Тарасов / geokniga-geohistoricaldeodynamicbasinanalysis1999 (1)

явлено, что разница изотопных показателей (813Сорг- 8 13Скарб) есть сво­ его рода планетарная геохимическая константа, обусловленная про­ цессом фотосинтеза. Она составляет около 25 %ь и сохраняет свою величину со времени позднего катархея [Schidlowski et al., 1975]. При средних величинах 8|3Сорг —25 8ь и 813Скарб — 08ь соотношение масс Сорг: Скарб в «подвижном резервуаре углерода» [Гаррелс, Маккензи, 1974] составляет 0.18 : 0.82 — так называемое соотношение или коэф­ фициент Ронова. Поэтому утяжеление углерода карбонатов (при пита­ нии биосферы мантийной С 02 с постоянным изотопным составом 8|3С -5 8ь) возможно только за счет увеличения резервуара Сорг. Следова­ тельно, величина 8 С может служить мерой величины степени фоссилизации Сорг, или доли его, выпадающей из биологического круговоро­ та, а также величины первичной биопродуктивности [Юдович, Кертис, 1988]. Однако это верно только в среднем, и не всякое утяжеление кар­ бонатного углерода можно трактовать именно так. В каждом конкрет­ ном случае требуется тщательный анализ, нередко приводящий к раз­ личным точкам зрения на природу данного явления.

Последние данные по изотопии углерода позволяют говорить об «углеродной изотопной стратиграфии» (хемостратиграфии), дающей возможность коррелировать карбонатные толщи различных бассейнов, иногда с точностью, намного превосходящей биостратиграфическую [Ferreri et al., 1997; Melezhek et al, 1997].

Состав органического вещества. Породы, принадлежащие к чер­ ным сланцам, содержат гораздо больше органического углерода, чем нормальные глинистые сланцы и тем более обычные карбонаты, одна­ ко его содержание редко превышает несколько процентов [Юдович, Кетрис, 1988]. Большая часть органического вещества состоит из бес­ структурного керогена, но имеется непостоянная примесь различимых остатков организмов — оболочек динофлагеллат, пыльцы и спор с подчиненным количеством растительного детрита. Природа органиче­ ского углерода в прослоях битуминозных сланцев может быть различ­ ной. В целом накопление на дне морей и океанов осадков, в той или иной степени обогащенных Сорг, обеспечивалось действием двух фак­ торов: наличием повышенных содержаний самого органического ве­ щества и его захоронением на дне. Наиболее благоприятные условия для действия этих факторов возникали в так называемые политаксонные фазы резкого возрастания продуктивности биоты пелагиали во время эвстатического повышения уровня моря и расширения аквато­ рий эпиконтинентальных морей при относительно высокой и равно­ мерной температуре поверхностных вод, что приводило к уменьшению количества растворенного в воде кислорода. Сглаживался температур­ ный градиент и возрастала галогенная стратификация водной толщи.

96

При вялой ее динамике затруднялась доставка кислорода на дно и, как следствие, в придонной зоне развивалась стагнация. Большинство ис­ следователей связывает происхождение органического вещества (ОВ) морских осадков с жизнью пелагиали, поскольку от продуктивности пелагиали зависит количество поступающего на дно Сорг. Морской ге­ незис органики во многих разрезах подтверждается высокими концен­ трациями биофильных металлов — Си, Ni, Zn, V, Ва и др.). В то же время содержание Сорг в осадке не обязательно связано с высокой био­ продуктивностью и значительным привносом органического материа­ ла, а может быть результатом дефицита кислорода на дне.

Обзор публикаций показывает, что углерод органического вещест­ ва в морских разрезах может иметь двоякое происхождение — авто­ хтонное и аллохтонное, при этом для мелового периода ведущая роль отводится первому типу. В меловых разрезах океанов обнаружена зна­ чительная доля органического вещества наземного происхождения. На основе специального изучения органического углерода кернов много­ численных скважин DSDP Б. Саймонейт [Simoneit, 1986] пришел к выводу о том, что органическое вещество поступало в меловые океаны из разных источников и сохранялось в различных эвксинных обста­ новках.

1.5.5. ЭВСТАТИЧЕСКИЕ СОБЫТИЯ И МЕТОДЫ ИХ ИЗУЧЕНИЯ

Разрезы отложений эпиконтинентальных и краевых морей, в кото­ рых нет фациальных изменений, указывающих на непостоянную глу­ бину бассейна, встречаются редко. На практике часто наблюдаются систематические изменения в разрезе, которые связываются с цикли­ ческим осадконакоплением. При этом единицы разреза, отвечающие циклам, называются циклотемами (рис. 1.41). Такую циклотему мож­ но интерпретировать как результат единого трансгрессивно-регрессив­ ного цикла. При этом наиболее глубоководные отложения будут соот­ ветствовать времени максимальной трансгрессии моря.

Циклотема может отвечать либо региональному тектоническому событию, а именно, смене опускания поднятием либо глобальному по­ вышению и понижению уровня моря. Великий австрийский геолог Эдуард Зюсс предложил для глобальных событий второго типа термин «эвстазия». Он наметил три подхода к их изучению. Первый основан на исследовании современных береговых линий и пригоден поэтому только для анализа самых последних геологических событий. Второй и третий, опирающиеся на анализ осадочных формаций и прослежи­ вание изменения береговых линий древних морей, годятся для всего фанерозоя.

Рис. 1.41. Интерпретация типичной циклотемы в верхнемеловых от­ ложениях Западного Внутреннего бассейна С Ш А на основе представле­

ний о трансгрессиях и регрессиях.

Наиболее трудная часть таких исследований состоит в исключении влияния местной тектоники и в отделении эвстатического события от регионального фона. Необходимо также возможно более точное опре­ деление относительных скоростей и суммарной величины подъемов и понижений уровня моря и выявление их причины.

Характер разрезов. Наилучший материал по этой проблеме был получен при изучении мелководных морских толщ на относительно стабильных структурах. Если глубина моря была достаточно мала, то даже незначительные колебания уровня моря могли существенно отра­ зиться на характере осадконакопления. Необходимым условием выяв­ ления эвстатических колебаний является дробное биостратиграфическое расчленение.

При этом следует учитывать, что различные фации не могут оди­ наково реагировать на эвстазию. Последовательные подъемы и паде­ ния уровня моря могут быть четко выражены на окраинах осадочного бассейна, в то время как в центральных его частях более глубоковод­

98

ные осадки будут изменяться слабо. Например, на удаленной от берега отмели, лишенной привноса терригенного материала, регрессивные эпизоды в карбонатном разрезе могут быть выражены либо как приос­ тановки в осадконакоплении (omission surfaces), либо как горизонты твердого дна (hard grounds). Следует также помнить, что эвстатическое повышение уровня моря только тогда приводит к трансгрессии, когда привнос терригенного материала невелик. Представления об эвстатическом контроле становятся правдоподобными, если время углубления бассейна хорошо совпадает с трансгрессиями на береговой линии, а время обмеления — с регрессиями. Если же представляется возмож­ ность доказать межконтинентальное совпадение во времени этих про­ цессов, то эвстазия может быть окончательно доказана. Альтернатив­ ным может быть предположение о том, что континенты двигаются вверх и вниз одновременно, но такая идея выглядит значительно менее правдоподобной, чем представление об изменениях уровня моря.

Попытки выявить литологические и палеонтологические критерии распознавания углубления и обмеления в разнофациальных эпиконтинентальных разрезах показали сопоставимость подобных событий на площадях в сотни тысяч квадратных километров независимо от ло­ кальных тектонических и фациальных особенностей. Важно выяснить относительные скорости подъема и падения уровня моря, что является безусловно очень непростой задачей.

Согласно Э. Хэллему [1983], существует несколько вариантов, изо­ браженных на рис. 1.42. К ним относятся: а — короткие фазы быстро­ го подъема уровня моря, которые разделяются более длительной фазой его стабильного положения; 6 — умеренный по скорости подъем, сме­ няющийся умеренным понижением без промежуточной фазы стабиль­ ного стояния; в — медленный подъем, сразу же сменяющийся быст­ рым падением; г — быстрый подъем, сразу же сменяющийся медлен­ ным понижением; д — быстрые подъем и падение, разделяемые дли-

Рис. 1.42. Возможные эвстатический модели для юрского периода в Европе.

Условные обозначения см. в тексте.

99

тельной фазой стабильного стояния. Выбор между этими вариантами непрост, но как кажется на примере юрских и меловых отложений Ев­ ропы, большая часть циклов отвечает моделям в и д или же комбина­ циям моделей ги д .

Третий из предложенных Э. Зюссом путей изучения эвстатических колебаний заключается в нанесении на равноплощадную карту конти­ нентов областей развития морских фаций определенного возраста, вы­ числении площадей этих областей и прослеживании изменений этих площадей во времени. Данные, полученные в результате прослежива­ ния изменения фаций по разрезу, т. е. во времени, и на площади могут служить основой для построения суммарной эвстатической кривой для определенного промежутка геологического времени. Примером таких исследований могут быть уже упоминавшиеся публикации Э. Хэллема для юры Западной Европы [Hallam, 1978], а также Дж. Ханкока и Э. Кауффмана для позднего мела Западного Внутреннего бассейна США и Западной Европы [Hancock, Kauffman, 1979]. Авторы указы­ вают, что для установления эвстатического контроля необходимы до­ казательства синхронности главных трансгрессий и регрессий, а также более или менее одинаковых масштабов трансгрессий в каждой из ста­ бильных структур с одинаковым рельефом.

Переворот в научных представлениях геологов вызвал метод сейс­ мического профилирования, который привел к формированию новой научной дисциплины сейсмостратиграфии (подробно в специальном разделе). Сейсмостратиграфия — это геологический подход к страти­ графической интерпретации сейсмических данных. Первичные сейс­ мические отражения вызваны физическими поверхностями раздела в породах, к которым главным образом относятся поверхности напла­ стования и несогласия, разделяющие породы с разной плотностью и скоростью сейсмических волн. Эти поверхности, как правило, совпа­ дают с хроностратиграфическими границами. Крупные стратиграфи­ ческие единицы, сложенные относительно согласной последователь­ ностью слоев с нижней и верхней границами, определяемыми несогла­ сиями, названы осадочными комплексами или секвенциями (подробно в специальном разделе). Характер стратиграфического несогласия — главный критерий выделения различных типов границ осадочных комплексов [Vail et al., 1977]. Вместе с полученными в результате бу­ рения литофациальными данными характер несогласий между секвен­ циями используются для выяснения относительных изменений уровня моря в данном регионе (рис. 1.43). На относительное поднятие этого уровня указывает береговое перекрытие — последовательное смеще­ ние в сторону берега литоральных или прибрежных фаций. Вертикаль­ ная и горизонтальная составляющие такого перекрытия названы соот-

100

б

в

Рис. 1.43. Переход от стратиграфического разреза к хроностратиграфическим таблицам и региональным таблицам циклов относительных колебаний уровня моря.

а — профиль: 1 — прибрежные отложения, 2 — морские отложения, 3 — первона­ чальный край шельфа, 4 — прибрежный намыв, 5 — смещение уровня моря вниз. Цифры с крестом означают возраст в млн лет. 6 — хроностратиграфическая схема; в — региональная схема циклов относительных изменений уровня моря.

101

ветственно прибрежный намыв или аградация (aggradation) и при­ ращение берега (coastal encroachment). Эти данные могут быть ис­ пользованы для количественной оценки величины подъема уровня моря. Прибрежное прилегание к кровле (coastal toplap) характерно для относительно стабильного уровня моря, но может формироваться и в период относительно стабильного поднятия этого уровня при ин­ тенсивном терригенном сносе с континента. Относительное пониже­ ние уровня моря происходит достаточно резко и отражается в смеще­ нии прибрежных фаций в сторону бассейна (рис. 1.43).

В работах, которые являются одними из наиболее значительных вкладов в изучение эвстазии [Vail et al., 1977; Haq et al., 1987], ис­ пользовано огромное количество фактического материала и разрабо­ тана эвстатическая кривая для всего фанерозоя. Предполагается, что уровень моря сначала относительно быстро поднимался до пика в позднем кембрии, затем испытывал постепенное понижение в тече­ ние всего палеозоя, за которым последовал мезозойский подъем до позднемелового периода включительно, сменившийся кайнозойским падением до аномально низкого современного уровня. На фоне глав­ ной тенденции выделяется серия циклов второго, третьего и четвер­ того порядков, которые отчетливо фиксируются, начиная с мезозоя. Длительность циклов второго порядка 10-80, третьего — 1-10 млн лет. И те, и другие имеют заметный асимметричный характер с по­ степенным подъемом и резким падением.

Несмотря на существующие многочисленные неопределенности и противоречия, а также усилившуюся в последние годы критику «кривой Вейла», в изучении процессов эвстазии наметился значи­ тельный прогресс. Наиболее ожесточенные споры вызывают причи­ ны эвстазии. Самой ее очевидной причиной до последнего времени считались процессы чередования таяния и образования ледников, а именно гляциоэвстазия. Новые океанографические исследования по­ зволили предположить, что эвстатические колебания могли вызы­ ваться динамикой океанических хребтов. В частности, было показа­ но, что большая позднемеловая трансгрессия хорошо коррелируется с периодом ускоренного спрединга, который вызвал резкое увеличе­ ние объема срединных океанических хребтов [Hays, Pitman, 1973]. Кроме того, позднемеловое эвстатическое повышение может быть ре­ зультатом заметного раздвижения континентов Пангеи и удлинения системы срединных океанических хребтов. Таким образом, кинема­ тика литосферных плит, определяемая вариациями теплового потока в мантии, могла быть определяющим фактором, регулирующим эв­ статические колебания уровня моря [Милановский и др., 1992].

102

1.5.6. ПАЛЕОГЕОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Необходимым условием описания геологических событий прошло­ го, в том числе и катастрофических, является их палеогеографическая характеристика.

Естественное введение в палеогеографию — учение о фациях или

фациальный анализ. Слово «фация» происходит от латинского facies, что означает лицо, внешность, вид, облик, т. е. какое-то общее пред­ ставление о предмете.

В значении, которое выражает совокупность литологических и фаунистических признаков данной стратиграфической единицы, слово впервые было применено А. Грессли в 1838 г. Этому пониманию фа­ ции отвечает предложенное позднее определение: фация — это часть слоя или пласта, обладающая определенными литологическими и па­ леонтологическими признаками, что связано с условиями образования. Д. В. Наливкин считал, что фация такая же основная систематическая единица в седиментологии и палеогеографии, как вид в зоологии.

Фациальный анализ — это комплексные исследования, помогаю­ щие определить условия формирования горных пород в прошлом. Он слагается из лито- и биофациального анализов, а также из тщательного анализа общегеологических данных (площади распространения, мощ­ ности, переходов по простиранию и т. д.). Фациальный анализ — это обобщающая дисциплина, в которой данные из разных областей зна­ ния используются для воссоздания древних обстановок.

Полезно различать литофации и биофации, относя эти понятия к литологическим (вещественным) и к фаунистическим и флористиче­ ским характеристикам стратиграфических единиц.

Литофациальный анализ

Он состоит в определении фаций по текстурным и структурным особенностям пород. В каждом отдельном случае какие-либо данные могут оказаться важнее и надежнее других.

Текстурные особенности осадочных пород. Среди наблюдаемых в поле текстурных особенностей многих осадочных пород наибольшее внимание привлекают косая или градационная слоистость, знаки ряби, отпечатки неровностей кровли нижележащих отложений, трещины высыхания, следы струй, отпечатки капель дождя, следы жизнедея­ тельности животных и т. д. Ценность изучения таких текстур состоит в том, что можно многое узнать о динамике воздуха или воды, обусло­ вившей перенос и отложение осадочного материала, о типах и направ­ лениях течений, о скорости осадконакопления и поступления материа­ ла. Так, например, установлено, что симметричная рябь с одинаковы-

103

ми углами наклона у валиков характерна для водной среды, а несим­ метричная рябь может быть как водной, так и ветровой (эоловой). Водную рябь отличают от ветровой по индексу ряби (отношение ши­ рины валика к его высоте), у водной — он колеблется от 5 до 10, у вет­ ровой — от 20 до 50.

Зернистость и структура. Анализ этих особенностей пород тре­ бует лабораторного изучения. При этом исследуется как обломочный материал, так и цементирующая масса. Размер обломочного материала позволяет судить о рельефе и удаленности области сноса (питания). По крупности осадочных частиц судят о скорости движения воды в месте образования осадка. Состав обломочного материала галечников, конг­ ломератов, песков, песчаников позволяет выяснить длительность и ха­ рактер переноса, установить источник сноса. Изучение структуры по­ верхности зерен кварцевого песка с помощью электронного микроско­ па позволяет узнать, было ли осадконакопление ледниковым, эоловым или литоральным.

Сортировка обломочного материала говорит о длительности пере­ носа обломков. Форма обломков определяется составом разрушаю­ щейся породы, ее трещиноватостью, сланцеватостью, слоистостью. Степень окатанности обломков зависит от состава пород, первона­ чальной формы обломков, скорости и длительности переноса. Сущест­ вуют шкалы окатанности обломков, наиболее простая из которых со­ держит пять категорий: неокатанные, угловатые, полуугловатые, полуокатанные, окатанные. Отсутствие сортировки характерно для морен, осыпей, глубоководных брекчий, обвальных и селевых отложений.

Расположение обломочного материала позволяет установить на­ правление движения воды, его характер. Характеристика цементи­ рующей массы — необходимый элемент анализа структуры обломоч­ ных пород. Например, карбонатный цемент характерен для неподвиж­ ных галечников водных бассейнов, конгломераты, образовавшиеся из подвижных галечников, содержат мало цемента.

Окраска пород также может служить индикатором среды осадконакопления. Так, зеленый цвет объясняется присутствием глауконита — минерала, образующегося в мелководно-морских условиях. Черный и темно-серый цвета характеризуют породы, сформировавшиеся в вос­ становительных условиях. Ископаемые песчаные и песчано-глинистые отложения пустынь нередко имеют красную окраску.

Биофациальный анализ

Интерпретация древних природных условий осадконакопления сильно упрощается, если в породах имеются ископаемые органические

104

остатки. Для проведения такого рода исследований необходимо иметь представления об условиях жизни современных растений и животных, об основных факторах, определяющих их расселение и развитие. Это­ му помогают экология и палеоэкология, выясняющие взаимоотноше­ ния современных и когда-то существовавших организмов с окружаю­ щей средой. Так, расселение организмов в водной среде определяется следующими основными условиями: температура, соленость, осве­ щенность, глубина, газовый режим, гидродинамика среды, характер грунта и т. д.

Присутствие в разрезах остатков беспозвоночных, выживающих только в узком диапазоне изменения солености, таких как кораллы, брахиоподы, иглокожие, головоногие и мшанки, достаточно для выво­ да об осадконакоплении в условиях нормальной солености, что со­ ставляет в современных бассейнах 31—35 %ь (18ь= 1 г/л). Вообще иско­ паемые организмы — самые лучшие показатели солености из всех, ко­ торыми авторы ныне располагают (рис. 1.44). Они же, хотя и с мень­ шей надежностью, являются одними из лучших показателей глубины бассейна (рис. 1.45). Литоральные условия характеризуются сокраще­ нием таксономического разнообразия, которое часто сопровождается увеличением числа особей каждого вида сравнительно с нормальными морскими условиями. В то же время батиметрические оценки исклю­ чительно сложны, поскольку глубина воды сама по себе не играет зна­ чительной роли, а влияние осуществляется через факторы, связанные с глубиной растворимости карбонатов, проникновения света и источни­ ках пищи.

Ископаемые остатки наземных растений — лучшие из известных индикаторов климата. Если флора имеет близких родственников в со­ временном растительном мире, то палеотемпературы можно устано­ вить с большой точностью; особенно ценные результаты дают споро­ во-пыльцевой и диатомовый анализы. Среди морских беспозвоночных лучшими показателями тропических условий являются, вероятно, герматипные кораллы.

Биостратономический анализ ориентировки раковин, особенности их распада на части, характер дробления дают важные сведения о ди­ намике придонных вод, а тип субстрата определяется типами организ­ мов, часть которых легко превращается в окаменелости. Особенно ценны в этом отношении ходы и норы живых организмов, следы их движения по поверхности и т. д., т. е. следы жизнедеятельности орга­ низмов. Ископаемые следы дают такие сведения, как характер субстра­ та, скорость осадконакопления, движение воды, распределение источ­ ников питания, а также о более общих природных условиях, например, о солености и глубине моря.

105