книги из ГПНТБ / Косыгин, Ю. А. Основы тектоники

IOO

Омская Саргатская Большереченсная Ново-Логиновская

Рис. 9. Несоответствие слоев, выделяемых по литологическим и палеонтологи­ ческим признакам, в мезозойских отложениях Западной Сибири. По Л. Я* Труш­ ковой, 1967 г.

если литологическая граница совпадает с одной из таких пересекающихся границ, то она должна пересекаться с другой из них. Случаи пересечения одних биостратиграфических границ с другими очень часты; их можно разбить на несколько групп.

К первой группе отнесем такие примеры, когда фауна (флора, отдельный вид, род и т. д.) а, во всех разрезах располагавшаяся ниже фауны (флоры, отдельных видов, родов и т. д.) β, обнаруживается в каком-либо разрезе или участке выше а. К этой группе относятся переотложенные, реликтовые, суперститовые фауны или формы.

Наиболее ярким примером реликтовых форм являются современ­

являются руководящей формой среднего карбона, а на Северной Двине он отмечен в верхнем карбоне. Подобным же образом Chonetes Carboniferus в Подмосковье характерен для среднего и верхнего карбона, кроме самого верхнего (омфалотрохового) горизонта кар­ бона, а на Тимане он присутствует в пермских отложениях [79]. Примеры переотложения известны каждому геологу. Если иногда они и подвергаются обсуждению, то обычно в одном смысле — дей­ ствительно ли форма переотложена в данные слои или она жила на этом месте при их формировании.

---------------------------------------------------------------------------- I01

Как пишет, например, В. П. Нехорошей [120, стр. 101], иногда «переотложение» фауны «подводится» под определенную идею . . .». Однако для статического подхода решение этого вопроса несуще­ ственно — в данном случае важно лишь, что сейчас эта окаменелость находится в этих слоях.

окаменелости а иногда называются баррандовскими фаунами или колониями Барранда. К таким же результатам в современном стати­ ческом геологическом пространстве приводит и явление «вмыва» молодых форм в более древние породы. В качестве примера пере­ сечений второй группы можно привести брахиоподу Striatifera striata (Fisc h.), руководящую форму верхов визе — низов намюра, известную в этих отложениях от Англо-Бельгийского бассейна до Китая включительно. Неожиданно эта форма была найдена в ассо­ циации с руководящими турнейскими брахиоподами [120]. Из кембрийских пород с трилобитами Восточного Саяна и из докемб­ рия Криворожья были обнаружены каменноугольные споры [114]. Находки спор были объяснены их «вмывом» в древние породы из более молодых. Во всех отмеченных случаях очевидно, что границы распространения окаменелостей а пересекаются с границами рас­ пространения некоторой фауны β, причем последние приняты за изохронные границы.

К третьей группе пересечений относятся случаи обратной после­ довательности окаменелостей а и β в разных разрезах. Приведем один пример.

Возраст «ежового горизонта» залива Корфа на Камчатке, содер­ жащего остатки моллюсков, всегда считался более молодым, чем возраст перекрывающей его флороносной толщи. Так, И. П. Хо­ менко (1933 г.) сопоставлял «ежовый горизонт» по сходству фауны со средним миоценом, а А. Н. Криштофович (1934 г.) сравнивал флористические комплексы с олигоцен-миоценовыми. После сравни­ тельного изучения сахалинских и камчатских разрезов Ю. С. Сали­ ным было установлено сходство фаунистического комплекса «ежового

комплекса и сертунайского фаунистического комплекса противо­ положна последовательности корфского флористического комплекса и комплекса моллюсков «ежового горизонта».

Обычно считается, что если подобные примеры пересекающихся границ свойственны для остатков растений и животных бентоса, то окаменелые пелагические формы ведут себя более закономерно по отношению друг к другу. Однако и для пелагических форм из­ вестны факты «скольжения» и пересечения границ. Так было уста­ новлено «возрастное скольжение» аммонитов Gonioboloceras, в Цен­ тральном Казахстане ассоциирующих с позднетурнейским ком-

-------------------------------------------------------------------------------------------- 103

ходке шахт, тоннелей, буровых скважин. Нет нужды приводить конкретные подтверждения успешного проведения подобной корре­ ляции. Если бы проверка показывала противоположный результат, как это должно было бы следовать из закона, утверждающего пере­ сечение литологических границ с палеонтологическими, методы корреляций литологических тел по палеонтологическим признакам давно были бы отвергнуты.

Необходимо поэтому принять как исходные предпосылки оба утверждения о пересечении и о непересечении границ, воплотив их в формулировку: слои разной специализации находятся в произ­ вольных соотношениях, т. е. они могут пересекаться, но могут и не пересекаться. Учитывая, что для корреляции полезны только такие специализации, при помощи которых могут быть проведены границы, не пересекающиеся с заданными (собственными) границами, и что такие специализации могут быть найдены, следует поставить вопрос об отборе таких полезных несобственных специализаций. Эта задача сформулирована нами совместно с Ю. С. Салиным; предложена методика отбора полезных специализаций, основанная на теории отношений и использовании матриц.

Так как множество несобственных признаков обычно велико (геолог почти всегда при описании фиксирует избыточное коли­ чество признаков, большинство которых не используется при выде­ лении тел), надо полагать, что задача отождествления пластов раз­ ных разрезов всегда может быть решена указанным приемом.

Исходным материалом для проведения границ, как заключитель­ ной операции построения полноопределенного пространства, служат горизонты скоррелированных одномерных геологических тел (стра­ тиграфических подразделений конкретных разрезов). Границы этих горизонтов в описанных разрезах обычно имеют привязку к геогра­ фическим координатам. Это либо отметки глубины от уровня моря (для скважин) и величины широты и долготы, либо (чаще) абсолют­ ные отметки от уровня моря и цифры координат по километровой сетке данного листа планшета. Задача сводится к установлению значения трех координат (х, у, z) во всех промежуточных точках по известным значениям в некоторых точках наблюдения и решается обычно методами структурной геологии. Чаще всего она решается графически; известны также примеры аналитических методов ре­ шения. В общем случае задача не имеет единственного решения. В са­ мом деле, мы можем провести между двумя известными точками пря­ мую (в случае аналитического способа — интерполировать, ис­ ходя из линейного уравнения) и предположить, что все промежуточ­ ные точки располагаются на этой прямой. Но мы можем с тем же правом провести между точками наблюдения и параболу, гипер­ болу, синусоиду или любую другую кривую (в случае аналитического способа — интерполировать, исходя из любого нелинейного урав-

зависит от многих факторов, часто субъективных, например от опыта, интуиции исследователя, сведений об успешности или не­ удаче предшествующего применения той или иной модели интер­ поляции.

Однако иногда совсем не обязательно знать точное положение границы в промежуточной точке. Например, если при поисковых работах мы не собираемся бурить именно в данной точке и вскры­ вать пласт на вычисленной глубине, а просто хотим знать общий характер структуры данного участка, — имеем ли мы дело здесь с антиклиналью или синклиналью, то оказывается вполне доста­ точным дискретный подход к описанию структуры. По положению данного множества точек относительно некоторого нулевого уровня всегда может быть получен ответ на поставленный вопрос. Для дру­ гих, также поисковых целей бывает достаточно грубой, приблизи­ тельной классификация структуры по морфологии границ. Напри­ мер, кроме антиклинального типа складки иногда необходимо знать также и ее приблизительные размеры, степень вытянутости, соотношение высоты и напряженности, ориентировку и т. п. В таких случаях было предложено заменять истинную конфигурацию складки конфигурацией ее наименьшей описанной выпуклой оболочки [57].

Описание полноопределенного пространства в осадочной оболочке

После построения полноопределенного пространства производится его описание. Выбор признаков, фиксируемых при описании пол­ ноопределенного пространства, должен производиться с позиции определенной цели. Цели описания могут быть очень различными. Важнейшей задачей тектоники' является установление структуры геологического пространства. Различные поисковые, инженерные потребности могут приводить и к построению различных структур­ ных описаний. Должен существовать, однако, некоторый единый для всех целей и территорий, общий подход, позволяющий приво­ дить различные целевые построения к единой координатной системе и на этой основе сравнивать их друг с другом, извлекать из них нечто общее, инвариантное для всех них, и в то же время обнару­ живать их различия. Представляется, что построение такой общей координатной системы должно основываться на наиболее простых и повсеместно распространенных свойствах. Именно этими наиболее простыми и повсеместно распространенными ее свойствами мы и ограничимся при описании. Такое описание будет удовлетворять, по-видимому, требованиям создания тектонических, структурных, геологических карт для всей планеты или для больших ее террито­ рий, для решения наиболее общих поисковых проблем, для самых обобщенных исторических реконструкций.

105

При стратиграфическом описании трехмерного геологического пространства фиксируются только вещественные признаки, имею­ щие смысл для любой точки тела или для тела в целом, а также пространственные отношения тел. Среди пространственных отноше­ ний наиболее важны отношения последовательности тел типа «выше— ниже» по стратиграфической нормали и отношения латеральной последовательности тел в пределах одного и того же стратиграфи­ ческого горизонта. Оба типа отношений устанавливаются в модели, на уже построенном геологическом пространстве, т. е. на уровне конструктов, а не на уровне наблюдений, как в случае с отно­ шениями «выше—ниже» для тел в отдельных колонках.

Для перечисления слоистых геологических тел в порядке их напластования необходимо прежде всего установить направление вектора, по которому будет производиться отсчет положения тел. Таким вектором в геологической практике принята стратиграфи­ ческая нормаль — линия, проходящая снизу вверх перпендику­ лярно поверхностям напластования. Проведение нормали в про­ странстве, выполненном слоистыми толщами, обычно не представляет затруднений.

Отношения латеральной последовательности геологических тел также легко могут быть установлены, если дано направление век­ тора, поекоторому должен производиться отсчет положения тел. Сложность установления латеральной последовательности заклю­ чается в том, что такой вектор очень трудно построить. Для его построения необходимо иметь результаты корреляции подразде­ лений отдельных геологических разрезов. Вектор должен быть рас­ положен в пределах трехмерного геологического тела, полученного путем сопоставления отдельных одномерных тел. Это ограничение представляется бесспорным, однако вектор должен продолжаться и там, где тело выклинивается, иначе его построение теряет всякий смысл. Очевидно, можно трактовать некоторые практически исполь­ зуемые приемы построения, как продолжение вектора за пределы тела в том же направлении; как только он войдет в следующее геоло­ гическое тело, он должен следовать параллельно' поверхностям напластования, не выходя из пределов тела. Таким образом, могут быть разъяснены способы построения стратиграфического горизонта, предложенные Н. А. Головкинским [56].

Предложены и иные способы. Например, В. К. Крумбейн и Л. Л. Слосс [94] предлагают два способа установления идентичности стратиграфического интервала. В первом случае идентичными счи­ тать два тела, перекрытых сверху одним и тем же телом и подсти­ лаемых снизу одним и тем же телом; при этом оба сравниваемых, подстилающее и перекрывающее тела, выделены по одному и тому же списку свойств. Во втором случае идентичными предлагается счи­ тать тела одной и той же специализации, совпадающие с третьим телом другой специализации. Например, идентичными могут счи­ таться слои высокого и низкого электрического сопротивления, отвечающие одному и тому же пласту песчаника, или карбонатная

106

и терригенная толщи, содержащие один и тот же фаунистический комплекс, и т. д. Вектор, по которому производится отсчет лате­ ральной последовательности тел, должен располагаться в пределах одного и того же стратиграфического интервала [94].

Несомненно, что два способа могут давать различные резуль­ таты. Различные результаты могут быть получены даже в пределах одного способа. Вспомогательное тело, по совпадению с которым устанавливается идентичность стратиграфического интервала, мо­ жет быть выделено по разным специализациям, дающим пересекаю­ щиеся друг с другом границы. Однако такая неоднозначность при целевом подходе к стратиграфическим построениям, о котором под­ робнее будет сказано ниже, не является недостатком.

Вопрос о назначении и способах построения стратиграфических шкал дебатируется. В ходе дискуссии выявлены две крайние точки зрения. Согласно одной из них, «принципы и критерии выделения для всех стратиграфических подразделений едины. В этом отноше­ нии вспомогательные (местные) подразделения ничем не отличаются

геологические тела, каждое из которых знаменует тот или иной этап истории развития региона, и подразделения МСШ, при помощи только палеонтологического метода датирующие эти этапц, глубоко и принципиально различны: региональная стратиграфическая схема выражает геологическую историю региона, а МСШ представляет собой лишь хронологию этой истории. Те и другие принципиально

Обсуждаемые вопросы легко могут быть разрешены с помощью понятий о моделировании, о геологических пространствах разной специализации и их соотношениях. Согласно определению Б. С. Со­ колова, наиболее удачному с позиции требовании системного под­ хода, «. . . полный скоррелированный свод этих подразделений (свит, серий, горизонтов) любого региона образует его стратиграфи­ ческую схему — своеобразную модель, отражающую положение стратиграфических тел в исследуемом пространстве» [146, стр. 159]. Действительно, стратиграфическая шкала является моделью геоло­ гического пространства, системой, элементами которой являются геологические тела, а системообразующими связями — вертикаль­ ные и латеральные отношения порядка. Достаточно очевидно, что стратиграфическая шкала является предельно бедной в информа­ ционном смысле моделью. Путем последовательных приближений она может быть преобразована в более богатую модель — в текто­ ническую схему или геологическую карту. Для этого в нее должны быть внесены сведения о элементах залегания, дислокациях, поло­ жении описываемых тел в координатной системе и т. д.

Поскольку тела, выделенные в одном и том же участке по разным спискам свойств, находятся в произвольных соотношениях, могут

107

быть различными и модели этих пространств разной специализации, будь то схемы расчленения, стратиграфические шкалы, тектониче­ ские схемы или геологические карты. Так как для разных практиче­ ских целей представляют интерес разные списки свойств, то оче­ видно, что схемы расчленения и стратиграфические шкалы, скажем, для целей нефтяной геологии будут отличаться от таких же страти­ графических моделей угольной геологии; стратиграфия для целей поисков фосфоритов будет иной, чем стратиграфия для целей инже­ нерной геологии. Вообще, имеет смысл говорить о разных целевых стратиграфиях.

В то же время должна существовать и некоторая общая, единая стратиграфия. Различия в назначении целевых стратиграфий и единой стратиграфйи аналогичны различию целевых тектонических описаний и общего тектонического описания. Единая стратиграфия должна служить основой (единой стратиграфической вертикалью) для общих тектонических построений. Только единая страти­ графия позволяет устанавливать взаимоотношения тел разных районов.

Для построения более богатых в информационном смысле, чем стратиграфические шкалы, моделей геологического пространства необходима фиксация дополнительных свойств и отношений. Боль­ шинство .из них связаны с геометрией тел или их границ. К таким свойствам и отношениям принадлежат мощности и их изменения, элементы залегания слоев, структурные отношения (согласные и несогласные залегания), дислокации.

Глубинные слоистые структуры

Помимо выделяемой по петрографическим и биостратиграфическим признакам слоистой структуры осадочной оболочки в простран­ стве Земли могут существовать другие слоистые структуры. К числу их относится, например, слоистая структура, обязанная гравита­ ционной дифференциации вещества при застывании плутонов, сло­ истые структуры геоэлектрической природы, образуемые слоями различной электропроводимости, которая изменяется в зависи­ мости от состава поровых вод, а также с глубиной в соответствии с термодинамическими условиями и т. д. Подобного рода слоистые структуры носят глубинный характер; расположение слоев в этих структурах не подчинено закону последовательности напластова­ ния, а следовательно, не может быть непосредственно использовано для реконструкции истории Земли. В глубинных слоистых структу­ рах фиксируются не процессы, последовательно проходившие на поверхности Земли, а процессы распределения и различных изме­ нений вещества в недрах планеты. Для суждения о внутреннем Строении Земли и процессах распределения вещества в ее недрах наиболее существенной является глубинная слоистая структура, устанавливаемая по скоростям прохождения упругих волн.

108

Основные элементы слоистой структуры земной коры и мантии по скоростям прохождения упругих волн

Изучение фигуры Земли и сопоставление ее с фигурой равновесия неоднородной вращающейся жидкости показывает, что Земля в це­ лом находится в состоянии гидростатического равновесия. Отсюда, а также учитывая существование неравномерного распределения плотности от поверхности к центру приходим к выводу о слоистом строении Земли [108, стр. 81].

Представление о слоистом строении Земли уточняется изуче­ нием упругих свойств (сейсмические данные). Согласно Б. Гутен­ бергу [63], основными элементами сферической слоистой структуры Земли можно считать кору (Crust, écorce, terrestre), мантию (Mantle, mantle, manteau) и я д p о (κern, core, noyan). На границе коры и мантии (поверхность Мохоровичича, «Мохо», «М»), а также мантии и ядра скорости сейсмических волн изменяются резким скачком, т. е. эти границы являются геологическими гра­ ницами первого рода.

В соответствии со схемой Р. Е. Буллена принимаются следующие обозначения слоев Земли: А —земная кора, В, С, D', D" — раз­ личные слои мантии, E — внешнее ядро, F — переходная зона и G — внутреннее ядро. Граница ядра является наиболее отчетли­ вым сейсмическим разделом в теле Земли; скорость продольных волн здесь изменяется скачком от 13,2 до 8,5 км/с.

Представление о земной коре как наружном слое Земли, огра­ ниченном снизу поверхностью Мохоровичича, является наиболее принятым, и именно этот смысл вкладывается в термин «земная кора» в нашем изложении. Следует иметь в виду существование иных толкований этого термина. Например, под земной корой иногда подразумевается верхняя оболочка Земли мощностью 700 км, в пре­ делах которой возникают землетрясения [17], или даже «поверх­ ностные слои Земли, которые участвуют в формировании изотопов свинца» за счет распада урана и тория [118, стр. 688].

В пределах континентального блока земной коры обычно выде­ ляется верхний СЛОЙ (X1) СО скоростями продольных ВОЛН (í»p) от 5,1 до 6,4 км/сек и скоростями поперечных волн (us) 3,0—3,8 км/с

и нижний слой (X2) с υp от 6,1 до 7,4 км/с и us от 3,6 до 4,2 км/с [63, табл. 6]. Между ними местами проводится граница Кон­ рада, установленная в 1925 г. при изучении волн от землетря­ сения в Восточных Альпах.

Как отмечают И. П. Косминская и Ю. Μ. Шейнманн [86], поверх­ ность Конрада надежно определяется лишь при глубине ее залега­ ния не более 1/2 или 2/3 от глубины поверхности Μ. Граница Кон­ рада является границей второго рода, а в ряде случаев проводится как условная (статистическая) граница. Кроме того, граница Конрада в разных районах проводится в разных интервалах скоростей. Например, в Южной Зеландии она разделяет части земной коры со значения-ми 6,0 и 6,3 км/с, а в Калифорнии 6,4 и 7,1 км/с. В ти-

109

личной океанической коре верхний слой отсутствует, а нижний слой обладает относительно узким диапазоном υp (6,3—7,0 км/с) и по­ этому, вероятно, иным, более однообразным петрографическим и химическим составом, чем в пределах континентального блока.

Наряду с континентальным и океаническим типами земной коры выделяется целая серия промежуточных типов. К ним относится, например, «подледниковый тип» земной коры, характеризующийся небольшой мощностью верхнего слоя при большой мощности зем­ ной коры в целом [185].

В районах, где проведены детальные исследования методом ГСЗ, намечается разделение коры на более тонкие слои.

При переходе через поверхность Мохоровичича Vp резким скач­ ком возрастает до 8,1—8,2 км/с, a vs до 4,7 км/с. Однако в некото­ рых районах «. . . определение границы M затруднено, намечается целая зона перехода от коры к мантии» [86, стр. 6]. В Кордилье­ рах Северной Америки в области бассейнов и хребтов, согласно

Такое неустойчивое положение раздела M характерно для районов с интенсивными современными или новейшими движениями.

C установлением волноводов и оценкой их возможной роли в тек­ тоническом развитии Земли связан ряд новейших геотектонических гипотез, в частности так называемая «плитная тектоника». По сей­ смологическим данным устанавливается существование в мантии Земли слоя низких скоростей, который служит проводником сейсми­ ческой энергии — каналом или волноводом для сейсмических волн. Такой слой начинается на континентах на глубине 100—200 км, под дном океанов на глубине 50—60 км, а по некоторым данным под Атлантическим и Индийским океанами на глубине 20 км. Суще­ ствование волновода может быть связано с нагревом вещества ман­ тии [109].

О более тонкой по сравнению со схемой Буллена структуре мантии говорят данные региональных сейсмологических исследо­ ваний последних лет. Так, Р. 3. Тараканов и Н. В. Левый в пере­ ходной зоне от Азиатского материка к Тихому океану в мантии на глубинах 65—90, 120—160, 230—300 и 370—430 км выделяют четыре астеносферных слоя с усиленным поглощением поперечных волн, перемежающихся со слоями повышенной прочности [36]. Установление полиастеносферности мантии значительно усложняет ретроспективные реконструкции, связанные с идеей плитной тек­ тоники.

Истолкование сейсмических слоев и границ

Для изучения строения и развития Земли в целом или только зем­ ной коры существенно выяснение соотношения слоев, выделяемых по сейсмическим данным, и других структурных элементов, выде-