) Принцип неполноты стратиграфической и палеонтологической летописи (принцип Ч. Дарвина)

Относится к общим положениям стратиграфии и состоит в том, что в геологических напластованиях запечатлена лишь меньшая часть геологической истории, а бόльшая часть приходится на перерывы. Эта мысль впервые была высказана Ч. Дарвином в труде «Основные начала геологии» (1866) и в дальнейшем развивалась многими учеными. Выяснилось, что наряду с крупными перерывами, важная роль в неполноте геологической летописи принадлежит бесчисленным мелким перерывам, обусловленным пульсационным характером и прерывистостью самого процесса осадконакоп-ления. Имеется и вторая сторона данного принципа: неполнота (односторонность) палеонтологической летописи, т.е. окаменелости, заключенные в геологических напластованиях, представляют собой лишь незначительный процент организмов, населявших землю в прошлом. Отсюда затрудняется реконструирование с достаточной полнотой древних фаун и флор, т.к. многие их компоненты бесследно исчезли.

В течение геологического времени виды вымирают и сменяются новыми. Имеются оценки, показывающие, что все виды биосферы сменяются новыми за 12 млн. лет (Teichert, 1956). Скорость смены видов может быть выражена также через среднюю продолжительность существования видов равную 2,75 млн. лет (Simpson, 1952). Если принять, что сейчас на Земле имеется около 5 млн. видов растений и животных, что это число на протяжении фанерозоя существенно не менялось и что оценка средней продолжительности видов верна (2,75 млн. лет), то можно рассчитать, сколько видов жило на Земле за последние 600 млн. лет, прошедших с начала кембрия:

(4,5 * 10⁶)(600 * 10⁶ / 2,75 * 10⁶) = 982 * 10⁶.

Сравнивая эту оценку с числом известных ископаемых видов (150 000), можно сделать вывод, что в палеонтологической летописи сохранились следы всего 0,016 % всех видов, живших в фанерозое (Рауп, Стэнли, 1974). Можно отметить, что на полноту палеонтологической летописи оказывают влияние не только перерывы в осадконакоплении, но и такие процессы как биологическое, механическое и химическое разрушение органических остатков.

Преодоление неполноты собственно геологической (стратиграфической) летописи шло по линии расширения геологических исследований с распространением их не только на территории всех материков, но и на акватории шельфа, а в последнее время и на океаническое ложе.

3) Принцип необратимости геологической и биологической эволюции (принцип Л.Долло) был разработан Ч.Дарвиным в своем знаменитом труде «Происхождение видов», но четко сформулирован был Л.Долло в 1893 г.: «Организм не может вернуться даже частично к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков».

Необратимость геологического развития Земли как планеты Солнечной системы основана на том, что ее эндогенная активность имеет общую тенденцию к снижению в связи с исчерпанием запасов внутреннего тепла. Кроме этого Земля представляет собой открытую систему, подверженную влиянию процессов, протекающих в околоземном космическом пространстве.

В историческом аспекте развитие Земли, как и других планет, началось с «тектоники роста», т.е. с образования ядра. Оно продолжалось временем господства «тектоники мантийных струй», которая уже в архее начала сменяться в верхних оболочках Земли «тектоникой литосферных плит». Подобная смена, вероятно, наблюдается в настоящее время на Венере. Марс уже миновал стадию «тектоникой литосферных плит» и вступил в стадию общего сжатия литосферы, а Меркурий и Луна почти полностью утратили глубинную активность и на них господствуют экзогенные процессы, вызванные внешними воздействиями (Хаин, 1997).

Очевидно, что перечисленные стадии развития планет должны отличаться по видам и интенсивности протекающих на них геологических процессов.

Говоря о принципе необратимости биологической эволюции, необходимо подчеркнуть, что развитие жизни — это процесс, заключающийся в образовании новых, высших форм, создающих в себе предпосылки для дальнейшего развития. Этим объясняется общая, закономерная тенденция поступательного, восходящего движения — тенденция развития от простого к сложному. Процесс этот необратим, т.е. движение вспять, от высших форм к низшим, от сложных к простым, невозможно. В то же время поступательность развития нельзя понимать как плавный процесс, без зигзагов и отклонений. Поступательность реализуется в борьбе различных тенденций, при этом отдельные линии общего развития могут выражать моменты регресса. Положение о необратимости биологической эволюции принято в качестве единого принципа и было положено в основу биостратиграфии или палеонтологического метода в стратиграфии.
Седиментологические принципы

4) Принцип фациальной дифференциации одновозрастных отложений (принцип Грессли-Реневье)

Состоит в том, что одновозрастные отложения претерпевают в горизонтальном направлении фациальные изменения, которые обуславливают существенные различия в литологическом составе и палеонтологической характеристике. Термин фация обозначает здесь любые различия между геологическими телами одного и того же возраста. Эти различия могут проявляться как в их литологическом составе, так и в палеонтологических особенностях.

Недоучет фациальных изменчивости одновозрастных отложений часто является источником ошибочной датировки и корреляции, т.о. применение данного принципа не ограничивается лишь стратиграфией, а имеет значительно более широкое распространение.

5) Принцип разновозрастности граничных поверхностей осадочных геологических тел (принцип Головкинского = закон Головкинского)

В основе принципа лежит положение о разновременности образования литологически однородных слоев, установленное впервые Николаем Алексеевичем Головкинским (1868) в результате изучения пермской формации Камско-Волжского бассейна. Разновозрастность различных частей одного и того же слоя обусловлена самим механизмом слоеобразования в условиях перемещения береговой линии бассейна осадконакопления. Как вывод из своих исследований Н.А.Головкинский указал на необходимость различения понятий о хронологическом, стратиграфическом, петрографическом и палеонтологическом горизонтах. При этом — хронологические горизонты косвенно пересекают все другие.

Разновозрастность отдельного слоя часто не может быть установлена практически и поэтому не всегда имеет существенное значение для стратиграфии, в этих случаях ей можно и пренебречь. Однако с разновозрастностью мощных осадочных комплексов, состоящих из большого числа слоев, необходимо считаться.

В настоящее время используется следующая формулировка данного принципа: граничные поверхности геологических тел (например, кровля слоя) не являются вполне изохронными на всем протяжении, причем скорость изменения возраста этих поверхностей возрастает в направлении, перпендикулярном береговой линии бассейна.

Исходя из учения об образовании слоя, в каждом слое можно считать строго синхроничными только те его участки, которые отлагались параллельно береговой линии.
Собственно стратиграфические принципы

6) Принцип последовательности образования геологических тел (принцип Н. Стенона)

Заключается в том, что относительный возраст двух контактирующих геологических тел осадочного генезиса определяется их первичными пространственными соотношениями. Согласно Н. Стенону, при ненарушенном залегании горных пород каждый нижележащий слой древнее покрывающего слоя. Этот принцип переводит пространственное отношение геологических тел (ниже/выше) во временное отношение (древнее/моложе) (см. рис. 1.1 и 1.2).

Нильс Стенсон, больше известный как Николаус Стенон – датский геолог, палеонтолог, кристаллограф, анатом и философ (=натуралист) основные геологические выводы изложил в диссертации «О твердом, естественно содержащемся в твердом», опубликованной во Флоренции в 1669 г. Этот год стал годом рождения науки геологии и стратиграфии в частности.

Однако уже через 200 лет (в 1868 г.) Н.А. Головкинский указывал на возможность применения принципа Стенона только в пределах очень ограниченной местности в силу того, что нижние границы литостратонов испытывают возрастное скольжение.

Гомология – соответствие сходных частей, занимающих одинаковое положение в структуре разных организмов. Гомотаксис, в понимании Т.Гексли, это сходство по определенным признакам (прежде всего палеонтологическим) отложений, занимающих одинаковое стратиграфическое положение в разрезах отдельных областей. Данные понятия базировались на представлении Ч.Дарвина о подобной последовательности развития сообществ организмов в различных частях планеты. Т.Гексли гомологичными считал не тождественные, идентичные последовательности признаков, а сходные, однопорядковые. Более того, он считал, что эволюция – медленный постепенный процесс и потому полная аналогия – не есть синхронность. Он предложил постулат (или правило Гексли): «тождественные фауны разных мест не могут быть одновременными». Частным случаем принципа Гексли является одно из фундаментальных положений биостратиграфии

Краткая формулировка данного принципа такова: отложения можно различать и сопоставлять по заключенным в них ископаемым.

В качестве авторской формулировки можно привести следующую цитату из одной ранней работы В.Смита: «все пласты последовательно осаждались на дне моря и каждый из них содержит в себе остатки организмов, которые жили во время его образования; в каждом пласте наблюдаются свои собственные окаменелости, и по ним в известных случаях можно установить одновременность образования пород различных местностей» (Степанов, Месежников, 1979).

Данный принцип лежит в основе одного из основных методов биостратиграфии – метода руководящих ископаемых. Однако применение его ограничено фациями, благоприятными для жизни организмов или сохранения их остатков.

Принцип С.В.Мейена является основой хроностратиграфической корреляции разнофациальных разрезов. Он применяется для корреляции толщ разного состава, генезиса, палеонтологической характеристики. Именно комплексирование стратиграфических признаков обеспечивает их хронологическую взаимозаменяемость, является основой внутри- и межрегиональной корреляции по серии признаков наибольшего веса.

«Стратиграфические подразделения (стратоны), представляя реальный результат геологических событий, объективно отражают суть этих событий и не повторяются во времени и в пространстве».

Данный принцип обосновывает процедуру выделения стратиграфического подразделения, подчеркивая конкретнсть и оригинальность каждого, будь то слой или пачка, ярус или акротема.

Практический смысл этого принципа заключается в необходимости преодоления тенденции к субъективному подходу при установлении стратиграфических подразделений.

Объектом стратиграфии являются толщи слоистых в основном осадочных пород. Как указывают Д.Л.Степанов и М.С.Месежников (1979, с. 69), «в сущности, все стратиграфические исследования сводятся к выявлению пространственно-временных соотношений слоистых толщ, слагающих литосферу, а применительно к какому-либо отдельному региону - и к выявлению возможно большего числа деталей строения осадочных и вулканогенных серий, развитых в этом регионе. С другой стороны, сами особенности строения осадочных толщ (их литологический состав, минеральная характеристика, цвет, текстура и порядок чередования пород в разрезе и т. п.) широко используются геологами при выделении и прослеживании тех или иных региональных стратиграфических подразделений».

К общим положениям, способствующим более ясному, обоснованному и, следовательно, однозначному подходу к расчленению и сопоставлению разрезов, относятся данные о внутренних свойствах осадочных пород (составе, текстуре и т. п.) и об особенностях их накопления (характер седиментации во времени, перерывы, форма тел различных типов осадочных пород, фации и формации). Наиболее полно и доходчиво материал по данной тематике изложен в монографии Д.Л.Степанова и М.С.Месежникова «Общая стратиграфия (Принципы и методы стратиграфических исследований)» (1979). Пояснения по отдельным вопросам раздела мы приводим, цитируя этот один из самых лучших учебников.
Классификация осадочных пород
По мнению Д.Л.Степанова и М.С.Месежникова (1979, с. 70), «несмотря на то, что геологи всех стран широко используют в своей практике такие термины, как известняки, пески, глины и т. п., и более или менее однозначно их понимают, общепринятой классификации осадочных пород до сих пор не существует. Это обстоятельство в первую очередь определяется разнообразием критериев, которые должны быть учтены при классификации осадочных пород. Действительно, существуют классификации, основанные на составе пород, их происхождении, способе отложения, степени уплотнения, структурных и текстурных особенностях и т. д. Существенной особенностью осадочных пород является то, что по главнейшим своим параметрам—минеральному и химическому составу и структуре — они, как правило, не образуют обо-собленные классы, но, напротив, являются смесью компонентов различных по своему составу и гранулометрии».

В отчественной литературе выделяются три основные группы осадочных пород: обломочные (включая пирокластические), глинистые и химические (включая органогенные). Американские литологи присоединяют глинистые породы к обломочным и различают кластические (экзогенные) и некластические (эндогенные) породы.

Для классификации обломочных и глинистых пород большое значение имеют размеры обломков и глинистых частиц, а также минеральный состав, и прежде всего соотношение зерен кварца, полевых шпатов и обломков пород.

«По соотношению зерен кварца, полевых шпатов и обломков пород среди кластических пород могут быть выделены кварцевые пески (до 5% примесей полевых шпатов и обломков пород), аркозы (до 5% обломков пород), граувакки (до 5% кварца). Разумеется, между этими крайними типами существуют все промежуточные разности.

Пирокластические породы разделяются на три основные группы: туфы и туфобрекчии, в которых вулканическим материалом сложен и цемент и обломки; туффиты, содержащие более 50% вулканогенного материала, и, наконец, туфогенно-осадочные породы, в которых преобладает осадочный материал.» (цит. по Степанов, Месежников, 1979, с. 71).

В основу приведенных классификаций положено рассмотрение какого-либо одного признака. Они применимы к однокомпонентным породам.

Учитывая, что обычно любая осадочная порода представляет собой смесь нескольких компонентов, Ф. Петтиджон (Pettijohn, 1957) предложил «главный тетраэдр состава» (рис. 3.1), наилучшим образом позволяющий оценить состав различных осадочных пород.

Рис. 3.1. Главный тетраэдр состава и интерпретация его граней (по Krumbein, Sloss, 1951) (рис. 4.1. из Степанов, Месежников, 1979, с. 72).

Перечисленными типами осадочных и вулканогенных пород сложена верхняя часть литосферы — стратисфера, общий объем которой составляет по приблизительным подсчетам разных авторов, основанным на концентрациях калия и натрия в морской воде, данных о скоростях осадконакопления и о площадях распространения и мощностях осадочных толщ, (3–13)·10⁸ км ³.

Основными породами, слагающими стратисферу, являются глины (сланцы), пески (песчаники) и известняки. Алевриты распределяются между глинами и песками. Глинистые породы составляют 50–55%, песчаные 25% и карбонатные 15—20% стратисферы. При этом удельный вес песчаных пород на платформах, по-видимому, больше, а глинистых меньше, чем в подвижных поясах. Наконец, следует отметить, что основные объемы песчаных пород приурочены к континентальным, а карбонатов — к морским сериям.

Слоистость
«Слоистость является одним из наиболее важных свойств осадочных пород, имеющих исключительное значение при описании разрезов, их расчленении, определении условий залегания осадочных толщ и их генезиса. Под слоистостью понимается горизонтальное или первично наклонное размещение компонентов осадка или самих осадков, которое возникает при изменениях в составе отлагающегося материала или в темпах или обстановках его накопления.

Происхождение слоистости обычно связывается с изменением режима седиментации, а образование поверхности наслоения — с остановкой осадконакопления и уплотнением ранее отложившегося осадка. Таким образом, каждый слои отделяется от выше- и нижележащего более или менее продолжительным перерывом. Однако существуют и иные возможности возникновения слоистости. В первую очередь здесь следует назвать осаждение из мутьевых потоков, приводящее к последовательному отложению грубо-, средне- и мелкозернистых осадков, причем границы слоев здесь будут нерезкими и волнистыми Слоистость можно наблюдать в толщах, сложенных ориентированными частицами, например в конгломератах гальки которых ориентированы течениями. Наконец в глинах бывает тончайшая слоистость, обусловленная особенностями кристаллических решеток глинистых минералов.

Необходимо отметить, что приведенное выше в целом общепринятое определение слоистости нуждается в ряде пояснений, относящихся к практике геологических исследований. Прежде всего, говоря о слоистости, обычно имеют в виду отличия последовательно залегающих слоев по их вещественному составу. Однако очень часто при описании разрезов геолог убеждается, что многие из этих хорошо распознаваемых слоев в свою очередь состоят из большого количества маломощных, однородных по своему составу прослоев. С другой стороны, в мощных осадочных сериях, сложенных чередующимися породами, толщина отдельных слоев (пачек) может составлять десятки метров. При этом в небольших выходах будет обнажаться лишь часть слоя и для практических целей корреляции частных разрезов приходится искать дополнительные критерии (включения, особенности распределения фауны и т.п.), позволяющие различать (и описывать в качестве самостоятельных слоев) более узкие интервалы разреза. Как уже отмечалось, само возникновение слоистости связано с процессами осадконакопления. Но, описывая обнажение, сложенное чередующимися песками и песчаниками, геологи, естественно, выделяют те и другие в качестве самостоятельных слоев, хотя появление песчаников обязано уже процессам диагенеза. Обобщая все эти случаи, можно отметить, что выделение слоев производится различными способами с использованием самых разнообразных признаков осадочных пород и определяется задачами и степенью детальности исследования и опытом самого исследователя» (цит. по Степанов, Месежников, 1979, с. 74-75).

На рис. 3.2 показаны различные варианты выделения слоев в обнажении, нижняя часть которого сложена глинами, а верхняя — песками. «При рекогносцировочных работах или мелкомасштабной съемке в этом обнажении будет выделено два слоя — глины и пески. Крупномасштабные работы потребуют более детального расчленения, и тогда с помощью маркирующего слоя карбонатных конкреций глины будут разделены на два слоя. Литолог, изучая это обнажение, обнаружит изменение минерального состава глин на другом уровне, и его подразделение на слои будет уже иным.

Таким образом, в практической деятельности часто используются для выделения слоев такие особенности осадочных пород, которые не имеют прямого отношения к слоистости в приведенной выше трактовке. Однако не менее часто оказывается, что эти, казалось бы, искусственно выделенные слои на самом деле соответствуют определенным изменениям в режиме и темпе седиментации, а их границы отвечают скрытым размывам и перерывам и что, следовательно, искусственность их выделения является только кажущейся» (цит. по Степанов, Месежников, 1979, с. 76).

В практической работе геологу чрезвычайно важно знать, насколько выдержаны слои, выделенные им в частных разрезах. Выдержанность слоев определяется обстановками и условиями седиментации и последующей историей захороненного осадка. Поэтому геология изобилует как примерами чрезвычайно значительной протяженности отдельных маломощных слоев, так и невозможностью прослеживания слоев в пределах одного обнажения. Различные случаи ограничения слоя в пространстве показаны на рис. 3.3.

В целом можно полагать, что в морских достаточно мощных сериях слои более выдержанны, чем в континентальных или конденсированных морских свитах.

С выделения слоев в разрезе собственно и начинается работа стратиграфа. Однако изучение слоистости, а также поверхностей напластования имеет большое значение не только для стратиграфии. Уже сам характер слоистости дает общее представление о степени стабильности осадконакопления: ясно, что чем чаще происходит смена пород в разрезе, тем кратковременное были моменты постоянства обстановок седиментации (хотя, конечно, это соображение справедливо со многими ограничениями, поскольку и внутри однородных слоев не так уж редко устанавливаются значительные перерывы).

Рис. 3.4. Основные типы косой слоистости по Р. Шроку (1950). а – таблитчатый; б – линзовидный; в – клиновидный; г – блок-диаграмма, показывающая соотношения между таблитчатой и линзовидной косой слоистостью. Стрелкой показано направление течения. (Рис. 4.5. из Степанов, Месежников, 1979, с. 78).

Важное значение слоистость имеет и при интерпретации структуры осадочных толщ в складчатых системах. Знание последовательности напластования позволяет, в частности, устанавливать опрокинутое залегание или разобраться в строении вертикально залегающих слоистых серий (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Расшифровка строения опрокинутой складки с изоклинальными вертикально падающими крыльями при помощи изучения последовательности напластования. Слева приведен нормальный разрез дислоцированной толщи. (Рис. 4.6. из Степанов, Месежников, 1979, с. 79).