Чтобы познать историю развития того или иного участка земной коры, необходимо установить и по возможности реставрировать последовательную смену геологических событий от момента образования наиболее древних пород до наиболее молодых и выяснить причины изменений, обусловивших их современный облик. Иначе говоря, надо определить возраст пород и процессов относительно друг друга, т. е. их относительный возраст. Обычно это решается чисто геологическими методами, возникшими еще на заре геологической науки.
Первыми исследователями в этом направлении были датчанин Николаус Стено и английский инженер Вильям Смит. Николаус Стено (1632—1687), придя к правильному представлению о процессе образования осадочных пород путем отложения вещества из воды, установил две основные закономерности: 1) что каждый слой ограничен двумя параллельными поверхностями, имеющими первоначально горизонтальное положение, и 2) что каждый слой должен иметь значительную горизонтальную протяженность и занимать большую площадь.
Следовательно, если наблюдается наклонное залегание слоев, то, надо думать, что оно возникло после их отложения в результате каких-то последующих процессов. Проводя геологические наблюдения в Италии (область Тоскана), Стено правильно определял по взаимоположению слоев их относительный возраст, считая верхние породы моложе нижних.
Вильям Смит (1769—1839), участвуя в работах по прорытию каналов, обратил внимание на то, что смежные слои горных пород обычно содержат сходные ископаемые органические остатки и, наоборот, далеко отстоящие слои характеризуются резко отличными окаменелостями. В сочинении «Об отождествлении слоев по ископаемым» он показал, что благодаря наличию специфических остатков один и тот же пласт может быть прослежен на большом пространстве даже в том случае, если изменяется состав слагающих его пород. Смит выяснил, что с изменением возраста меняются органические остатки, а следовательно, изучение их особенностей может позволить установить стратиграфическую последовательность слоев, отвечающую хронологическому порядку их отложения на дне моря.
Работы Смита были продолжены и развиты во Франции Ж. Кювье и А. Броньяром, которые в 1807 г. опубликовали географо-минералогическое описание Парижского бассейна, сопровождаемое геологической картой, показывающей распространение толщ различного возраста.
Трудно переоценить значение этих работ, ибо мало можно назвать открытий, которые бы так способствовали развитию геологии, как установление роли окаменелостей в определении возраста пород. Работами Стено, Смита, Кювье и Броньяра были заложены основы важнейших геологических методов — стратиграфического и палеонтологического, используемых для вертикального расчленения древних толщ и определения относительного возраста их пластов.
Стратиграфия (от латинского слова «стратум» — слой и греческого слова «графо» — описываю) — раздел науки, занимающийся изучением взаимоотношения и последовательности образования горных пород, слагающих земную кору.
Палеонтология — наука, изучающая по ископаемым остаткам организмов и следам их жизнедеятельности историю развития растительного и животного мира в течение всего геологического времени.
Стратиграфический метод определения относительного возраста
В основе стратиграфического метода лежит представление о формировании осадочных пород в воздушно-водной среде путем последовательного осаждения материала сверху вниз. Это определяет отложение его более или менее ровными горизонтальными слоями, последовательно ложащимися друг на друга. Благодаря этому, вертикальный разрез нормально залегающей толщи отражает последовательную смену отлагающегося материала и дает представление об изменении условий формирования ее во времени. Каждый вышележащий пласт является более молодым, чем пласт нижележащий, его подстилающий.
Это правило применимо не только к собственно осадочным образованиям, но и для определения относительного возраста излившихся вулканических пород. Оно не теряет своей силы и в условиях нарушенного залегания до тех пор, пока сохраняется нормальная последовательность слоев. В противном случае, как например, при опрокинутых складках, согласных взбросах или несогласно падающих взбросах, этот способ сам по себе, естественно, не может дать достаточной достоверности.
Возраст складчатости выясняется путем сопоставления возраста пород, слагающих складку, с возрастом нескладчатых или менее складчатых пород, перекрывающих ее. Всякое нарушение пород является более молодым, чем горные породы, затронутые этим нарушением. Так, анализируя взаимоотношения геологических образований, мы устанавливаем следующую последовательность геологических событий: относительно древняя толща, приведенная складкообразованием в наклонное положение, разорвана, позже она прорвана магматическим телом на глубине и размыта с поверхности; на поверхности размыва отложилась относительно наиболее молодая толща.
Изверженные (магматические) породы, прорывающие осадочные, метаморфические и сложные вулканогенные комплексы, возникают в результате внутрикоровых глубинных процессов Земли, благодаря подъему магматического вещества и эманаций в более высокие горизонты земной коры. Относительный возраст даек, жил, силловых залежей выясняется по прорыву и изменению ими вмещающих пород или по пересечению одних даек другими.
При определении относительного возраста очень важную роль играет установление длительно-эволюционного или прерывистого формирования толщ. Если породы переходят друг в друга постепенно (макроскопически или микроскопически), то говорят о непрерывности хода процесса отложения. Резкое же изменение состава строения пород свидетельствует о большем или меньшем перерыве в отложении последних и обусловливается скрытым или явным несогласным налеганием толщ. Несогласие чаще всего проявляется в наличии неровной, сильно размытой поверхности нижних (одного или нескольких) слоев, в наличии окатанных мелких и крупных обломков пород в основании верхнего слоя, в сохранении остатков погребенных почв, продуктов коры выветривания, древнего карста или других признаков континентального режима, наземных или подводных размывов. Такой контакт указывает не только на перерыв в осадконакоплении, но и на возможное уничтожение отдельных слоев или целых толщ и вынужденное отсутствие («выпадение») их в разрезе. Относительная длительность такого перерыва, а также время проявления тектонических дислокаций, нарушающих подстилающие породы, устанавливается после выяснения возраста пород.
Стратиграфический метод широко используется при полевых геологических исследованиях, хотя он применим только для изучения отдельных разрезов земной коры, а также в случаях, когда представляется возможность проследить отдельные пласты или пачки на некотором расстоянии.
Пользуясь стратиграфическим методом для каждого района, на основании определения мощности пород и их последовательности составляется сводная схема налегания пород друг на друга. Условный чертеж в масштабе, отображающий мощности и порядок наслоения горных пород, называется стратиграфической колонкой.
Стратиграфический метод имеет повсеместное и широкое применение при расшифровке строения каждого участка Земли, но сам по себе не решает строения больших и сложно построенных территорий, ибо там недоступны наблюдению (закрыты и нарушены) многие непосредственные переходы между породами. Чтобы установить место данного слоя в общепринятой геохронологической шкале, сопоставить между собой строение различных районов или их стратиграфические колонки, необходимо еще обязательно знать возраст хотя бы одного из слагающих пластов для отыскания аналога на соседней территории. В данном случае используется палеонтологический метод.
Палеонтологический метод определения относительного возраста
Выше уже отмечалось, что основоположниками палеонтологического метода расчленения пород по их возрасту были В. Смит, Ж. Кювье и А. Броньяр. Однако подлинно научное обоснование этот метод получил только в теории Дарвина о происхождении видов. Она осветила новым светом работы многочисленных предшественников и с необычайной убедительностью показала, что органический мир следует представлять «…не в виде отдельных разрозненных очагов жизни, независимо возникавших и вновь угасавших в разные геологические периоды, а в виде великого дерева жизни, наполняющего своими мертвыми изломанными сучьями земную кору и покрывающего ее поверхность своими пышными, вечно разрастающимися ветвями» (А. П. Павлов, 1897). Ископаемые остатки прежней органической жизни приобрели в свете этой теории особый интерес как родичи и предки современных организмов. Это уже не «курьезы природы», не «фигурные камни», привлекающие взоры своими странными, необычными формами, это важнейшие документы исторического развития органической жизни на Земле, документы весьма длительной истории развития самой Земли. Из этой теории следовало, что, чем древнее пласт, тем в принципе обязательнее он должен сохранять в себе остатки менее разнообразных и все более низкоразвитых организмов. В связи с учением об эволюционном развитии жизни на Земле в основу палеонтологического метода положено представление, что в последова тельной смене ископаемых организмов, обнаруживаемых в мощных толщах осадочных пород, выражается исторический процесс последовательного развития органической жизни. Поэтому палеонтологический метод применим не только для возрастного расчленения толщ в одном разрезе, но и позволяет с большей или меньшей точностью проводить возрастное сопоставление разрезов, удаленных друг от друга. По некоторым остаткам проводится сопоставление пород для разных континентов и даже всей земной поверхности.
Органический мир, появившийся на ранних этапах истории Земли, все время развивался и изменялся. Под влиянием изменяющихся внешних условий развитие организмов шло преимущественно от более простых, низкоорганизованных форм к более совершенным и высокоорганизованным. Процесс эволюции считается необратимым, и организмы, приобретшие при развитии какие-либо новые признаки, не могут вернуться в прежнее, исходное состояние. Таким образом, исчезнувшие виды организмов не могут появиться второй раз на Земле.
Возникавшие виды организмов отличались от ранее существовавших. Старые формы частично вымирали, а частично видоизменялись, приспосабливаясь к новым жизненным условиям. Поэтому в древних пластах горных пород мы встречаем остатки более простых организмов, а в поздних отложениях — организмов иного облика. Эта особенность развития органического мира, подмеченная впервые еще Вильямом Смитом, и лежит в основе использования данных палеонтологии при определении относительного возраста пластов.
Из представления об общей постепенной эволюции возникло положение, что пласты, заключающие в себе одинаковые окаменелости, имеют и одинаковый возраст. В действительности это не совсем так и решение этого вопроса значительно сложнее, чем представляется с первого взгляда.
Прежде всего, не все виды организмов прошлых геологических периодов имеют одинаковое значение для возрастных целей. Некоторые животные и растения, обладающие способностью приспосабливаться к изменяющимся условиям среды, прошли через миллионы лет геологической истории без существенных изменений, и остатки их встречаются в самых разнообразных по возрасту слоях горных пород. Другие организмы, наоборот, быстро эволюционировали. Такие органические остатки пригодны для характеристики возраста пород. Их научная ценность становится особенно велика, если они обладают большой площадной распространенностью, быстрым расселением их на дневной поверхности. В установлении относительного возраста горных пород и при сопоставлении удаленных друг от друга разрезов главное значение имеют именно такие фаунистические группы. Их называют руководящими ископаемыми.
Таким образом, с каждым комплексом одновозрастных горных пород в принципе связан определенный комплекс руководящих ископаемых. Однако это положение справедливо только для пород, которые формировались в одних физико-географических условиях. Наоборот, в толщах с сильной фациальной изменчивостью как раз не присутствие, а отсутствие одинаковых видов часто бывает свойственно строго одновозрастным слоям (Р. Ф. Геккер, 1948). Это объясняется приспособляемостью организмов к определенному образу и обстановке жизни. Так, фауна внутренних осолоненных бассейнов иная, чем фауна внутренних опресненных бассейнов и лагун, и обе они значительно отличаются от организмов открытого моря, а животный мир на континенте резко отличен от морского и т. д. Поэтому при изменении условий жизни и миграции фаций неминуема миграция в пространстве и во времени как отдельных форм, так и целых их комплексов. В связи с этим, при возрастных исследованиях можно сравнивать только органические остатки, заключенные в сходных породах, имевших одинаковые или близкие условия формирования. Из-за этого для каждого фациального комплекса пород существует соответствующее сообщество руководящих органических остатков. Если же учесть, что процесс смены фауны во времени не проходит мгновенно, то этот метод позволяет определять возраст пород только условно и только в довольно крупных этапах геологической истории. Новые исследования показывают, что различные виды фауны в разных местах появлялись не одновременно, расселялись с разной скоростью, не повсеместно и не в одно время вымирали.
Остаточные, или, как говорят, реликтовые, виды фауны наблюдаются и теперь. Так, например, в Австралии и сейчас распространены кенгуру и другие сумчатые животные — родичи млекопитающих, которые давно вымерли на других континентах.
Основные положения палеонтологического метода были сформулированы М. К. Коровиным в книге «Историческая геология» (1941).
1. Фаунистические сообщества равнозначных стратиграфических подразделений, формировавшихся в одинаковых физико-географических условиях, имеют повсеместный характер при наличии в каждой стране, кроме того, и своей местной фауны.
2. По всей Земле сохраняется одна и та же последовательность фаун, выдерживающаяся во всех странах с замечательным постоянством.
Большое значение для оценки возраста имеет сохранность палеонтологических остатков прошлых геологических периодов. Лучше всего сохраняются известковые или кремневые скелеты, раковины, створки, улитковые ходы, зубы и другие твердые части живых организмов. Значительно реже встречаются отпечатки исчезнувших мягких частей организма и форм, а также следы жизнедеятельности организмов (следы лап, ходы червей и др.). Все они рассматриваются в комплексе и помогают уточнить возраст толщ и условия их накопления.
Заканчивая на этом краткое изложение палеонтологического метода определения относительного возраста, основанного на использовании немногих руководящих ископаемых, следует еще раз подчеркнуть, что если на ранних стадиях развития науки им широко пользовались и он позволял решать крупные задачи геологии, то в настоящее время на его все еще большое значение, он сам по себе недостаточен для решения возрастного расчленения толщ. Общепризнано то положение, что полноценная стратиграфическая характеристика может быть дана только в том случае, когда палеонтологическое исследование фауны и флоры осуществляется в непрерывной связи со всесторонним изучением геологической истории. Неудовлетворительность собственно палеонтологического метода особенно выступает при необходимости расчленения осадочных отложений, отвечающих короткому промежутку геологического времени, в течение которого фауна не успела существенно измениться. В этих условиях возможность использования эволюции фауны отпадает, а большое значение приобретают такие признаки, как прижизненные или посмертные комплексы форм, количественные соотношения последних, особенности распределения окаменелостей в слоях — скопление или рассеяние, ориентировка раковин и растительных остатков, характерные следы животных и др.
На основании изложенных выше принципов, по определенным ассоциациям животных и растений на всей Земле, намечено единое относительное расчленение геологически разновозрастных толщ для всех континентов. Оно выражает и естественное расчленение геологической истории нашей планеты на главнейшие этапы, которые являются основой геохронологической шкалы.
Автор: В.М. Кляровский. Определение возраста геологических образований. Изд-во Сибирского отделения АН СССР. Новосибирск. 1960