Раздел 11. Методы стратиграфических исследований

Содержание раздела 11: Методы биостратиграфии и литостратиграфии. Тектоностратиграфический подход при расчленении и корреляции разрезов. Климатостратиграфический метод. Идеи событийной стратиграфии. Диахронность границ геологических тел. Геохимические методы в стратиграфии. Геофизические методы в стратиграфии. Инверсия магнитных полюсов. ейсмостратиграфический метод.

При статиграфических работах используются многочисленные палеонтологические и непалеонтологические методы исследований. Наиболее употребляемыми являются - биостратиграфический, литологостратиграфический, тектоно-стратиграфический, метод событийной стратиграфии, а также группы геохимических и геофизических методов.

Методы биостратиграфии и литостратиграфии.

Биостратиграфические методы основаны на использовании органических остатков для датировки возраста отложений и их корреляции. Этот метод включает а) определение в конкретных разрезах рубежей, на которых происходит изменение состава остатков организмов, б) выделение интервалов, содержащих характерные комплексы органических остатков, в) анализ комплексов органических остатков. Намеченная таким образом последовательность смены органических остатков или их комплексов в изучаемом разрезе и служит основанием для его расчленения.

Методы основаны на принципе необратимости биологической и геологической эволюции: организм никогда не сможет вернуться к предковому состоянию, даже если он окажется в обстановке, близкой к условиям обитания предков, т.е. в истории развития организмов не может быть повторения одинаковых растений и животных.

Преимущество этого метода основано на широком пространственном распространении многих организмов и их комплексов, что делает возможным корреляцию на основе палеонтологического метода разрезов отдаленных друг от друга областей. По ряду организмов можно проводить планетарные корреляции. Определение возраста толщи горных пород и отнесение ее к той или иной стратиграфической единице осуществляется путем сравнения найденных ископаемых остатков с теми, которые встречаются в опорном или стратотипическом разрезе. При этом надо учитывать неполноту стратиграфической и палеонтологической летописи.

Остатки ископаемых организмов по-разному распределяются в разрезе и имеют различное стратиграфическое значение, вызванное тем, что разные их группы отличаются друг от друга неравномерностью распространения их в пространстве и во времени, различными темпами эволюции, степенью связи с определенными физико-географическими обстановками (фациями) и климатическими поясами. Комплекс ископаемых остатков, характеризующий стратон, представлен комплексом видов, имеющих разные возрастные интервалы распространения. Среди них выделяют: 1.формы, стратиграфическое распространение которых ограничивается возрастными пределами данного подразделения, т.е. формы, не выходящие за его нижнюю и верхнюю границы. Они особенно важны. Среди них обычно выбирают так называемые руководящие виды для соответствующего стратиграфического подразделения или зональные роды или виды. 2. Формы, встречающиеся преимущественно в данном стратиграфическом подразделении, а также изредка в ниже- и вышележащих отложениях - характерные. Такие формы могут служить лишь указанием на возможность принадлежности отложений к данному стратиграфическому подразделению, или маркирующие одну из его границ. 3. Формы, встречающиеся в нижележащих отложениях и исчезающие около верхней границы данного стратиграфического подразделения, а также формы, которые появляются около его нижней границы и переходят в вышележащие отложения – появляющиеся или исчезающие. Их сочетание имеет большое значение в биостратиграфии, поскольку позволяет установить полный объем соответствующего подразделения. 4. Транзитные формы, т.е. формы одинаково часто встречающиеся как в самом стратиграфическом подразделении, так и в подстилающих и перекрывающих отложениях. Эти формы не имеют стратиграфического значения и могут быть использованы лишь для общей характеристики соответствующего стратиграфического подразделения. При проведении биостратиграфических границ предпочтение обычно отдается не исчезновению в разрезах тех или иных форм, связанных с их вымиранием, а появлению или массовому распространению отдельных таксонов, сообществ или их комплексов.

Значение различных групп фауны для биостратиграфии неодинаково. Существуют группы организмов, позволяющие проводить планетарные корреляции, эти группы организмов называют архистратиграфическими. Большая часть из них относится к пелагическим представителям, живущим в открытых водных бассейнах. Другие группы организмов, главным образом донные, могут распространяться в другие районы только в личиночной стадии. Они являются менее пригодными для широкой корреляции, но удобны при корреляции местных стратонов; эти группы организмов называют парастратиграфическими.

Для исследования районов, где отсутствуют обнажения коренных пород (так называемых закрытых), и изучаемых при помощи буровых скважин, огромное значение имеют микроскопические органические остатки (микрофоссилии) животного и растительного происхождения. Среди них тоже существуют архистратиграфические и парастратиграфические группы.

Прослеживание на определенной территории одновозрастных комплексов органических остатков называется биостратиграфической корреляцией. Основной единицей при биостратиграфической корреляции является биостратиграфические подразделения. Они представляют собой совокупности горных пород, охарактеризованные остатками организмов, границы между которыми определяются эволюционными изменениями отдельных таксонов, комплексов фауны (флоры) или сменой экологических ассоциаций. Стратиграфические границы этих подразделений должны быть приурочены в разрезах к уровням смены состава характерных таксонов или комплексов фауны (флоры), в том числе к датированным уровням.

Основной единицей биостратиграфических подразделений является биостратиграфическая зона, которая может подразделяться на подзоны, составляющие в сумме полный стратиграфический объем зоны.

Вспомогательными биостратиграфическими подразделениями являются слои с фауной (флорой) и датированные уровни.

Для определения геологического возраста биостратиграфия использует методы: руководящих ископаемых, комплексного анализа, количественный (процентно-статистический), филогенетический, палеоэкологический.

Метод руководящих ископаемых состоит в том, что одновозрастными считаются отложения с одинаковыми руководящими ископаемыми. 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 отвечать следующим требованиям: иметь широкое горизонтальное и узкое вертикальное распространение, встречаться часто и в большом числе экземпляров, а также легко распознаваться. Руководящими могут быть виды, роды и даже некоторые более крупные систематические группы (семейства, отряды, классы).

Метод комплексного анализа органических остатков заключается в выяснении распределения всех видов группировок окаменелостей в разрезах, установлении смены комплексов и прослеживании выделенных комплексов от разреза к разрезу. За счет того, что используются не отдельные виды, а более или менее обширные группы родов и видов, можно сопоставлять гораздо большее количество разрезов, в которых по разным причинам руководящие формы не обнаружены. Кроме того, к стратиграфическому анализу привлекаются не только архистратиграфические, но и парастратиграфические группы организмов. При применении этого метода необходимо анализировать также и особенности литологии разреза.

Количественные методы корреляции заключаются в использовании математического аппарата для анализа палеонтологических комплексов. В наипростейшей форме метод состоит в сравнении по содержанию общих видов окаменелостей комплексов в изучаемых слоях с комплексами из слоев опорного разреза. Этот метод применяется совместно с другими методами, так как одновозрастные, но разные по условиям жизни комплексы могут иметь мало общих форм. Он широко используется при микропалеонтологических исследованиях – диатомовом и спорово-пыльцевом анализах.

Филогенетический метод основан на законе необратимости эволюции и заключается в выяснении последовательности смены родственных организмов во времени. Метод основывается на принципах эволюционного развития организмов. Филогенетические изменения обычно связаны важными мировыми геологическими изменениями окружающей среды. Эти события не всегда могут четко проявлены в конкретной палеообстановке, однако, на эти изменения могут указать изменения в родственных видах, а также в последовательной смене органических комплексов. Чтобы применить филогенетический метод, надо выяснить филогенез конкретной родственной группы, т. е. установить, когда появились изучаемые виды, сколько времени они существовали, кто и какие были их предки, кто стали потомками и как они в свою очередь развивались. Применение филогенетического метода требует максимальной тщательности исследований и высокой квалификации палеонтолога, т.к. требует сравнительно-анатомического анализа.

Палеоэкологический метод. Метод часто используется при детальных стратиграфических исследований на небольшой территории для расчленения и корреляции разнофациальных толщ. Он применяется также в тех случаях, когда из-за краткости отрезка времени, в течение которого отложилась исследуемая толща осадков, виды организмов еще не успели заметно измениться и поэтому не могут служить руководящими формами. В этих случаях приходится распознавать слои и производить их сопоставление в разрезах, расположенных на сравнительно небольшом расстоянии, основываясь не на руководящих формах, а на наблюдениях над палеобиоценотическими, биостратономическими и тафономическими особенностями. К числу последних могут относиться густота расположения раковин и других органических остатков, их ориентировка, наличие или отсутствие следов жизнедеятельности организмов. Такие признаки обычно выдерживаются на некоторое расстояние по слою.

Палеоэкологический метод был предложен Р.Ф.Геккером в 40-х годах прошлого столетия при изучении им верхнедевонских отложений Главного девонского поля, а затем нижнекаменноугольных отложений Московской синеклизы. Он указывал, что при детальном стратиграфическом изучении сильно изменчивых в фациальном отношении толщ обычные принципы использования палеонтологического метода неприменимы. В отложениях рассматриваемого типа отсутствие одинаковых видов нередко наблюдается в строго одновозрастных отложениях, а одни и те же или очень близкие формы могут указывать на разновозрастность. Это явление связано с миграцией фаций и соответствующих им биоценозов во времени и пространстве.

Литолостратиграфические методы расчленения толщ горных пород состоят в выделении интервалов разреза (слоев или групп слоев), отличающихся от подстилающих и перекрывающих их стратонов по литологическим критериям. Литологическими критериями являются: петрографический состав пород и их минералогические особенности; характер слоистости и другие текстурные параметры; первичная окраска; состав конкреций; характер органических остатков; особенности цикличности строения разреза; наличие перерывов осадконакопления; смена литогенетических типов отложений, обусловленная сменой палеообстановок в бассейнах седиментации. Выделенные единицы стараются коррелировать с подразделениями аналогичной литологической характеристики и имеющими возрастную датировку.

Данные методы широко используются при полевых работах, т.к. на литологических признаках основано определение объема местных стратонов, в частности свит. Однако при решении задач региональной и глобальной стратиграфии эти методы применяются в меньшей степени в связи с тем, что литологические особенности толщ во многом связаны с условиями седиментации, которые неодинаковы как в разных бассейнах, так и в разных частях одного и того же бассейна. Отличаются они и в разных климатических поясах.

К литологическим методам относятся также минералого-петрографические, когда слои и пачки сравнивают по минералогическим ассоциациям, степени диагенеза и метаморфизма. Эти методы применяются на ограниченной площади, где действовали одинаковые геологические процессы.

Часто при литолостратиграфическом анализе можно установить характерные слои, получившие название маркирующие горизонты. Эти слои должны четко выделяться в разрезах и легко узнаваться. При помощи маркирующих горизонтов можно сопоставлять более или менее удаленные разрезы. Прослеживание этих горизонтов помогает выявить характер структур толщ, которые их включают. Однако применение маркирующих горизонтов имеет ограничения, т.к. ни один литологический признак не сохраняется неизменным и рано или поздно он расщепляется, выклинивается или заменяется другим.

Одной из разновидностей литологического анализа является ритмостратиграфический, в основе которого лежит изучение чередования литологических элементов в разрезах, их выделение и сопоставление из разных участков бассейна.

Этот метод использует ритмическую природу осадочных толщ, вызывающую чередование в разрезах сходных признаков повторяющихся в литологических элементах. Известно, что в бассейнах осадконакопления осаждение осадков связано с движениями земной коры - каждое вертикальное движение отражается определенным набором осадков (литологических элементов), изменяющихся по размеру зерен. При трансгрессиях он начинается более крупнозернистыми породами, а заканчивается мелкозернистыми. При регрессиях этот набор начинается мелкозернистыми породами, а заканчивается более крупнозернистыми. Такая закономерность может быть установлена на всех участках бассейна. Чередование толщ может образовывать асимметричные и симметричные наборы пород.

Для обозначения таких наборов осадков (литологических элементов) существуют термины «цикл», «ритм», «циклотема», которые являются почти синонимами. Разница заключается лишь в том, что термин «циклотема» применяется только к породам, а «цикл» и «ритм» – как к породам, так и к отрезкам времени.

В любой толще пород с цикличным строением можно выделить сочетания слоев, которые наиболее часто повторяются в разрезе. Эти сочетания слоев принято называть «типичными», «характерными», «нормальными» или «модальными» циклами.

Ритмичность (цикличность) бывает разной мощности и разных порядков: Мелкие ритмы (циклы) объединяются в крупные, которые в свою очередь могут являться частями еще более крупных ритмов (циклов). В связи с этим существует два типа классификаций: микроцикл – цикл – мегацикл; цикл – мезоцикл – макроцикл.

При ритмостратиграфическом анализе в разрезах определяются повторяющиеся наборы чередующихся пород (ритмы, циклы) и их границы. Для сопоставления удаленных разрезов в ритмично построенных толщах выделяют ритмы, отличающиеся характерными особенностям: мощностью частей ритма, его полнотой, примесью характерных минералов и т.п. Мощность элементарных ритмов (микроциклов) различна: от нескольких миллиметров до нескольких метров. Ритмичность типична для многих геологических тел осадочного происхождения - угленосных, соленосных, флишевых, поэтому анализ ритмичности широко используется для расчленения и сопоставления (корреляции) толщ на разных участках бассейна. Такую точность сопоставлений нельзя получить при анализе органических остатков.

Однако выводы об одновозрастности циклов в разрезах удаленных друг от друга районов нуждаются в дополнительном обосновании, т.к. сами по себе циклы не несут отпечатка возраста Часто не возможно определить какой цикл одного разреза надо сопоставлять с каким циклом другого разреза. Часто для этого используются аномальные толщи или органические остатки.