Стратиграфический метод

Историко-геологическое направление рассматривает развитие геологических событий во вре-мени и в пространстве. Изучение этих событий немыслимо без стратиграфических и геохроноло­гических исследований. При стратиграфических исследованиях осуществляют две последователь» ные операции:

^расчленение разреза на отдельные стратиграфические подразделения (слои, пачки, гори­зонты, подъярусы, ярусы и т.д.) на основании различий состава горных пород и заключенных в них ископаемых органических остатков, а также проявлений перерывов и несогласий;

2) сопоставление или стратиграфическую корреляцию выделенных в разных разрезах слоев, пачек, горизонтов, т.е. установление их геологической одновозрастности по латерали.

Фактической основой стратиграфических исследований служат конкретные геологические объекты - естественные или искусственные обнажения горных пород и керн скважин, а также оп­ределяемые геофизическими методами (электро-, сейсмо- и другой каротаж) изменения физичес-ких свойств горных пород в скважинах. После обобщения ряда частных геологических разрезов составляется сводная стратиграфическая колонка, в которой все слои горных пород располагают-ся в строгой последовательности своего образования и залегания, т.е. в определенном хронологи-ческом порядке, обычно от более древних внизу к более молодым вверху.

Стратиграфия (лат. stratum - слой, grapho - пишу) - раздел исторической геологии, занима­ющийся изучением исторической последовательности, первичных взаимоотношений и географи-ческого распространения осадочных, вулканогенно-осадочных и метаморфических образований, слагающих земную кору и отражающих естественные этапы развития Земли и населявшего ее органического мира (Геологический словарь, 1973). По определению Д.Л.Степанова и М.С.Ме-сежникова (1979), стратиграфия занимается изучением слоистых, пластующихся или стратифици­рованных образований, прежде всего осадочных пород, устанавливает их временные и простран­ственные соотношения. К ней лучше всего подходит термин, которым пользовался наш великий соотечественник М.В.Ломоносов (1711-1765), предваряя нынешнее понимание геологии, - "наука о слоях земных". Этот метод является одним из главных в исторической геологии, поскольку большую часть информации для восстановления истории земной коры нам дают осадочные поро­ды. Стратиграфия устанавливает последовательность напластования слоев (стратонов) разного ранга, разрабатывает геохронологическую шкалу для датировки геологических событий.

Стратиграфия играет важнейшую роль при геологических исследованиях. Без нее немысли­мо проводить геологическое картирование, решать проблемы геологического развития отдельных регионов и Земли в целом, реконструировать палеогеографические обстановки и установить эта-

пы эволюции органического мира. Без детальных стратиграфических исследований невозможно раскрывать сложное строение структур земной коры, проводить поиски и разведку полезных ис­копаемых.

Стратиграфия решает три соподчиненных задачи: 1) Расчленение конкретных разрезов и со­ставление местной стратиграфической схемы. 2) Корреляция (сопоставление) отдельных слоев и толщ удаленных друг от друга разрезов. Создание сводной (региональной) стратиграфической схемы. 3) Проведение межрегиональной и глобальной корреляции. Создание общей (планетар­ной) стратиграфической шкалы.

Стратиграфия руководствуется в своей деятельности определенными принципами. С.В.Мей-ен (1989) считал универсальными три таких принципа.

Первый из них - принцип последовательности напластования, который сформулировал в 1669 г. Н.Стеной: "При ненарушенном залегании каждый нижележащий слой древнее покрываю­щего слоя". Этот так называемый принцип суперпозиции позволяет установить простые времен­ные соотношения типа "раньше - позже".

Второй принцип - гомотаксиса (гомотаксальности) или идентичности (принцип Гексли). Го-мотаксальность - это соответствие слоев в разных разрезах по признакам, одинаково упорядочен­ным в каждом разрезе (Мейен, 1989). Этот принцип дает возможность корреляции разрезов. На основании одного и того же порядка (гомотаксиса) комплексов фауны и флоры в разных разрезах производится сопоставление соответствующих друг другу по положению (гомотаксальных) комп­лексов. Возможно применение понятия гомотаксальности при сопоставлении разрезов по любым признакам.

Третий принцип - хронологической взаимозаменяемости признаков. Этот принцип позволяет подменять так называемые несамостоятельные признаки (редкие, устанавливаемые от случая к случаю, - например, находки ископаемой фауны, которые могут быть лишь в отдельных точках слоя) самостоятельными (например, литологическими). Можно прослеживать слой по латерали, руководствуясь самостоятельными (литологическими) признаками и лишь учитывать редкие неса­мостоятельные (палеонтологические). Нужно отметить, что несамостоятельные признаки более важны, чем самостоятельные, но заменяются последними для прослеживания пород определенно­го стратиграфического уровня.

Существуют и другие важные положения стратиграфической корреляции. Например, прави­ло, сформулированное Н.А.Головкинским в 1868 г. Согласно правилу Головкинского, в непрерыв­ном разрезе осадочных толщ друг над другом отлагаются осадки, которые могут образоваться ря­дом (по латерали) на поверхности суши или на дне бассейна седиментации. Поэтому при транс­грессии или регрессии моря смена осадков по вертикали соответствует их горизонтальной зональ­ности. Таким образом, в каждой осадочной толще уверенно можно считать одновозрастными лишь те осадки, которые простирались параллельно береговой линии древнего бассейна.-

Биостратиграфическое расчленение и корреляция разрезов основаны на правиле В.Смита, со­гласно которому одновозрастные осадки содержат одни и те же или близкие остатки ископаемых организмов. С этим правилом связан дополняющий его и упомянутый выше принцип Гексли - ис­копаемые фауны и флоры сменяют друг друга в определённом порядке. Наряду с перечисленными при относительной геохронологии используются ещё два правила, сформулированные в XVIII столетии Дж. Хаттоном (Геттоном). Одно из них - "закон пересечений": секущая магматическая порода всегда моложе той породы, которую она рассекает, и другой - "закон включений": включе­ние всегда старше вмещающей породы.

Стратиграфические подразделения, как всякие материальные объекты, реальны и неповтори­мы в геологической истории земной коры.

Одна из важнейших задач стратиграфии - определение возраста стратонов (т.е. подразделе­ний разного уровня - слоев, пачек, толщ и т.п.). Без реального представления о возрасте Земли,

продолжительности геологических событий невозможны любые историко-геологические реконст­рукции. Для выяснения возраста в геологии существуют два различных направления: относитель­ное и абсолютное геологическое летосчисление (геохронология). Относительное летосчисление определяет возраст геологических объектов и последовательность их образования стратиграфи­ческими методами. Абсолютное - устанавливает время возникновения горных пород, проявления геологических процессов, их продолжительность в астрономических единицах (годах) радиологи­ческими методами.

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ГЕОХРОНОЛОГИЯ

Относительная геохронология (летоисчисление) разрабатывается при помощи палеонтологи­ческих (биостратиграфических) и непалеонтологических методов стратиграфии. Для позднего до­кембрия и фанерозоя ведущими, безусловно, являются палеонтологические методы. Одной из за­дач стратиграфии является расчленение осадочных и вулканогенных толщ в обнажении или в раз­резе скважины на отдельные стратоны, что осуществляется различными способами и по различ­ным признакам. При этом стремятся выделить эти стратоны в разрезе таким образом, чтобы они узна­вались и другими исследователями. Выделенные в обнажении (скважине) слои объединяются в пачки, толщи. В дальнейшем слои, пачки, толщи одного обнажения (скважины) сравнивают с подобными подразделениями другого обнажения (скважины) и устанавливают корреляционные уровни.

Палеонтологические методы (биостратиграфия)

Существует целая группа палеонтологических методов (методов биостратиграфии) для рас­членения и определения относительного возраста горных пород (по принципу Н.Стенона "стар­ше" - "моложе").

Органический мир Земли непрерывно и необратимо изменялся, поэтому каждому отрезку геологического времени отвечают характерные только для него растения и животные. Значит, од-новозрастные отложения близкого происхождения содержат сходные комплексы органических ос­татков. Следовательно, слои можно сравнивать по их палеонтологической характеристике. В осно­ве палеонтологических методов лежит закон Л.Долло о необратимости эволюции органического мира. Организм никогда не сможет вернуться к предковому состоянию, даже если он окажется в обстановке, близкой к условиям обитания предков. Другими словами, в истории развития организ­мов не может быть повторения одинаковых растений и животных. Вид или другой таксон суще­ствует во времени непрерывно и, раз исчезнув, не может появиться вновь (Ч.Дарвин). Одинаковые условия обитания могут привести к внешнему, морфологическому сходству представителей раз­ных типов или классов (рыбы - ихтиозавры - дельфины, кораллы - рудисты и др.). Такое явление называется конвергенцией.

Значение различных групп фауны для биостратиграфии неодинаково (рис. 1). Есть группы, позволяющие проводить планетарные корреляции. Например, раннекембрийские археоциаты, ор­довикские и силурийские граптолиты, мезозойские аммониты. Эти группы называют архистратиг­рафическими или руководящими формами. Это преимущественно планктонные и нектонные фор­мы, быстро расселявшиеся по всему свету. Другие группы, главным образом бентосные или дон­ные организмы, распространявшиеся более широко в личиночной стадии, менее пригодны для ши­рокой корреляции, но они играют ведущую роль в региональной биостратиграфии. Для исследова­ния закрытых районов, изучаемых при помощи буровых скважин, огромное значение приобретают микроскопические органические остатки (микрофоссилии) животного, растительного происхожде­ния и даже неясного систематического положения. К микрофоссилиям относятся раковины и ске­леты мелких животных (фораминиферы, радиолярии, остракоды), некоторые одноклеточные водо­росли (кокколитофориды, диатомовые и др.), споры и пыльца растений, мелкие фрагменты скеле­та (конодонты, сколекодонты, чешуйки рыб), спороморфные и другие биогенные образования.

I--- Г—I---- 1--- 1--- 5-- 4---- 1--- 1--- 1-- 1 ;;;;:::;;;Ь--

Диатомовые и силикофлагелляты ____ I____ I..1__________ 1.. I,

Рис. 1. Стратиграфическое значение главных групп морских беспозвоночных в фанерозое (П.Рич и др., 1997)

Научно-технический прогресс XX в. оказал заметное влияние и на развитие палеонтологии. Новые приборы и аппаратура позволили усовершенствовать способы извлечения органических остатков из горных пород и методы их изучения. Все больше групп организмов привлекается на службу биостратиграфии. Для определения геологического возраста биостратиграфия использует следующие методы: руководящих ископаемых, комплексного анализа, количественный (процент-но-статистический), филогенетический, палеоэкологический.

Метод руководящих ископаемых состоит в том, что одновозрастными считаются отложе­ния с одинаковыми руководящими формами. Длительное время этот метод был основным. Он сыграл выдающуюся роль в установлении большинства систем, отделов, а впоследствии ярусов на всех материках, в значительном удалении от стратотипических районов и. зачастую при невысо­кой в то время геологической изученности.

Под руководящими ископаемыми подразумевают органические остатки, принадлежащие груп­пам, которые существовали короткий промежуток времени, но успели за небольшой срок рассе­литься на значительной территории и в большом количестве. Следовательно, руководящие ископа­емые должны иметь широкое горизонтальное и узкое вертикальное распространение, встречаться часто и в большом числе экземпляров, а также легко распознаваться. Многие виды вымерших организмов удовлетворяют этим требованиям. Например, брахиоподы Obolus apollinis E i с h w a 1 d характерны для тремадокского яруса ордовика, брахиоподы Choristites mosquensis Fischer-для московского яруса карбона, аммонит Cadoceras elatmae N i k i t i n характерен для келловейс-кого яруса юрской системы. Руководящими могут быть роды и даже некоторые более крупные си­стематические группы (семейства, отряды, классы). Так, археоциаты жили только в раннем кембрии, швагерины (фораминиферы) - в ранней перми, цератиты (аммоноидеи) - только в конце перми и в триасе.

В настоящее время, применяя метод руководящих ископаемых, учитывают образ жизни орга­низмов, зависящий от среды обитания, ограничивающий их пространственное распространение. Например, среднекембрийские трилобиты рода Paradoxides найдены во многих регионах - в Ев­ропе, Сибири, Средней Азии, Монголии, Китае, Австралии, Антарктиде только в морских отложе­ниях. Брахиоподы Conchidium knighti S о w e r b у встречаются в лудлове (верхний силур) Се­верной Америки, Британских островов, Прибалтики, Приднестровья, Урала, Новой Земли, Сред­ней Азии, Западного Саяна, Алтая и Северо-Востока России. Однако везде раковины этого вида обнаружены в определенном типе карбонатных отложений. Когда под действием трансгрессий и регрессий колеблется положение береговой линии, перемещаются и фации, с которыми переселя­ются организмы. При восстановлении прежней обстановки обитания они могут возвратиться, тог­да в разрезе встречаются очень сходные руководящие ископаемые. Такое явление называется рекурренцией, фауны - рекуррентными, и процесс этот может быть неоднократным (рис. 2).

Рис. 2. Схема, показывающая появление рекуррентных комплексов фауны в разновозрастных, но одинаковых по литологическим признакам осадках. По Р.Муру (1948): а - комплекс фауны в черных сланцах, характерный для слоя I, повторяется без существенных изменений выше по разрезу (слои 2 и 3); б- непрерывность накопления черных сланцев в условиях многократного перемещения зоны седиментации

Наряду с широко распространенными (космополитными) видами существовали виды, оби­тавшие на ограниченной площади (эндемичные). Так, в силуре юга Сибири и Монголии много­численны находки брахиопод тувелл (Tuvaella). На этой территории тувеллы являются руководя­щими, занимая определенный интервал разреза, но провести по ним корреляцию с разрезами си­лура других регионов невозможно, так как из-за своего локального распространения они нигде больше не встречены.

Метод комплексного анализа органических остатков заключается в выяснении распределе­ния всех окаменелостей в разрезах, установлении смены комплексов и прослеживании выделен­ных комплексов от разреза к разрезу. Метод хорошо иллюстрируется на графиках. Названия орга­нических остатков располагают в общем списке окаменелостей в порядке их появления в разрезе, отмечая линиями интервал, на котором встречается каждая форма. На получившемся графике -"лесенке" ступени показывают смену комплексов во времени.,.

Так, на графике (рис. 3,а) видно, что в однообразной по литологии толще пород сменяются пять палеонтологических комплексов. В них присутствуют формы, не выходящие за пределы ин-

Рис. 3. Выделение разновозрастных палеонтологических комплексов (заимствовано у Е.В.Владимирской и др., 1985)

тервала, доживающие, исчезающие в его конце, появляющиеся и проходящие. Устойчивость выде­ленных комплексов проверяется в нескольких разрезах. Комплекс называется по типичному виду (вид-индекс). Этот метод позволяет установить естественные рубежи смены фауны и флоры. При его применении также необходимо анализировать фациальные особенности разреза. На рис. 3,6 все семь пачек слоев имеют собственный набор окаменелостей, однако легко заметить их повто­рение в пачках 1 и 3; 2 и 4; 5 и 7, что связано с близостью фаций. Таким образом, в разрезе при­сутствуют уже не семь палеонтологических комплексов, а только два (пачки 1-4; 5-7).

При комплексном анализе учитывается и количественная характеристика фауны. Увеличение численности показывается на графике утолщением соответствующих линий. В рассмотренном примере по этому признаку выделяется пачка 2 - своеобразный маркирующий уровень. Графики распространения форм в разрезе чаще составляются отдельно для каждой широко распространен­ной группы организмов и затем сравниваются.

Количественные методы корреляции заключаются в использовании математического аппа­рата для анализа палеонтологических комплексов. В наипростейшей форме метод состоит в срав­нении изучаемого слоя со слоями опорного разреза по содержанию общих окаменелостей. Напри­мер, в каком-либо исследуемом слое присутствует 5% видов слоя А; 15% - слоя Б; 50% - слоя В; 18% - слоя Г; 12% - слоя Д. По наибольшему содержанию общих видов изучаемый слой сопостав­ляют со слоем В. Сравнивают слои и пачки по специально разработанным коэффициентам сход­ства. Эти методы носят формальный характер; они применяются в комплексе с другими методами, так как одновозрастные, но разнофациальные комплексы могут иметь мало общих форм.

Филогенетический метод заключается в выяснении смены родственных организмов во вре­мени, он основывается на принципах эволюционного развития. Полагают, что потомки устроены более прогрессивно, чем предки, и их остатки будут встречаться в более молодых отложениях. Так, хорошо известна история развития аммоноидей от палеозойских гониатитов с простой пере­городочной линией до мезозойских аммонитов с очень сложной линией. Чтобы применить фило­генетический метод, надо выяснить филогенез конкретной родственной группы, т.е. установить, когда появились данные организмы, сколько времени они существовали, кто и какие были их предки, кто стали потомками и как они в свою очередь развивались.

Выявленные родственные связи можно изобразить в виде схемы филогенетических взаимоот­ношений (рис. 4). При расчленении разрезов особое внимание следует обратить на момент появ­ления новых видов, что позволяет определять границы выделяемых стратиграфических подразде­лений. Применение филогенетического метода требует максимальной тщательности исследований и высокой квалификации палеонтолога.

Рис. 4. Схема филогенетических взаимоотношений видов нуммулитов (подрод Nummulites). По Г.И.Немкову, с упрощением

Палеоэкологический метод разработан Р.Ф.Геккером при изучении верхнедевонских отло­жений Главного девонского поля. Учитывая зависимость фаунистических комплексов от фациальных условий, этот метод изучает связи организма с окружавшей его как органической, так и неор­ганической средой обитания. Фациальные изменения приводят к тому, что одновозрастные фаунистические комплексы резко различаются, и наоборот, при сходной фациальной обстановке созда­ются близкие сообщества организмов, хотя они имеют различный возраст. Палеоэкологический метод позволяет проследить постепенную смену фациальных фаунистических комплексов в про­странстве и таким образом сопоставить разнофациальные отложения.

Современная биостратиграфия стремится использовать все палеонтологические методы для более детального расчленения и корреляции пород и определения их возраста.