Основы Стратиграфии ⇐ Авторские темы

[Gosha]

С. В. Лыюров

ОСНОВЫ СТРАТИГРАФИИ

Учебное пособие
Допущено УМО по классическому университетскому
образованию в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся по направлению 511000 Геология
и специальности 011100 Геология

Глава 1

ПРЕДМЕТ СТРАТИГРАФИИ

Стратиграфия — одно из старейших «классических» направлений геологического исследования. Она имеет широкую область практического применения, обеспечивает работой и занимает умы значительного числа геологов. В то же время, ее теоретическая база, содержание и задачи как самостоятельной геологической дисциплины все еще являются объектом бурных дискуссий и споров.
Стратиграфия является основой, краеугольным камнем и своего рода «философией» геологии. С нее начинается и заканчивается познание геологического строения и развития любой исследуемой территории. Без данных стратиграфии нельзя обойтись практически ни в одной области геологии. Эти данные используются при составлении геологических, тектонических, литолого-фациальных и палеогеографических карт любого масштаба. Они незаменимы при прогнозировании, поисках и разведке месторождений полезных ископаемых различного происхождения.
Историю развития земной коры и геосфер можно изучать только тогда, когда установлена последовательность образования горных пород и определен их геологических возраст. Палеонтология оказывает неоценимую помощь в определении относительного возраста осадочных горных пород. Возраст магматических и метаморфических пород устанавливается по соотношению их с осадочными образованиями, заключающими остатки ископаемых организмов. Абсолютный возраст магматических, метаморфических и некоторых осадочных пород определяется с помощью изотопной геохронометрии. В процессе исследования геологических тел геологи расчленяют их на отдельные слои, пачки, горизонты, определяют относительный и абсолютный возраст выделенных стратонов, проводят корреляцию, т. е. сопоставление выделенных слоев с одновозрастными, но располагающимися на некотором расстоянии толщами. Все эти исследования проводятся в рамках стратиграфии.
В геологической литературе существуют многочисленные формулировки, определяющие предмет и задачи стратиграфии. По мнению Д. Л. Степанова и М. С. Месежникова, «Стратиграфия — геологическая дисциплина, изучающая пространственно-временные соотношения нормально пластующихся осадочных, метаморфических, вулканогенных пород земной коры». Иными словами, «стратиграфия изучает пространственно-временные отношения пластов горных пород (или просто геологических тел) в земной коре, а сами по себе свойства горных пород, нас не интересуют, если они ничего не говорят о пространственно-временных отношениях. Все свойства пород стратиграфия преломляет через призму их пространственно-временных отношений».

[Gosha]

Есть и другие определения — «стратиграфия — это изучение естественной упорядоченности слоев земной коры». Стратиграфическая теория — историческое объяснение этого явления (иначе — развивающаяся система гипотез о происхождении и причинах естественной упорядоченности слоев). Само название происходит от латинского слова stratum — пласт (слой) и греческого урасрш (grapho) — пишу, т. е. буквально переводится как «описание пластов», или «слоеописание». Большинство исследователей считают объектом стратиграфии стратиграфическое подразделение — стратон.

[Gosha]

СТРАТОН — это геологическое тело, представляющее собой статическую палеосистему, образованную в результате взаимодействия разнородных процессов на протяжении некоторого промежутка времени, занимающую определенное положение в стратиграфическом разрезе и обладающую единством характеристик, отличающих ее от смежных стратонов как ниже- и вышележащих, так и расположенных 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 физических свойств горных пород в скважинах. Основным результатом стратиграфического изучения всегда является та или другая «стратиграфическая схема», или «сводная стратиграфическая колонка», т. е. схема классификации изучающихся «слоев» с исторической точки зрения.

[Gosha]

Стратиграфия играет важнейшую роль при геологических исследованиях. Без нее немыслимо проводить геологическое картирование, решать проблемы эволюции органического мира, геологического развития отдельных регионов и Земли в целом, реконструировать палеогеографические обстановки. Без детальных стратиграфических исследований невозможно раскрывать сложное строение структур земной коры и проводить поиски и разведку полезных ископаемых.

[Gosha]

Основой для выделения геохронологических и хроностратиграфических единиц служат следующие критерии, тесно связанные между собой:
• этапность в ходе эволюции органического мира;
• периодическая изменчивость процессов осадконакопления и денудации;
• палеогеографические критерии (изменение распределения морских бассейнов и особенностей рельефа суши и дна моря, климата, смена ландшафтных обстановок и т. д.);
• степень активности и характер проявления магматической деятельности и процессов метаморфизма;
• проявление крупных тектонических движений и деформаций.[7]

[Gosha]

1.1. Основные операции стратиграфии

Стратиграфия включает в себя две основные операции: стратиграфическое расчленение и стратиграфическую параллелизацию. Стратиграфическое расчленение — это выделение в конкретном разрезе отдельных слоев и толщ по определенным признакам (обычно литологическим) и выяснение последовательности их залегания. Под конкретным разрезом подразумевается скважина, горная выработка или естественный выход отложений (обнажение). Часто конкретный разрез суммируется (строится или надстраивается) по ряду близко расположенных обнажений или скважин, дополняющих друг друга.

[Gosha]

Стратиграфическое расчленение можно разделить на 3 этапа:
• изучение и описание отдельных геологических объектов — обнажений или скважин;
• стратиграфическая систематизация пластов, т.е. определение последовательности их образования (формирования) и составление конкретного (сводного) разреза;
• стратиграфическая классификация или объединение слоев в стратоны (стратиграфические подразделения).

[Gosha]

Стратиграфическая параллелизация — это сопоставление (увязка) и установление временных (возрастных) отношений частей разрезов, более или менее удаленных друг от друга. Возрастные соотношения между членами удаленных разрезов могут быть раньше, позже, одного возраста. Конечной целью параллелизации является синхронизация, т. е. выявление геологически одновозрастных слоев и толщ в сопоставляемых разрезах.[7]

[Gosha]

Одной из основных особенностей стратиграфической параллелизации является ее повторяемость на разных этапах стратиграфических исследований. На ограниченных территориях стратиграфическая увязка может быть проведена методами непосредственного прослеживания слоев, что возможно в условиях хорошей обнаженности (или при непосредственной близости скважин).

[Gosha]

Если увязка прямыми методами геологического картирования невозможна, пользуются косвенными методами, тогда это называется корреляцией. Стратиграфическая корреляция может быть местной (для нескольких конкретных разрезов в одном районе), региональной (для целого региона, бассейна), межрегиональной. Наконец, существует глобальная корреляция, а также сопоставление с подразделениями об­щей стратиграфической шкалы. Эта специфическая корреляция называется датировка. Обе эти стратиграфические операции тесно связаны между собой и составляют два этапа стратиграфического исследования.[8]

[Gosha]

1.2. Задачи стратиграфии

Общей задачей стратиграфии является разработка, совершенствование и детализация общей стратиграфической и геохронологической шкал, необходимых для датировки геологических событий, и естественная периодизация геологической истории. Общая стратиграфическая шкала представляет собой совокупность общих стратиграфических (хроностратиграфических) подразделений, таких, как акротема, эонотема, эратема, система, отдел, ярус, зона и т. д. (в их полных объемах, без пропусков и перекрытий), расположенных в порядке их стратиграфической последовательности и таксономической подчиненности.
Общая геохронологическая шкала, или шкала геологического времени, состоит из датированных в годах эквивалентов общих стратиграфических подразделений, таких, как акрон, эон, эра, период, эпоха, век, фаза и т. д., выделение которых основано на изучении последовательности горных пород. Она объединяет два типа шкал: собственно геохронологическую, или шкалу относительного геологического времени, которая многими геологами в настоящее время представляется как шкала последовательности горных пород со стандартизированными точками, выбранными в стратотипах границ — разрезах, максимально полных в пограничных частях, и геохронометрическую, или шкалу абсолютного геологического времени, основанную на единицах продолжительности — годах. Более подробно остановимся на этом позднее.

[Gosha]

Функции этих ш кал— создать основу для сравнения возрастов. Они позволяют сократить количество способов, с помощью которых может быть выражен геологический возраст, до двух: числового и словесного. Причем эти способы не являются взаимозаменяемыми, и поэтому необходимы оба.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Шкала стратиграфическая — общая (планетарная) шкала, объединяющая все стратиграфические единицы, которые постоянно (т. е. в течение всех периодов) являются общими для всего земного шара или, по крайней мере для большинства современных континентов. Критериями установления таких единиц служат явления периодичности и необратимости (т. е. этапности) развития земной коры и органического мира, запечатленные в г. п. К этой шкале относятся группы (сейчас общепринято — эратема), системы, отделы, нередко ярусы и иногда зоны либо только группы, системы и отделы (если все ярусы и зоны рассматриваются как подразделения провинциальной шкалы).
Таксон [xaiC (таксис) — порядок, ряд] — группа объектов любого иерархического уровня, выделяемая при некоторых заданных критериях (напр., тип, класс, род, вид и др.).

[Gosha]

Существуют также более частные задачи, возникающие на определенных стадиях геологических исследований, такие, как:
• расчленение разрезов и выделение стратиграфических подразделений (стратонов) с целью создания местных и региональных стратиграфических схем (шкал), отражающих ход геологического развития данной территории. Решение этой задачи обеспечивает стратиграфической основой крупномасштабную геологическую съемку, а также поиски и разведку месторождений полезных ископаемых;
• проведение межрегиональной корреляции стратиграфических подразделений (стратонов) различных рангов, обеспечивающей составление геологических карт среднего и мелкого масштабов, палеогеографических и прогнозных карт нескольких регионов;
• совершенствование общей стратиграфической и геохронологической шкалы как шкалы, не имеющей временных пробелов, присущих всем региональным шкалам. Это направление стратиграфических исследований дает основу для историко-геологических обобщений планетарного масштаба.
Другими словами, типовыми задачами стратиграфии являются выделение стратонов, создание региональных схем их первичных пространственно-временных отношений и моделирование первичной структуры геологического пространства-времени в планетарном масштабе.

[Gosha]

Глава 2

ИСТОРИЯ НАУКИ

2.1. Зарождение науки

Первым стратиграфическим исследованием считается описание разрезов Тосканы (Северная Италия) датским натуралистом Н. Стеноном. Оно опубликовано в виде тезисов в 1669 г. под заглавием «О твердом естественно содержащемся в твердом». В этом сочинении впервые четко формулируется ряд основных принципов стратиграфии и устанавливается, что последовательность залегания слоев в вертикальном разрезе отвечает исторической последовательности их образования:
• Слои Земли — результат осаждения в воде.
• Слой, заключающий обломки другого слоя, образовался после него.
• Всякий слой отложился позднее слоя, на котором залегает.
• Слой, содержащий морские раковины или морскую соль, образовался в море; если он содержит растения, он произошел от речного паводка или появления притока вод.
• Слой должен иметь неопределенную протяженность и его можно прослеживать поперек какой-либо долины.
• Слой отлагался вначале горизонтально; если он наклонен, то он испытал какой-либо переворот. Если другой слой залегает на наклонных слоях, то этот переворот произошел ранее отложения этого второго слоя.

И. Стенон сформулировал основополагающий принцип, являющийся аксиомой стратиграфии, — «в нормально залегающих осадках покрывающий слой всегда моложе подстилающего». И. Стенон подразделил горные породы окрестностей Тосканы на вулканические и осадочные. Среди последних он выделил слои, сформировавшиеся до появления организмов, и более молодые — с ископаемыми органическими остатками. В осадочных образованиях по характеру заключенных в них окаменелостей Н. Стенон различал слои морского и континентального происхождения. В сущности, он же впервые применил палеонтологический метод в геологии (стратиграфии), хотя фактически еще такой науки не существовало.

[Gosha]

2.2. Становление стратиграфии

В 1760 г. Дж. Ардуино сделал первую попытку возрастной классификации слоев в Северной Италии (Северные Апеннины и Южные Альпы), где выделил три комплекса отложений — первичные, вторичные и третичные (примерно соответствующие палеозою, мезозою и кайнозою). В 1756 г. появилась работа немецкого ученого И. Г. Лемана «Опыт восстановления истории флецевых гор», в которой была сделана первая попытка приложения принципа последовательности напластования и литологических особенностей отложений к стратиграфическому расчленению конкретных разрезов. И. Г. Леман разделял горные породы на две основные группы: жильные, существующие «от сотворения мира», и флецевые, или слоистые, образовавшиеся в водной среде в результате всемирного потопа. Кроме того, И. Г. Леман выделял рыхлые породы, образовавшиеся после потопа в результате местных явлений (землятресений, вулканических извержений и наводнений).[11]

[Gosha]

Важным вкладом в становлении стратиграфии как науки было создание стратиграфической схемы Тюрингии и воссоздание истории Тюрингских гор (Германия) в 1762 г. Георгом Христианом Фюкселем («История земли и моря»). Он расчленил отложения (разрез) на девять толщ по литологическим и «палеонтологическим» признакам и сделал вывод о том, что последовательную смену этих слоев в разрезе можно объяснить многократными наводнениями, происходящими в древние времена.
По его мнению, формирование мощных слоев горных пород, залегающих один на другом, требовало длительного времени. Он также впервые применил параллельную классификацию отложений и времени их образования. Каждой из выделенных толщ (серии, статумену) в этой классификации соответствовал отрезок времени (секула, луструм). Г. X. Фюксель также впервые применил понятие «формации» как комплекса слоев, образовавшихся в одинаковых условиях в течение одного из этапов развития планеты Земля. На основе разработанной им стратиграфической схемы Г. X. Фюксель составил геологическую карту.
Следующим шагом в развитии стратиграфии явилась шкала последовательности напластований земной коры А. Г. Вернера, разработанная им в конце XVIII в. на основе обобщения опыта И. Г. Лемана и Г. X. Фюкселя. В основу шкалы были положены концепция нептунизма, условия залегания отдельных толщ и их соотношения.

[Gosha]

Долгое время, вплоть до начала XIX в., стратиграфическое направление геологических исследований охватывало в одинаковой мере все толщи горных пород земной коры; ведущая же роль осадочных (слоистых) горных пород в подобном исследовании не сразу обратила на себя внимание естествоиспытателей. Поэтому в начальный этап своего развития стратиграфическое направление исследования (науки как тако вой еще не существовало) не связывалось с преимущественным изучением слоистых пород. К концу этого этапа сложилось представление не о «слое», а о «формации» как основной единице «стратиграфической» классификации. Понятие же формации относилось в равной мере как к слоистым, так и к неслоистым минеральным массам земной коры.

[Gosha]

К концу этого этапа сложилось представление не о «слое», а о «формации» как основной единице «стратиграфической» классификации. Понятие же формации относилось в равной мере как к слоистым, так и к неслоистым минеральным массам земной коры.

[Gosha]

2.3. Возникновение биостратиграфии

Биостратиграфия — стратиграфия на палеонтологической основе, или на основе палеонтологического метода. Палеонтологический метод зародился в конце XVIII — начале XIX вв. Примечательно, что возникновение биостратиграфии, или использование палеонтологического метода в стратиграфии, предшествовало возникновению самой палеонтологии.

[Gosha]

Впервые термин «биостратиграфия» был введен в литературу бельгийским палеонтологом Луи Долло в 1909 г. В своей книге «Этологическая палеонтология» он предложил различать собственно палеонтологию от стратиграфической палеонтологии, которую он назвал «биостратиграфией». Первым был аббат Жиро Сулави. Он на материале Южной Франции описал последовательность слоев известняка с ископаемой фауной. Он выделил 5 эпох по фауне и флоре, из чего сделал вывод о том, что последовательность эпох господства различных комплексов ископаемых животных согласуется с последовательностью залегания и относительным возрастом соответствующих слоев.[12]

[Gosha]

Более узкое содержание стратиграфия получила с начала XIX в., когда геологи (с этого же времени в естествознании укореняется термин «геология» в его современном значении) увидели и поняли то огромное, исключительное значение, которое имеют для историко-геологических построений слоистые осадочные породы и заключенные в них остатки ископаемых организмов.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
В настоящее время существует мнение, что роль М. В. Ломоносова в геологии весьма преувеличена, а его знаменитая работа «О слоях земных» есть не что иное, как переработанный конспект лекций, прослушанных им за время учебы в Германии.

[Gosha]

В этом заслуга Вильяма Смита — основоположника современного (т. е. основанного на стратиграфическом принципе выделения картируемых единиц) геологического картирования, установившего приуроченность определенных форм ископаемых к определенным слоям и показавшего тем самым возможность распознавания и прослеживания слоев по заключенным в них органическим остаткам. В 1799 г. он издал таблицу последовательности напластований и заключенных в них остатков организмов на материале из окрестностей Бата. В 1815 г. выходит построенная им геологическая карта Англии, Уэльса и части Шотландии — первая карта, где различным цветом были показаны породы разного возраста. Эта карта была создана на основе разработанной им стратиграфической схемы. Смит выпустил также две работы, которые легли в основу биостратиграфии — «Слои, устанавливаемые по ископаемым органическим остаткам» и «Стратиграфическая система ископаемых органических остатков». На основе этих работ был сформулирован принцип биостратиграфическопо расчленения и корреляции, названный его именем.[12]

[Gosha]

А. Броньяр и Ж. Кювье (автор теории катастроф) примерно в то же время занимались тем же самым во Франции, успешно применив палеонтологический метод для расчленения и корреляции осадочных отложений окрестностей Парижа (Парижского бассейна).[13]

[Gosha]

По чередованиям слоев с окаменелостями и без них, по «особенностям» комплексов органических остатков Ж. Кювье и А. Броньяр воссоздали этапы геологического развития Парижского «осадочного» бассейна — последовательные смены морских условий осадконакопления континентальными, а также условия обитания ископаемых организмов. Таким образом, они продемонстрировали возможности стратиграфии как базиса исторической геологии.