протерозой – резко отличаются большей продолжительностью от остальных подразделений.

Эонотема – отложения, образовавшиеся в течение эона, длившегося многие сотни миллионов лет. В составе архейской и протерозойской акротем выделяют по две эонотемы. Рангу эонотемы соответствует также фанерозой.

Эратемы (группы) – крупные стратиграфические подразделения, имеющие значительную мощность, большие площади распространения, сложный состав. Образуются в течение одной эры. Границы между эрами проводятся по резким изменениям в составе органического мира. Выделяют палеозойскую (PZ), мезозойскую (MZ), и кайнозойскую (KZ) эры, входящие в состав фанерозоя.

Система – часть эратемы, образовавшаяся в течение одного периода. Система характеризуется типичными для неё семействами или родами фауны и флоры. Границы между системами палеонтологические или тектонические. Обозначается заглавной буквой латинского алфавита (S, D, P).

Отдел – часть системы, образовавшаяся в течение одной эпохи. Характеризуются отделы определенными родами и видами фауны и флоры. Отдел бывает нижний, средний, верхний; эпохи соответственно – ранняя, средняя, поздняя. Обозначается цифрой (D₁).

Ярус – часть отдела, образовавшаяся в течение века, характеризуется определенным комплексом родов и видов ископаемых организмов. Ярус имеет стратотип с определенной палеонтологической характеристикой. Названия ярусов происходят от географических названий мест, где расположен стратотип данного яруса. Индекс яруса обозначается начальной буквой латинского алфавита или двумя буквами (D₁ gv).

Зона – часть яруса, накопившаяся в течение одной фазы. Границы её устанавливаются по характерному комплексу видов. Стратотип зоны рекомендуют выбирать в стратотипе яруса. Название зоны и её фаза дается по характерному виду комплекса (зона Altaiophyllum belgebaschicum).

Звено выделяется лишь в четвертичной системе. Пора, за время которой формируются отложения звена, соответствует изменению климата – двум полуциклам: потепление, похолодание. Звено должно иметь стратотип. Четвертичная система слагается из четырех звеньев, которые обозначаются римскими цифрами (Q^II).

В 1977 году в нашей стране впервые был опубликован Стратиграфический кодекс, выполнение которого обязательно при проведении геологических работ. В кодексе принята стратиграфическая классификация, согласно которой выделяются основные и вспомогательные стратиграфические подразделения. К основным подразделениям относятся: общие, региональные и местные подразделения. При выделении общих стратиграфических подразделений ведущим является палеонтологический метод. Исключение составляет докембрий, расчленение которого осуществляется на основе тектоно-стратиграфического и радиометрического методов. Из общих подразделений ярус, зона и звено должны иметь стратотип – конкретный, наиболее полный разрез данного подразделения, эталон для сравнения. Его можно увидеть, изучить, взять образцы. Для остальных общих стратиграфических подразделений выделение стратотипов не предусмотрено.

Региональные стратиграфические подразделения не имеют всепланетарного охвата. Они устанавливаются для геологического региона, крупного палеобассейна седиментации или палеобиогеографической области. Основной единицей здесь является горизонт, представляющий совокупность одновозрастных свит, по одной из них он получает свое название. Горизонты фанерозойских толщ чаще всего устанавливаются с помощью методов биостратиграфии. Горизонты в докембрийских образованиях, а также в палеонтологически «немых» толщах устанавливаются на основе литолого-фациальных и петрографических особенностей пород. Горизонты четвертичной системы устанавливаются на климатостратиграфической основе. Горизонт имеет стратотип и получает географическое название места, где расположен его стратотип (алчедатский горизонт, сафоновский горизонт). Региональным стратиграфическим подразделением является лона, устанавливаемая по палеонтологическим данным. Название её дается по виду-индексу (например, лона Tabulophyllum schluteri Peetz). Геохронологическим эквивалентом горизонта и лоны является время.

Основным подразделением местной стратиграфической шкалы является свита, устанавливаемая на сравнительно небольших территориях. Она объединяет одинаковые или близкие по литолого-фациальным особенностям одновозрастные отложения и отражает определенный этап развития данной территории. Свита имеет стратотип. Свое название она получает по географическому названию стратотипа. Пример: полюдовская свита, тайгонская свита. Свита подразделяется на подсвиты.

Серия – более крупная единица по сравнению со свитой. Она объединяет несколько свит по какому-либо общему признаку (например: морская серия, вулканическая серия). Серии присваивается стратотип одной из ее свит.

Комплекс объединяет несколько серий и имеет собственное название. Это мощная и сложная по составу и структуре совокупность геологических тел. Комплекс отвечает крупному этапу геологического развития обширной территории. Обычно не имеет стратотипа и используется для докембрийских образований. Пример: карельский комплекс.

Кроме основных стратиграфических подразделений существуют ещё вспомогательные, их называют также «термины свободного пользования». Эти подразделения не являются обязательными, их употребляют по желанию. Сюда относятся: толща, пачка, слой, маркирующий горизонт, слои с фауной, флорой. Частные биостратиграфические подразделения – биостратиграфические зоны разных видов выделяются по палеонтологическим признакам. Они имеют стратотип и могут подразделяться на подзоны. Их геохронологический эквивалент – время.

Региональные и местные стратиграфические подразделения сводятся в таблицы, называемые стратиграфическими схемами. Региональная стратиграфическая схема представляет собой корреляцию региональных и местных стратонов с общей стратиграфической шкалой и шкалами смежных регионов. Она состоит из четырех разделов: Общей стратиграфической шкалы, региональных стратиграфичсеских подразделений, корреляции местных разрезов и региональных подразделений смежных регионов. По степени разработанности региональные стратиграфические схемы подразделяются на унифицированные, корреляционные и рабочие. Унифицированные стратиграфические схемы включают в себя все четыре раздела региональной схемы. В корреляционных схемах отсутствует или представлен лишь частично раздел «региональные стратиграфические подразделения». Рабочая схема базируется на недостаточно аргументированных данных.

2.4. Принципы стратиграфии

Вопрос об основных принципах стратиграфии, составляющих её теоретическую основу, неоднократно рассматривался разными исследователями (В. Смитом, Ч. Дарвиным, Т. Гексли, Л. Долло, Л.Л. Халфиным, Д.Л. Степановым и М.С. Месежниковым, С.В. Мейеным и другими). Итоги многолетней дискуссии проанализированы в работе Н.И. Савиной (2002), предложившей выделять четыре принципа.

Первый принцип (принцип последовательности напластования), сформулированный Н. Стеноном, обеспечивает перевод пространственных взаимоотношений геологических тел, залегающих выше или ниже друг друга, во временной режим (моложе или древнее).

Второй принцип (принцип биостратиграфического расчленения и корреляции) гласит, что при корреляции разрезов, если непосредственное прослеживание невозможно, может быть применена система признаков сходства этих отложений (принцип Гексли). Одним из признаков сходства сравниваемых отложений может быть наличие в них одинакового комплекса ископаемых органических остатков (принцип Смита).

Третий принцип позволяет заменять одни признаки другими (например, редкие находки органических остатков заменяются литологическим сходством отложений). Этот принцип издавна применялся в практике геологических исследований, в частности, при корреляции морских и континентальных отложений. На этом принципе основана универсальность МБШ.

Четвертый принцип – объективной реальности и неповторимости стратонов – объединяет два самостоятельных принципа Л.Л. Халфина. Каждый стратон не только объективно отражает среду накопления, но и является уникальным, покольку уникальны (неповторимы) условия его накопления. Этот принцип указывает, что при стратиграфических исследованиях следует учитывать не только временные взаимоотношения стратонов, но и их значимость как объективных источников информации о географической обстановке прошлых геологических эпох.

С точки зрения авторов, следует выделить пятый принцип – необратимость эволюции органического мира (принцип Дарвина-Долло). Согласно этому принципу, вымерший вид не может появиться в процессе эволюции второй раз. Этот принцип был сформулирован на основе эмпирических наблюдений. Сейчас он подтверждён исследованиями генетического аппарата живых организмов: утеря генотипа невосполнима естественным путем.

Вызывает сомнения сформулированный Ч. Дарвиным принцип неполноты геологической летописи. Этот принцип справедлив для каждого частного разреза, но, по-видимому, не может быть признан в глобальном масштабе. Невозможно представить, чтобы процессы денудации были повсеместными (где-то имело место осадконакопление).

Вопросы для самоконтроля

1. Укажите отличие палеонтологического метода относительной геохронологии от стратиграфического.

2. Перечислите пары элементов, используемые в радиометрии («абсолютной геохронологии»).

3. Назовите источники ошибок в определении абсолютного возраста.

4. Назовите основные группы стратиграфических подразделений.

5. Охарактеризуйте специфику стратиграфических схем.

6. Перечислите основные принципы стратиграфии.