2 Билет. Методы сопоставления разрезов и установление относительного геологического возраста отложений.

При стратиграфических исследованиях осуществляются две последо­вательные операции: а) расчленение разреза на слои, пачки (страти­графические подразделения) на основе состава пород и заключенных в них окаменелостей, б) стратиграфическая корреляция слоев, т. е. установление геологической одновозрастности слоев, пачек (страти­графических подразделений), выделенных в разных, часто весьма уда­ленных участках. В некоторых случаях корреляцию можно осущест­вить при геологическом картировании, прослеживая слои шаг за ша­гом, в других случаях используют специальную методику.

Фактическим материалом для стратиграфии служат конкретные разрезы и выделяемые в них слои горных пород. Обобщение несколь­ких частных стратиграфических разрезов позволяет составить сводный стратиграфический разрез (стратиграфическую колонку), в котором все горные породы расположены друг иад другом в строгой последова­тельности их напластования — в хронологическим порядке. Обобщение стратиграфических колонок нескольких районов позволяет выявить последовательность напластования горных пород на большой терри­тории.

Перед стратиграфическими исследованиями стоят следующие за­дачи:

расчленение разрезов и выделение стратиграфических подраз­делений на отдельных участках земной коры — создание региональных или местных стратиграфических шкал, отражающих хронологическую последовательность геологических событий для определенного региона;

проведение межрегиональной корреляции стратиграфических подразделений разных рангов;

создание общей стратиграфической шкалы.

Значение стратиграфии трудно переоценить. На ее основе реша­ются вопросы эволюции органического мира, палеогеографической об­становки, тектонического развития. Без детальной стратиграфии невоз­можно расшифровать структуру земной коры, составить геологическую карту, проводить поиски и разведку месторождений полезных иско­паемых.

Принципы стратиграфии. Стратиграфические исследования опира­ются на несколько теоретических положений, которые в разное время были сформулированы в работах выдающихся геологов. Д. Л. Степа­нов и М. С. Месежников насчитывают девять таких принципов. Другие исследователи ограничиваются тремя. Одним из важнейших является принцип последовательности напластования, сформулированный в 1669 г. Н. Стенсеном (Стеноном): «При ненарушенном залегании каждый нижележащий слой древнее покрывающего слоя». Этот прин­цип позволяет установить временные отношения «раньше — позже» между слоями, толщами. Не менее важен для стратиграфической кор­реляции принцип Н. А. Головкинского, высказанный им в 1868 г. о воз­растной миграции пограничных поверхностей литологически однород­ных слоев. Согласно этому принципу в каждом слое можно считать одновозрастными осадки, которые распределялись в направлении, па­раллельном береговой линии. С последним принципом тесно связано положение, высказанное швейцарским геологом А. Грессли о фациальной изменчивости одновозрастных отложений.

Биостратиграфическое расчленение и корреляция разрезов основа­ны на принципе У. Смита, одновозрастные слои содержат исходные ископаемые, т. е. отложения можно отличать и сопоставлять по заключенным в них ископаемым. С прин­ципом Смита тесно связан принцип, его дополняющий: ископаемые фауны и флоры следуют друг за другом в определенном порядке.

При стратиграфических исследованиях очень важно учитывать не­полноту стратиграфической и палеонтологической летописей. В геоло­гических напластованиях запечатлена только часть геологической ис­тории; продолжительные ее отрезки соответствуют перерывам в осадконакоплении.

Расчленение и корреляцию разрезов производят на основе крите­риев, обусловленных минералого-петрографическими особенностями слоев, их взаимоотношениями и условиями накопления, или же соста­вом остатков животных и растительных организмов, заключенных в породах. В соответствии с этим принято выделять методы, основанные на изучении состава слоев и их взаимоотношений (геолого-стратигра­фические методы) и основанные на палеонтологической характеристи­ке пород (биостратиграфичесше методы). Эти методы позволяют оп­ределить относительный возраст слоев горных пород (одни моложе, другие древнее) и коррелировать одновозрастные слои.

Особое место занимают радиогеохронологические методы, позво­ляющие оценить изотопный возраст пород в единицах астрономиче­ского времени.

Определение относительного геологического возраста

Одной из главных задач стратиграфии является расчленение толщ в обнажении или скважине на интервалы, что осуществляется различными способами и по различным признакам. При этом стремятся выделить естественные части 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 таковыми другого обнажения (скважины) и устанавливают корреляционные уровни .Для решения поставленной задачи используются методами стратиграфии палеонтологические ,литологические, геофизические.Определение относительного геологического возраста происходит путем сопоставления изучаемых отложений с подразделениями шкалы. Это сопоставление проводится с использованием изложенных выше методов. В результате этого сопоставления определяется возраст свит, серий и горизонтов, выделенных в районе, так как за каждой единицей шкалы стоит реальный геологический разрез (стратотип), что дает возможность сравнивать разрезы литологическими и палеонтологическими методами.Если остатки организмов не обнаружены, возраст свиты устанавливается косвенным путем, исходя из возраста подстилающих или перекрывающих толщ или путем сопоставления с разрезами соседних районов.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД

ГЕОЛОГО-СТРАТИГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Геолого-стратиграфические методы позволяют расчленять разрезы на слои, пачки на основе изменения состава пород и строения слоев, оце­нить возраст и провести корреляцию одновозрастных слоев. Большин­ство этих методов можно считать вспомогательными, их используют вместе с палеонтологическими (биостратиграфическимм), которые яв­ляются основными.

Минералого-петрологический метод. Суть этого ме­тода заключается в расчленении разреза на отдельные слои и пачки, отличающиеся по петрографическому составу, структурным и текстур­ным особенностям пород, окраске, наличию в породах характерных и только им присущих минералов и т. п. Изучение взаимоотношений сло­ев в конкретном обнажении позволяет расположить их в стратиграфичеокой последовательности и составить стратиграфическую колонку, опираясь на основной принцип стратиграфии: нижележащий слой древ­нее покрывающего.

Значительно сложнее установить нормальную последо­вательность слоев, если они залегают вертикально, смяты в сложные складки, нарушены разрывами (рис. 2). В этом случае необходимо первоначально установить положение подошвы и кровли пластов, 'вы­яснить тектоническую структуру и только потом, сравнивая петрогра­фический состав слоев на крыльях складок и по сторонам от разрыва, можно выявить нормальную стратиграфическую последовательность слоев. Нередко слои на участках, разделенных протяженными разрыв­ными нарушениями, сопоставить не удается. В этом случае для каж­дого блока составляют свою стратиграфическую колонку, а для их корреляции используют другие методы-.

Определение возраста слоев минералого-петрографическим мето­дом может быть проведено путем их сопоставления с известными эта­лонами. Иногда достаточно ограничиться грубым сравнением вещест­венного состава отложений: например, известно, что в Подмосковье черные глины имеют позднеюрский возраст, а подстилающие их белые известняки — каменноугольный. Следовательно, найдя в окрестностях

москвы выходы черных глин, мы мо­жем отнести их к юрской системе, а разрабатываемые в карьерах изве­стняки— к каменноугольной.

Стратиграфические подразделения, выделенные на основе изуче­ния минералого-петрографического состава пород, обычно называют литостратиграфическими. В отличие от них стратиграфические под­разделения, выделенные по комплексам ископаемых организмов, на­зывают биостратиграфическими.

Структурно-тектонические методы. В основу этих методов положена идея об одновременности тектонических движений на больших площадях поверхности Земли. Слоистые осадочные толщи, накопившиеся на дне морских бассейнов и на суше, в отдельные мо­менты геологической истории сминались в складки, частично размы­вались и при последующих трансгрессиях моря снова перекрывались более молодыми несогласно залегающими слоями. Поэтому расчлене­ние разрезов на пачки и их корреляцию становится возможным осу­ществлять по поверхностям несогласий. Поверхности несогласий позво­ляют расчленить разрез, они являются реперами, по которым прово­дится сопоставление соседних разрезов. Толщи, заключенные между одинаковыми поверхностями несогласий, рассматриваются как одновозрастные. При этом петрографическая характеристика сло­ев в разрезе толщ может существенно изменяться.

Метод корреляции разрезов по поверхностям несогласий широко используют при выделении и сопоставлении крупных стратиграфиче­ских подразделений в толщах, где отсутствуют ископаемые органиче­ские остатки, особенно при расчленении докембрийских пород.

Тектонические движения, приводящие к поднятиям и опусканиям больших территорий, происходят в разных участках неодновременно с различной скоростью. Поэтому слои пород, поднятые на поверх­ность, перед началом нового погружения могут оказаться размытыми в разной степени, подошва трансгрессивной толщи не будет строго одновозрастной и между поверхностями несогласия могут оказаться неодновозрастные слои. Все это ограничивает применение указанного метода.

Частным выражением структурно-тектонического метода является ритмостратиграфический метод, основанный на той же идее одновре­менности тектонических движений. Разрез расчленяется на пачки, от­вечающие времени относительных поднятий, приводящих к обмелению бассейна, и опусканий, приводящих к его углублениям. Опусканиям и трансгрессиям будут отвечать горизонты относительно глубоководных чистых известняков среди более мелководных мергелей, в других слу­чаях— мергелей среди глин, глин — среди алевролитов, морских и ла­гунных отложений — среди континентальных и т. п. По-разному могут быть выражены относительные поднятия и регрессии.

Расчленение разреза на пачки, соответствующие этапам относи­тельных опусканий и поднятий поверхности осадконакопления, позво­ляет наметить ритмы в разрезе осадочной толщи, а по ритмам сопо­ставить разрезы, расположенные в пределах одного бассейна осадко­накопления (рис. 5). Этот метод широко используют для расчленения и корреляции разрезов мощных угленосных толщ. На практике мето­ды корреляции по перерывам и по ритмам используются совместно с остальными методами.

Геофизические методы. Геофизические методы расчлене­ния и корреляции разрезов основаны на изучении изменений физиче­ских характеристик пород по разрезу, выделении слоев и пачек, раз­личающихся физическими характеристиками в одном разрезе, и сопо­ставлении пачек с одинаковыми физическими характеристиками в соседних разрезах. По своей геологической сущности геофизические ме­тоды сходны с минералого-петрографическим методом, так как с по­мощью геофизических методов разрез расчленяют на отдельные петро­графические горизонты, изучают их взаимоотношения, оценивают от­носительный возраст и сопоставляют одинаковые по составу пачки как одновозрастные.

Различные виды электрического каротажа и ядерного каротажа широко используются при изучении стратиграфических разрезов пло­хо обнаженных равнинных областей (особенно в нефтяной геологии).

Палеомагнитный метод. В последние годы в стратигра­фии стал использоваться палеомагнитный метод расчленения и корре­ляции разрезов — изучение естественной остаточной намагниченности пород. Метод основан на том, что в истории Земли происходили мно­гократные инверсии магнитного поля, обусловленные изменением век­тора первичной намагниченности на 180°.

Ферромагнитные частицы при остывании лавы и выпадении в оса­док намагничиваются и ориентируются в магнитном поле Земли. При процессах диагенеза и складчатости первичная ориентировка частиц не нарушается, она соответствует ориентировке магнитного поля во время накопления слоя. Выделяя в разрезе слои, в которых частицы обнаруживают полярность (изучение ведется на строго ориентирован­ных образцах), удается расчленить разрез на горизонты прямой и об­ратной намагниченности. В истории Земли длительные интервалы вре­мени характеризовались постоянством положения магнитных полюсов, но они чередовались с эпохами многократных инверсий, что выражено в разрезе чередованием горизонтов с постоянной ориентировкой векто­ров первичной намагниченности и горизонтов с частыми инверсиями. Это облегчает выделение в разрезе характерных реперов, по которым можно осуществлять корреляцию разрезов. При сопоставлении гори­зонтов прямой и обратной намагниченности только по их знаку всегда возможны ошибки, так как в разрезах имеются скрытые перерывы в осадконакоплении. Поэтому палеомагнитный метод надо применять в совокупности с биостратиграфическими и радиогеохронологическими. Его ценность определяется тем, что каждая инверсия магнитного по­ля Земли происходила повсюду одновременно, а поэтому палеомаг- нитные горизонты являются строго одновозрастными. Однако сам ме­тод весьма трудоемкий и требует большого числа точек наблюдений. Наиболее эффективен он для континентальных н вулканогенных серий.

ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЕ (БИОСТРАТИГРАФИЧЕСКИЕ) МЕТОДЫ

Более надежными методами определения относительного возраста от­ложений и корреляции последних на больших территориях являются палеонтологические методы, основанные на использовании ископаемых остатков организмов.

В основе палеонтологических методов лежит принцип последова­тельной смены неповторяющихся в разрезах фаунистических и флори­стических комплексов, отражавших этапность их исторического раз­вития. Преимущество этих методов стратиграфии перед другими со­стоит в том, что они базируются на одном из основных положений эволюционной теории — неповторяемости эволюции. Необратимость эволюционного процесса впервые установил Ч. Дарвин. Он указал, что исчезнувший вид никогда не может появиться снова. Бельгийский уче­ный Л. Долло в 11893 г. положение о необратимости эволюции выдви­нул в качестве «закона эволюции», согласно которому организм не может вернуться хотя бы частично к прежнему состоянию, которое было уже осуществлено в ряду его предков.

В основе палеонтологических методов лежит также явление ши­рокого пространственного распространения ископаемых остатков орга­низмов, что позволяет осуществлять корреляцию разрезов отдален­ных друг от друга областей..

Определение возраста горных пород (их датировка) производится путем сравнения окаменелостей из этих пород с теми, которые встре­чаются в опорном разрезе. При расчленении и корре­ляции разрезов надо знать вертикальное распределение ископаемых остатков организмов по разрезу. Иногда они встречаются от подошвы до кровли и тогда полученные данные о возрасте будут относиться ко всему этому слою. Чаще же окаменелости встречаются спорадически, т. е. приурочены к определенным уровням в изучаемом слое, и воз­раст, установленный по таким формам, условно распространяется на весь слой.

Существуют несколько биостратиграфических методов определения возраста горных пород. Ниже рассмотрены некоторые из них.

Метод руководящих форм. Руководящими формами на­зывают остатки вымерших животных и растений, которые отвечают

определенным требованиям: они должны иметь небольшое вертикальное распространение по разрезу пород, но широкое в горизонтальном на­правлении (географическое), встречаться в слоях в достаточно боль­шом количестве экземпляров, иметь хорошую сохранность и характер­ные особенности строения, позволяющие легко их определять. Обычно руководящие формы приурочены только к определенному слою, поэто­му по ним легко определить относительный возраст слоя, в котором они находятся.

метод анализа фаунистических и флористиче­ских комплексов. В отличие от метода руководящих форм при анализе фаунистических и флористических комплексов используют весь палеонтологический материал или определенные группы вымер­ших организмов. Одно из важных преимуществ этого метода состоит в том, что корреляция и выводы о геологическом возрасте базируются не на единичных, иногда случайно выбранных формах (видах), а на совокупности всех форм выбранной группы или различных групп ор­ганизмов. Важно также и то, что данные о возрасте, полученные при анализе комплекса одной группы организмов, можно контролировать по другим группам; это снижает вероятность ошибки. Поэтому метод комплексов нашел широкое практическое применение и в настоящее время является основным при биостратиграфических исследованиях.

Эволюционный (филогенетический) метод. Опреде­ление относительного возраста слоев, расчленение и корреляцию раз­резов при помощи этого метода производят по уровню эволюционного развития выбранной группы форм (рода, семейства и т. д.).

В процессе эволюции непрерывно увеличивается разнообразие как животных, так и растений, усложняется и усовершенствуется их организация. В силу необходимости организмы вынуждены приспосаб­ливаться к той среде, в которой они обитают, и это приводит со вре­менем к изменению их физиологических и морфологических особенно­стей. Постепенное накопление новых признаков в конечном итоге обу­словливает появление новых таксонов (видов, родов).

В задачу эволюционного метода входит установление родственных связей между организмами выбранной группы, т. е. установление их исторического развития или филогенеза. Как правило, новые таксоны, т. е. формы-потомки, стоят на более высокой ступени эволюционного развития, чем их предки, и обычно находятся в более молодых отло­жениях.

Установление филогенетических взаимоотношений организмов раз­ных групп дает возможность понять законы эволюции и закономерное нахождение каждой формы в цепи сменяющихся во времени видов. Тем самым устанавливается значение этих форм для определения воз­раста горных пород.

Для того чтобы установить филогенез любой изучаемой группы, необходимо выяснить, когда появились входящие в эту группу орга­низмы, в течение какого времени они существовали, кто из них были предками, а кто потомками. Иначе говоря, необходимо выяснить их родословную. Ответ на первые два вопроса можно получить из стра­тиграфического разреза путем установления вертикального распростра­нения этих организмов. Восстановление же родственных связей — бо­лее сложная задача, так как в ископаемом состоянии сохраняется не весь организм, а только его скелет или отдельные части скелета; нередко бесследно исчезают отдельные звенья филогенетического ряда.

При установлении родственных связей между организмами поль­зуются сравнительно-анатомическим, сравнительно-эмбриологическим и другими анализами. В первом случае рассматривается степень сход­ства элементов скелета (наружного или внутреннего) представителей изучаемой группы, что в какой-то мере отражает степень родства. Так, например, в верхнедевонских отложениях Гренландии были найдены остатки скелета древнейших земноводных — ихтиостегид. В строении черепа, хвоста и конечностей обнаружилось большое сходство с подоб­ными элементами скелета некоторых кистеперых рыб. Применение сравнительно-анатомического анализа позволило установить, что пер­вые земноводные произошли от кистеперых рыб. Во втором случае прослеживаются стадии развития одной особи от зародышевого до взрослого состояния, т. е. его онтогенез. Согласно основному биогене­тическому закону онтогенез (индивидуальное развитие организма) яв­ляется упрощенным повторением филогенеза (исторического развития предков данной формы). По отдельным далеко не полно сохранив­шимся признакам предковых форм в эмбриональной части изучаемой особи удается установить ее предков. Сравнительно-эмбриологический анализ можно применить к тем группам вымерших организмов, у ко­торых сохраняются начальные стадии развития (аммоноидеи, биваль- вии, брахиоподы, фораминиферы, кораллы и др.). Так, например, изу­чая последовательные обороты раковин некоторых мезозойских аммо­нитов, установлено, что начальные обороты у них имеют гониатитовую лопастную линию, а последние — аммонитовую. Это дало основание считать, что предками аммонитов были гониатиты. Таким образом был сделан вывод, что в процессе эволюции аммоноидей усложнялась ло­пастная линия.

Выявленные родственные связи можно изобразить в виде схемы филогенетических взаимоотношений (рис. И). При расчленении раз­резов особое внимание следует обратить на момент появления новых видов, что позволяет определять границы выделяемых стратиграфиче­ских подразделений.

Как мы видели, в предыдущих методах учитывается простое на­хождение форм или их комплексов в тех или иных слоях. Рассматри­ваемый метод определяет эволюционное положение этих форм, зако­номерно обусловленное развитием той группы организмов, к которой они принадлежат. Поэтому он является более точным, научно обосно­ванным и ведущим в биостратиграфии.

Разработав филогенез какой-либо группы организмов, можно рас­членить отложения по уровню развития заключенных в них форм. Так, крупные этапы развития аммоноидей положены в основу расчленения палеозойских и мезозойских отложений (гониатиты — девон — пермь, цератиты — пермь — триас, аммониты — юра и мел).

Эволюционный метод приобретает большое значение при сопостав­лении удаленных разрезов. Если даже в таких разрезах не окажется общих форм, то сопоставление может быть произведено по уровню развития родственных групп организмов.

К основным недостаткам метода относится сложность его приме­нения, связанная с неполнотой палеонтологической летописи (отсутст­вие остатков организмов в отдельных слоях стратиграфического раз­реза или отсутствие самих слоев).

В природе широко развито явление конвергенции, т. е. схождения признаков. При этом у разных групп организмов, не связанных род­ственными отношениями, в результате существования в близких усло­виях и сходного образа жизни возникают подобные морфологические признаки. Так, например, такие далекие в родственном отношении организмы, как археоциаты, губки и кораллы, имеют сходную кубко- образную форму скелета. Таким образом, принимая внешнее сходство за ведущий признак при установлении родственных связей, можно до­пустить ошибку.

Использование микропалеонтологических объ­ектов в биостратиграфии. Значение ископаемых микроор­ганизмов (в особенности простейших) для стратиграфии было оценено сравнительно недавно, в 20-х годах текущего столетия. Однако за ко­роткий промежуток времени были достигнуты очень большие резуль- 22 таты по дробному расчленению и корреляции осадочных толщ как на континентах, так и в океанах. По комплексам микроорганизмов легко устанавливается и относительный возраст горных пород.

Важное значение для стратиграфии морских отложений имеют фораминиферы. Расчленение разрезов основано на установлении вер­тикального распространения отдельных видов и выявлении комплек­сов фораминифер, свойственных тому или иному стратиграфическому подразделению. Для общей характеристики комплексов большое зна­чение имеет степень их разнообразия. Широкое географическое рас­пространение фораминифер позволяет проводить корреляцию на зна­чительных площадях. Ассоциация планктонных фораминифер кайно­зоя, например, прослеживается в виде поясов, охватывающих весь земной шар.

Большое стратиграфическое значение имеют также остракоды (низшие ракообразные). В отличие от фораминифер, они встречаются не только в морских отложениях, но и в отложениях пресноводных и солоноватоводных бассейнов, где достигают большого разнообразия. Они известны с раннего палеозоя. Быстрая эволюция позволяет ис­пользовать остракод для расчленения и корреляции палеозойских, ме­зозойских и кайнозойских отложений, сформировавшихся в бассейнах разной солености.

Спорово-пыльцевой анализ сравнительно недавно (1916 г.) вошел в практику геологических работ и среди других палеонтологических методов занимает особое положение. Объектом изучения яеляются микроскопические оболочки спор и пыльцы растений. Вещество, из ко­торого состоят эти оболочки, с трудом поддается разрушению даже при обработке концентрированными кислотами и едкими щелочами. Поэтому споры и пыльца прекрасно сохраняются в ископаемом со­стоянии.

Проценно-статистический метод был введен в стра­тиграфию Ч. Лайелем в прошлом столетии и широко применялся до 30-х годов нашего века. Ч. Лайель применил процентно-статистический метод для стратиграфического расчленения и корреляции кайнозой­ских отложений Западной Европы. На основании процентного содер­жания современных видов моллюсков в этих отложениях он выделил эоцен, миоцен и плиоцен. К эоцену были отнесены отложения, содер­жащие 3,5% ныне живущих видов моллюсков, к миоцену 17%, к ниж­нему плиоцену 35—50%, а к верхнему плиоцену 90—95%.

Следует отметить, что процентно-статистический метод является формальным, его применение не раз приводило к ошибкам в страти­графии. По мере накопления фактического материала выяснилось, как уже указывалось ранее, что в разновозрастных, но близких по соста­ву отложениях иногда встречается больше одинаковых видов, чем в одновозрастных, но имеющих разный литологический состав.

В настоящее время этот метод для решения стратиграфических, задач используют только в совокупности с другими палеонтологиче­скими методами.

Несмотря на все преимущества палеонтологических методов, они не могут считаться универсальными. Немалый процент в составе зем­ной коры составляют метаморфические, интрузивные и эффузивные породы, не содержащие ископаемые остатки организмов. Даже среди осадочных пород нередко встречаются толщи, лишенные остатков ор­ганизмов, или, как их называют, палеонтологически «немые». Для оп­ределения относительного возраста таких отложений палеонтологиче­ские методы неприменимы.