Существует, четыре давно разработанных основных способа или метода прочтения истории земной коры и геологических событий прошлого: стратиграфический, петрографический, палеонтологический и тектонический. Прежде всего определяется относительный возраст пластов, а затем уже воссоздается внешний вид растений и животных того времени, устанавливается положение морей и материков, характеризуется климат, вулканизм — в общем весь комплекс физико-химических условий.
Стратиграфический метод (стратиграфия — описание слоев) заключается в установлении последовательности накопления слоев или пластов. Еще на заре геологической науки было сформулировано правило: при ненарушенном первоначальном напластовании из двух пластов осадочных пород верхний (кроющий) моложе нижнего (подстилающего). Если же произошло смещение пластов вследствие оползня или складчатости, то для установления их возраста необходимо прибегать к другим методам исследования — при нарушенном залегании пластов одного стратиграфического метода недостаточно, особенно если их разрезы (обнажения) находятся далеко друг от друга.
Итак, стратиграфический метод хорош при ненарушенном залегании пластов и на небольшой площади.
Петрографический (литологический) метод заключается в изучении вещественного состава пластов. Геолог, изучая обнажения пластов, не только определяет положение каждого (первый, второй, третий и т. д.), но и устанавливает, из каких пород сложен каждый пласт: песок, глина, песчаник, известняк, доломит и т. д. Этот метод играл очень большую роль при становлении геологической науки. Небольшие геологически освоенные территории, главным образом в Западной Европе, имели свои особенности, на основании которых геологи сделали тогда ряд обобщений. Считалось, что некоторые горные породы могут залегать только среди пластов, возникших в определенное геологическое время. Например, думали, что каменный уголь можно встретить только в породах палеозойского возраста (именно каменноугольной системы), что было типично для Англии, Бельгии, СССР (Донбасс) и других стран. Теперь же пласты каменного угля найдены и среди мезозойских отложений в ГДР, ФРГ, Франции, Китае, Северных Альпах, Индии, Австралии, Испании, СССР.
Другой пример. Во многих местах Западной Европы распространены оолитовые известняки. Они сложены шариками миллиметрового диаметра, состоящими из углекислого кальция, чаще всего биохимического происхождения. Такой тип известняков, например в ГДР, ФРГ, Франции и других странах, всегда связан с серией пластов определенного возраста. Их когда-то так и называли: «оолитовая серия». В 1795 г. известный немецкий географ Гумбольд назвал их «известняками юры», а французский геолог Броньяр в 1829 г. — «юрской формацией». Теперь это — юрская система, средняя толща мезозойской группы. По наличию оолитовых известняков геологи судили о положении и возрасте пластов. Однако в дальнейшем выяснилось, что эти известняки присутствуют в самых различных по возрасту горных породах. Так, серия кайнозойских отложений в южнорусских степях содержит пласты оолитовых известняков.
Постепенно, по мере развития геологической науки, каменный уголь и оолитовые известняки потеряли свое значение при определении возраста пластов, как и многие другие породы, например белый пишущий мел, серые сланцы.
Все же на ограниченных территориях породы могли быть одинаковыми в определенный отрезок времени и также одинаково сменяться в дальнейшем. Было, скажем, неглубокое море, на дне которого откладывались морские пески; затем оно стало глубже, начали откладываться слои песчанистых глин, а потом чистых глин. Потом море из этого места ушло, возникла суша и стали накапливаться наземные осадки: супеси, суглинки, рыхлые пески.
Если обнажения земной коры с одинаковой сменой пластов снизу вверх расположены на расстоянии нескольких километров друг от друга, то можно с достаточной уверенностью говорить об одновременном отложении этих пластов, т. е. об их одновозрастности (при условии, что первичное залегание пластов не нарушено).
Петрографический метод при работе в осадочных породах дает возможность понять ту физико-географическую обстановку, в которой возникали пласты той или другой породы. Например, грубозернистые пески могут отлагаться вблизи берегов на мелководье, более тонкозернистые пески осаждаются дальше от берегов, где глубина больше; наконец, далеко от берега на значительных глубинах оседают глины. Красный и вообще яркий цвет песков и глин нередко свидетельствует о сносе их с материка, лежавшего в засушливом, даже жарком климате. Светлоокрашенные пласты тех же пород говорят о влажном климате, в котором пески интенсивно промывались от железистых солей, обуславливающих яркую окраску.
Легкорастворимые хлористые (NaCl, КСl) или сернокислые (Na2SO4 ∙ 10Н2O) соли, присутствующие в пластах, могут осаждаться в условиях повышенной солености, возникающей в замкнутых внутренних морских водоемах на материке, где жаркий климат вызывает сильное испарение морской воды. О подобных же условиях говорит наличие доломитов двойной кальциево-магниевой углекислой соли (CaMg)CO3.
Итак, стратиграфический и петрографический (литологический) методы дают возможность устанавливать возраст одного пласта относительно другого при работе на небольших площадях и при не нарушенном ни оползнями, ни складчатостью первичном залегании пород.
Палеонтологический метод заключается в определении относительного возраста пластов по содержащимся в них окаменелым остаткам растений и животных. Эти окаменелости являются как бы буквами, научившись разбирать и понимать которые геологи читают историю больших толщ земной коры. Миллиарды умерших существ и растений погребаются в пластах, причем большая часть их разлагается и бесследно исчезает. Лишь очень немногие остатки пропитываются циркулирующими в пластах минеральными растворами и превращаются в окаменелости. Но для этого обязательны особые условия захоронения.
Если к захороненным в пластах растениям или животным свободно поступает воздух, то под воздействием кислорода происходит гниение мягких частей; твердые части после разрушения их органического вещества превращаются в порошок, иногда растворяются. Но без доступа воздуха разложение погребенных организмов идет медленно, и минеральные растворы частица за частицей успевают заместить разлагающееся вещество. Кости животных, раковины, стволы деревьев под влиянием такого пропитывания превращаются в окаменелости. Опыты показали, что тонкий срез ветви сосны, погруженный в раствор железного купороса, через несколько дней настолько пропитывался им, что после сжигания оставался отливок, сохраняющий следы тончайших сосудов.
Отметим, что мягкие части организмов окаменевают в совершенно исключительных случаях (в Индии были найдены, например, полностью окремневшие молодые пальмовые листья).
При заполнении минеральным раствором погребенной раковины образуется ядро, передающее строение ее внутренней поверхности. Слепок, передающий строение наружной поверхности, получается при растворении раковины и заполнении минеральным раствором соответствующей пустоты.
Окаменяющими веществами чаще всего бывают растворы углекислого кальция (CaCO3), окиси кремния (SiO2), серного колчедана (FeS2).
Быстрота окаменения разных веществ различна. А. А. Иностранцев указывает, что березовые подпорки в железном руднике у Вытегры пропитались водной окисью железа в течение 10 лет. Этот же ученый показал, что кости человека и животных из пластов на южном берегу Ладожского озера содержат всего 22—28% окиси железа, несмотря на то, что они относятся к каменному веку и пролежали в земле десятки тысяч лет.
Как правило, хорошо сохранившиеся окаменелости встречаются в недавно образовавшихся пластах. Но иногда и в очень древних пластах окаменелости настолько хорошо сохраняются, что можно легко восстановить строение давно существовавших организмов.
Известны также случаи сохранения трупов почти без разложения, например в торфе. Удивительно хорошо сохранились трупы мамонтов и носорогов в многолетнемерзлых слоях Сибири. В 1794 г. на берегу Лены был найден неплохо сохранившийся мамонт, но исследователям достались лишь скелет, часть кожи, килограммы волос, глаз и внутренности:, пока они добирались до места, оттаявшего мамонта основательно повредили медведи и волки. На реке Березовке в Колымском крае в 1952 г. в мерзлой глине обнаружили полностью сохранившийся труп мамонта, между зубами и в желудке которого оказались следы пищи: остатки осоки и других трав. Очевидно, мамонт погиб, завязнув в болоте, потом его занесло снегом и землей. Мясо стало темно-бурым, сохранив, однако, упругость, жир — рыхлым; сохранился даже подшерсток на коже, мозг частично сгнил, частично ссохся.
Но такие случаи чрезвычайно редки. Чаще же геолог работает с плохо сохранившимися остатками. Обычно сохраняются скелеты и отдельные кости, раковины, чешуйки, плавники, стволы, редко плоды и цветы; листья, как правило, представлены отпечатками.
Если сравнивать степени сохранности окаменелостей различных групп животных, то окажется, что лучше сохраняются остатки беспозвоночных. Простейшие — фораминиферы, радиолярии — оставили хорошие окаменелости и в самых древних, и в самых молодых слоях.
Из губок сохраняются только скелетные. Хорошо сохраняются также некоторые кораллы. От червей изредка остаются челюсти и трубочки кольчатых (аннелид). Часто в хорошем состоянии находят скелеты мшанок и брахиопод, а также иглокожих, например ежей.
Важнейшее значение для геолога имеют окаменелости моллюсков (головоногих, брюхоногих, двустворчатых), раковины которых часто прекрасно сохраняются.
Хуже обстоит дело с позвоночными животными, особенно с наземными жителями. Правда, очень хорошо сохраняются зубы позвоночных, прочная эмаль которых — надежная защита от разрушения. Очень плохо сохраняются птицы.
Несомненно, однако, что остатки многих животных не дошли до нас. Отсюда — невосполнимые пробелы при попытках восстановить органический мир прошлого. Существуют огромные толщи слоистых пород без окаменелостей, «немые», как говорят геологи. Особенно бедны ископаемыми континентальные наземные отложения. Морские осадки обычно богаты окаменелостями, так как опустившаяся на дно моря или озера раковина или кость быстро покрывается песком или глиной, которые вместе с толщей воды предохраняют ее от разрушающего действия кислорода воздуха.
В наши руки попадают лишь жалкие остатки предельно разнообразного органического мира прошлого. Перед историком-геологом всегда стоят исключительные препятствия на пути к прочтению истории Земли. Но нет работы увлекательней, чем эта! Она требует упорного труда, но воспитывает терпение, вдумчивость, острую наблюдательность, умение анализировать и обобщать изучаемое, помогает сформировать действительно материалистическое мировоззрение. Перед геологом-историком развертывается необъятное поле деятельности, открываются возможности смелых обобщений, выявляющих поразительные события в бездне прошедших веков.
Изучая окаменелости, т. е. работая палеонтологическим методом, геологи пришли к неоспоримому выводу; пласт, содержащий остатки наземных растений или животных, образовался на суше; пласт с остатками пресноводных растений и животных отложился на дне озера или реки; пласт с остатками морских обитателей накопился на морском дне. Конечно, все это справедливо при сохранении первичного залегания данных пластов.
Изучая последовательно пласты с окаменелостями на больших площадях, ученые установили, что многие из них простираются на сотни, а нередко и тысячи километров. Например, раковины головоногого моллюска Belemnitella mucronata, брахиоподы Terebratula carrnea, морского ежа Echinocorys vulgaris, устрицы Gryphaea vesicularis содержатся в слоях на широких пространствах европейской части России и Ливийской пустыни в Северной Африке, Мексике и Австралии. Такие окаменелости позволяют сопоставлять пласты, удаленные друг от друга на тысячи километров и устанавливать их одновозрастность.
Вместе с тем многочисленные исследования доказали, что окаменелости растений и животных в пластах быстро сменяются в вертикальном направлении, снизу вверх. Вследствие этого явилась возможность любую группу пластов охарактеризовать своими окаменелостями, отличными от содержащихся в покрывающих и подстилающих пластах. Иначе говоря, пласты с однородными окаменелостями геологически одновременны.
Кроме того, удалось установить следующее важнейшее обстоятельство: окаменелости в подстилающих пластах представляют собой остатки растений и животных более просто устроенных, чем в покрывающих пластах, где остатки органического мира принадлежат к более высоко и сложно развитым формам. Это явилось одним из сильнейших доказательств теории Дарвина об эволюционном развитии органического мира и легло в основу построения надежной шкалы летосчисления земной коры, охватывающей не отдельные территории, а весь земной шар.
Теперь геологи располагают тремя шкалами: относительной, геологической и абсолютной. Первая устанавливает, что данный пласт моложе или старше другого и действительна для небольших площадей; вторая тоже говорит об относительном возрасте, но лежащие в ее основе палеонтологические данные дают возможность распространять выводы о возрасте пластов на огромные территории; третья шкала выражает геохронологию пластов в абсолютных единицах (годах), исходя из явлений распада радиоактивных элементов.
Обычно различают единицы:
|
Стратиграфические (в разрезе земной коры) |
Геохронологические (во времени) |
|
Группа |
Эра |
|
Система |
Период |
|
Отдел |
Эпоха |
|
Ярус |
Век |
|
Горизонт |
Время |
Приведем современную геохронологическую шкалу, ограничившись выделением эр (групп) и периодов (систем) и указанием их абсолютной продолжительности.
Геохронологическая шкала
|
Эра (группа) |
Период (система) |
Обозначение |
Продолжительность, млн. лет |
|
Кайнозойская (66—70 млн. лет) |
Четвертичный Неогеновый Палеогеновый |
Q N Pg |
1,7 24,0 41,0 |
|
Мезозойская (165—170 млн. лет) |
Меловой Юрский Триасовый |
Cr J T |
70,0 55,0 40—45,0 |
|
Палеозойская (325—375 млн. лет) |
Пермский |
P |
40,0 |
|
Каменноугольный |
C |
55—75,0 |
|
|
Девонский |
D |
50—70,0 |
|
|
Силурийский |
S |
30—35,0 |
|
|
Ордовикский |
О |
60—70,0 |
|
|
Кембрийский |
Cm |
90,0 |
|
|
Докембрийская |
Протерозойский Архейский |
Pt А |
2000,0 900,0 |
Стратиграфический, петрографический (литологический) и палеонтологический методы, как было сказано, являются основными способами установления возраста осадочных горных пород и определения географической обстановки на нашей планете в те или другие эры, периоды, эпохи и века. Тектонический метод — важнейший из тех, которые позволяют познавать ход во времени таких грандиозных событий, как горообразование, большие изменения форм поверхности Земли, движения глубоких расплавленных масс — магмы.
Тектоника — учение о геологическом строении земной коры, геологических сооружениях, о закономерностях их развития и расположения на Земле, о характере залегания пластов. Понятие «тектоника» было предложено в 1850 г. немецким геологом Науманом.
Пласты земной коры, как уже раньше говорилось, залегают ненарушенно (первично) и нарушенно (вторично). Ненарушенное залегание слоев — горизонтальное, т. е. такое, в каком они первично отлагались на дно морских и пресных водоемов. Горизонтально лежащие слои могут занимать обширнейшие площади материков во многие сотни и тысячи квадратных километров.
Нарушенное залегание создается процессами горообразования и бывает складчатым и сбросовым.
Наблюдая, что нижняя пачка слоев сложена в ряд складок, а на размытой их поверхности верхняя лежит горизонтально, геолог-тектонист объясняет это складчатостью, испытанной нижней пачкой. Если верхний слой нижней складчатой толщи, допустим, относится к пермской системе, а нижний слой верхней горизонтально лежащей толщи имеет юрский возраст, то это значит, что складчатость возникла после образования пачки пермских пластов и до накопления юрских. Руководствуясь тектоническим методом, геологи установили, что складчатость представляет собой один из важнейших процессов горообразования.
Начальные этапы образования земной коры, т. е. перехода нашей планеты от астрономической стадии к геологической, отстоят от современности на три-четыре миллиарда лет. Сама же Земля существует не менее шести миллиардов лет.
Астрономическая, или звездная, стадия сменилась планетарной, начало которой относят к догеологической эре, когда земная кора только начинала создаваться, так что о тогдашних горных породах мы пока ничего не знаем. Геологическая история Земли начинается лишь со времени формирования горных пород, доступных нашему изучению.
Источник: С.С. Кузнецов. Как читают историю Земли. Издательство «Недра». Ленинград. 1973