Описанные выше методы возрастного расчленения толщ пород и установления последовательности геологических событий применимы только при изучении отдельно взятого разреза.
Однако очень редко удается увидеть более или менее полный последовательный ряд геологических образований в одной точке (разрезе, обнажении) или на ограниченной площади. Обычно же для расшифровки геологической истории приходится пользоваться отдельными разрезами, нередко сильно удаленными друг от друга. В этих случаях наибольшую сложность представляет возможность убедиться в одновозрастности пород, соответственно сменяющихся в сопоставляемых разрезах. Лучше всего корреляция двух сосед них разрезов может быть осуществлена при непосредственном прослеживании пород, но в природе эта возможность из-за современных рыхлых наносов встречается сравнительно редко. В связи с этим идентификация пород серьезно осложняется. Если к тому же учесть фациальную изменчивость, тектоническую нарушенность толщ, неполноту геологической летописи в связи с перерывами в отложении, то вряд ли нужно доказывать, что без овладения соответствующими приемами геологическая корреляция весьма затруднительна. Для решения этой задачи разработан ряд способов, главнейшими из которых являются стратиграфический, петрографический, геохимический и палеонтологический.
Стратиграфический способ заключается в установлении возрастного соотношения пород путем сопоставления пластов различных разрезов. Однако в связи с тем, что непосредственное прослеживание возможно только в редких случаях, применение стратиграфического метода довольно ограничено.
Несколько большие возможности возникают тогда, когда исследуемые толщи содержат характерные для них, так называемые маркирующие горизонты, литологические или фациальные особенности. К числу последних, кроме горизонтов, представленных отложениями какой-либо одной фации, относятся поверхности крупных размывов и древнего выветривания. Если осадочная толща сложена многократно периодически чередующимися ритмическими или циклическими комплексами пород, то корреляцию разрезов лучше проводить по маркирующим циклам, исходя из положения, что циклы, определяющиеся колебательными тектоническими движениями на значительных площадях, более выдержаны в пространстве, чем отдельные пласты пород или даже фации. При этом надо подчеркнуть, как указывает Л. Н. Ботвинкина, что нельзя проводить сопоставление разрезов только по количеству циклов, отсчитываемых от какого-либо маркирующего горизонта. Особенно это касается тех случаев, когда наблюдается большая изменчивость мощности в силу того, что циклы, как и заключенные в них пласты, имеют тенденцию к расщеплению.
Литологическое изучение пород в отдельных разрезах позволяет выявить особенности, характерные для того или иного участка изучаемой территории. Так, простое преобладание в разрезе тех или иных пород позволяет выделить толщи, хорошо прослеживаемые по площади. Корреляция разрезов по литологическим признакам наиболее успешно может быть применена при изучении немых толщ, в которых особенности пород помогают сопоставлять их и судить об их стратиграфическом положении в разрезе.
Петрографический способ корреляции основан на том положении, что вещественный состав и сложный комплекс физико-географических условий времени формирования любого пласта или комплекса последних в целом неповторяем. В каждую эпоху седиментации на континенте обнажаются новые горизонты со своеобразным строением и иным литологическим составом, формируется свой рельеф, развивается новая гидрографическая сеть и т. д. И в бассейн, где формировалась исследуемая нами толща, приносится материал уже иного минерального состава. В общем можно сказать, вне зависимости от условий осадконакопления, в осадочных породах состав обломочных минералов определяется характером материнских пород, представляющих источник сноса, и является в каждом конкретном случае характерным для времени формирования самой породы.
Таким образом, проводя минералогический анализ осадочных пород, мы получаем возможность выделить так называемые руководящие, или корреляционные комплексы минералов, присущие определенной толще или определенному стратиграфическому горизонту, пользуясь которыми, можно производить сопоставление разрозненных разрезов.
Среди разнообразных минеральных компонентов важное корреляционное значение имеют турмалин, ставролит, эпидот, кианит, циркон, андалузит, топаз, рутил, анатаз и кварц. При этом следует подчеркнуть, что маркирующее значение может иметь как сам состав минералов, так и специфические оптические, кристаллографические или физические свойства этих минералов, степень их окатанности, включения в них и т. д. Наибольшее руководящее значение имеют такие тяжелые терригенные минералы, как ильменит, гематит, магнетит, пирит, циркон, касситерит, вольфрамит, дистен, ставролит, силлиманит, гранат, рутил, турмалин, танталит, барит, монацит и др. Необходимо также иметь в виду, что значение тяжелой фракции заключается не только в определенном минеральном составе ее, но и в процентном содержании, которое в эквивалентных стратиграфических толщах обычно является величиной почти постоянной, колеблющейся лишь в небольших границах.
В последнее время М. Ф. Викуловой для стратиграфического расчленения и целей корреляции глинистых мезозойских толщ Западно-Сибирской низменности были сделаны весьма обещающие попытки использования глинистых минералов. Позже подобные работы были проведены Р. Г. Дмитриевой в Восточном Предкавказье. Правда, масштабы возможных сопоставлений в этих случаях зависят от условий накопления исследуемых толщ.
Разновидностью петрографического метода является рекомендованная еще в 1935 г. Ю. А. Жемчужниковым возможность использования конкреций для расчленения и корреляции разрезов угольных бассейнов. Однако только в последнее время А. В. Македонову удалось при работах в Печорском угольном бассейне широко применить эти общие рекомендации.
Детальные наблюдения здесь показали, что каждая свита характеризуется своеобразным комплексом конкреций, маркирующих ее. При этом существенно, что другие литологические признаки пород разных свит менее отличаются друг от друга, чем состав конкреций. Большинство отдельных типов конкреций имеет интервалы стратиграфического распространения, измеряющиеся несколькими сотнями метров, а часто и больше, но в пределах этого интервала они обычно несколько меняют свои свойства, в связи с чем появляется возможность выделить ряд подтипов. Эти подтипы в пределах зоны своего распространения имеют определенные максимумы и минимумы, приуроченные к более узким стратиграфическим интервалам. Максимумы и минимумы выявляются путем приближенных подсчетов количества конкреций на единицу разреза.
В общем следует сказать, что из-за специфики состава толщ петрографический способ корреляции применим на сравнительно ограниченных площадях в границах отдельных геотектонических регионов.
Геохимический способ сопоставления начал внедряться в последнее время, главным образом в нефтяной геологии, с целью корреляции немых толщ. В основе этого метода лежит использование данных спектрального анализа, позволяющего одновременно в небольшом количестве вещества (несколько миллиграммов) определять десятки элементов, присутствующих в концентрациях до 0,01—0,001 и меньше. При этом определение осуществляется во много раз быстрее, чем химическими методами. В настоящее время получили распространение две методики использования данных спектрального анализа для корреляции геологических разрезов:
1) визуальная качественная, при которой учитывается присутствие и отсутствие одного или нескольких элементов на отдельных участках, либо изменение частоты их в пластах по разрезу в отдельных пачках;
2) количественная, при которой учитывается содержание одного или нескольких элементов в пластах по разрезу пли отношение в них пар химических элементов (С. М. Катченков).
При визуальном качественном способе использования спектральных данных на основе визуального определения элементов выделяются горизонты, содержащие и не содержащие один или несколько характерных элементов. Иначе говоря, выявляются «руководящие» корреляционные элементы для соответствующих горизонтов; ими и пользуются при сопоставлении разрезов. Наилучшими корреляционными данными обладают малые и редкие элементы (литий, стронции, барий, ванадий, никель, кобальт, медь, галлий и др.).
При количественном способе сопоставление ведется, как правило, не по абсолютным концентрациям в том или другом горизонте, а по относительным изменениям их концентраций в ниже — и вышележащих горизонтах. Это связано с тем, что абсолютные концентрации элементов по площади для данного горизонта обычно изменяются в ту или другую сторону, в то время как показатели относительных изменений более постоянны.
Сущность способа заключается в том, что после установления «руководящих» элементов для каждого подразделения разреза проводится количественное определение их содержания. По полученным данным на основе литологического разреза строится геохимическая диаграмма. Интервалы этой диаграммы, характеризующиеся, по сравнению со средним, повышенным или пониженным их содержанием (в 1,5—3 раза), выделяются в соответствующие горизонты, которые затем и сопоставляются. Для корреляции по количественным данным могут быть использованы различные элементы, однако в первую очередь рекомендуется применять следующие:
- в песчаниках — цирконий, титан, хром, галлий, железо, алюминий;
- в глинах — цирконий, галлий, хром, ванадий, никель, кобальт, медь, марганец, стронций, барий, магний, кальций, литий, рубидий, калий, натрий, германий, бериллий и др.;
- в карбонатных породах — стронций, барий, марганец, медь, никель, натрий, магний, алюминий, кремний и др.
Наиболее точные результаты при сопоставлении разрезов обычно дают не абсолютные или относительные содержания «руководящих» элементов, а отношения содержаний пар элементов. Для корреляционных задач рекомендуются следующие соотношения: отношения содержания натрия к содержанию калия, калия к литию, кальция к магнию, меди к стронцию, стронция к барию, ванадия к хрому, ванадия к никелю, железа к марганцу, титана к цирконию, алюминия к кремнию, меди к никелю и др.
Палеонтологический способ пригоден, в отличие от рассмотренных выше, для сопоставления возраста пород на широких площадях, вплоть до масштабов планеты в целом. Как и для палеонтологического метода определения относительного возраста, в основе палеонтологического способа корреляции лежит представление о необратимости процесса эволюции органического мира, развивавшегося последовательно от простейших форм до современных высокоорганизованных животных и растений.
Основы корреляции разрезов по палеонтологическим остаткам, так же как и определения относительного возраста по ископаемым, были разработаны В. Смитом и Ж. Кювье. Вначале синхронизация проводилась на основе только систематического учета общих форм ископаемых организмов при полном отрыве от данных геологии. Так, считалось, что нижняя граница распространения определенного вида является границей, датирующей появление этого вида, а верхняя — границей его вымирания. Эти границы рассматривались как всеобщие, характеризующие всю земную поверхность, определяющие синхронность фаун и заключающих их осадков.
Серьезной критике подверг это направление Ч. Дарвин в работе «О происхождении видов». Исходя из положения, что эволюция живых организмов неразрывно связана со средой, он показал, что при проведении корреляции определяющими являются не только сами организмы, но и условия их нахождения. Более того, проведя анализ тех трудностей, с которыми приходится сталкиваться при корреляции фаун, Ч. Дарвин установил:
- нижняя граница распространения вида или группы видов указывает лишь на иммиграцию их в данный район из области, нам пока не известной, а не свидетельствует о возникновении или параллельном развитии видов в различных районах;
- верхняя граница распространения отдельных видов или целых фаун не всегда свидетельствует о вымирании их, а может указывать только на эмиграцию их из данной области в силу изменившихся условий;
- единое место происхождения каждого вида есть закон и в связи с этим представители одного и того же вида или рода, живущие в удаленных и разобщенных один от другого районах, должны были расселиться из одного места, где первоначально развились их предки;
- вид или виды одной группы никогда не вымирают сразу по всей площади их распространения; вымирание старых форм и появление новых тесно связано одно с другим. Поэтому виды исчезают постепенно, сначала в одном месте, затем в другом и, наконец, повсюду на Земле. Предвестником вымирания вида, по данным геологии, является редкость его распространения.
Таким образом, при синхронизации толщ необходимо учитывать возможность миграции организмов, условия отложения осадков, перерывы в отложении и многие другие вопросы геологии. Эти трудности обусловливают то, что при всех успехах современной палеонтологии достаточно надежная синхронизация с помощью палеонтологического способа возможна лишь в масштабе периодов и эпох. Внутри же последних, т. е. в границах веков (ярусов), по палеонтологическим данным, возможна лишь приближенная корреляция, особенно в их верхних и нижних горизонтах.
Помимо, отмеченного, затруднения при синхронизации увеличиваются еще и тем, что не все группы ископаемых организмов равноценны, а некоторые даже несравнимы. Причина заключается в том, что эволюция групп, обитающих в разных условиях (наземные, морские, лагунные и т. д.), идет различными путями, и часто совершенно не совпадают даже основные этапы их исторического развития. Так, например, эпохи крупных миграций морских организмов всегда совпадают с трансгрессиями морей, а крупные миграции континентальных животных, наоборот, обычно совпадают с регрессиями. Поэтому эпохи более или менее устойчивых фаун и флор на континентах нередко оказываются эпохами обновления организмов в морях. В связи с этим при корреляции необходимо преимущественно анализировать группы организмов одной и той же фации. Далее необходимо напомнить, что хорошо маркируют возраст геологических формаций только те группы организмов, которые отличались быстрой изменчивостью во времени и обладали возможностью быстро расселяться на обширных площадях. С этой точки зрения прикрепленные группы организмов обладают весьма небольшой коррелятивной ценностью.
При синхронизации прибрежно-морских и особенно континентальных отложений серьезное значение имеют ископаемые растительные остатки (окаменелая, обугленная древесина, остатки и отпечатки листьев, плодов, споры, пыльцевые зерна и др.). На основе имеющихся данных нужно считать, что наземная растительность появилась на ранних этапах развития Земли. Так, Л. С. Берг (1947), анализируя климаты прошлых геологических периодов, пришел к выводу, что еще в архейское время на материках как на суше, так и в пресных водоемах существовала обильная жизнь (зеленые и сине-зеленые водоросли, бактерии, низшие грибы). Достоверные признаки наземной растительности устанавливаются только начиная с протерозоя присутствием в отложениях этого времени довольно большого количества спор растений неясного систематического положения. Наиболее ранние остатки наземной флоры известны из самых верхних частей силурийских отложений Австралии, а в северном полушарии — из нижних частей девона. Обе эти флоры характеризуются уже чрезвычайно большим морфологическим разнообразием. В силурийском периоде появились ксилофиты (простейшие сосудистые растения), почти полностью исчезнувшие к концу среднего девона. В девоне и особенно в каменноугольное время бурного развития достигают папорот никообразные. Господство их в растительном мире Земли продолжается до нижней перми включительно.
Начиная с верхней перми наступил расцвет голосеменных растений, появившихся еще в девоне, по занимавших господствующее положение в мезозойскую эру. Наконец, начиная с верхнего мела, на Земле установилось безраздельное господство покрытосеменных растений. При рассмотрении истории развития растительного мира в аспекте эволюции органического мира обращает на себя внимание, что переломные моменты в истории растительного мира Земли приурочены ко времени, несколько более раннему, чем соответствующие изменения животного мира, являющиеся основой общепринятого подразделения истории Земли на эры и периоды.
Для целей корреляции, так же как и в случае использования остатков фауны, имеют значение не все ископаемые растения, а только те группы, которые вымерли или по крайней мере не обнаруживают более систематического разнообразия после того, как они преобладали в течение какого-то отрезка геологического времени. При этом необходимо иметь в виду, что распространение многих групп растений довольно широко растянуто во времени, ибо появляются они задолго до периода их преобладания, а исчезают значительно позже его. Если этого не учитывать, то можно легко впасть в ошибки при корреляции. В основе решения вопроса возрастной корреляции флор лежат следующие принципы:
- существенно сходные флоры считаются одновременными;
- одновременность устанавливается сходством руководящих видов, родов и комплексов;
- при определении одновременности двух или нескольких флор следует использовать наиболее раннее появление сходных новых форм и наиболее позднее появление сходных древних форм;
- сходные преобладающие виды в двух или нескольких флорах в пределах ботанической провинции указывают на одновременность;
- сходные стадии эволюционного развития, установленные в группах растений двух или более флор, указывают на существенную одновременность.
В последнее время важным способом стратиграфической параллелизации стал так называемый споро-пыльцевой анализ. Сущность его состоит в статистическом изучении спор и пыльцевых зерен, содержащихся в слое или свите, с выяснением числовых соотношений между спорами (или пыльцевыми зернами) различных типов. Сопоставление слоев или свит производится обычно не на основании присутствия или отсутствия тех или иных единичных типов этих микроскопических ископаемых, а по комплексу преобладающих форм и порядку их частоты встречи.
Заканчивая на этом краткое изложение главнейших способов установления одновозрастности горных пород относительными методами, следует еще раз подчеркнуть, что ни один из рассмотренных способов (исключая непосредственное непрерывное прослеживание пластов) сам по себе не дает надежных выводов об одновозрастности (синхронности) анализируемых толщ. Поэтому наибольшего эффекта удается достигнуть при комплексном использовании всех материалов, получаемых в процессе детальных исследовании различными способами и методами, известными современной геологии. В этом отношении большую роль призваны сыграть бурно развивающиеся последние десять лет методы абсолютной геохронологии.
Автор: В.М. Кляровский. Определение возраста геологических образований. Изд-во Сибирского отделения АН СССР. Новосибирск. 1960