7. А) Принцип последовательности образования геологических тел (принцип н. Стенона)

Этот принцип издавна фигурирует в геологической литературе как принцип или закон последовательности напластования, поскольку первоначальная формулировка этого постулата Н. Стеноном (1969 г.) была связана непосредственно с процессом слоеобразования. В дальнейшем было предложено расширить область применения этого принципа, не ограничивая ее слоистыми осадочными толщами, а распространить на последовательность образования геологических тел вообще, включая и интракрустальные породы. Основанием для этого явились и высказывания самого Н. Стенона, сделанные в других местах его сочинения, где он рассматривает взаимоотношения геологических тел, относящихся к категориям магматических и метаморфических образований.

Соответственно прежняя формулировка этого принципа — «при ненарушенном залегании каждый нижележащий слой древнее покрывающего слоя» — должна быть заменена новой. Прежнюю же интерпретацию этого принципа – последовательность залегания слоев в нормаль­ном разрезе отвечает исторической последовательности их образования – нередко обозначают как «правило Стенона - Геттона» и рассматривают как частный случай принципа Н. Стенона.

Первичная формулировка принципа Н.Стенона уточнялась и расширялась многими исследователями. Одну из них, возможно, самую общую, предложил С. В. Мейен (1974) : «Временные отношения раньше/позже между геологическими телами определяются их первичными пространственными отношениями и (или) генетическими связями».

Так или иначе, ясно, что принцип Стенона служит основой для перевода пространственных отношений контактирующих тел в отношения временной упорядоченности. С этим принципом в стратиграфию входит понятие времени. Он же обеспечивает первую операцию стратиграфического исследования — расчленение любого геологического тела по разрезу и нередко выделение стратиграфического подразделения.

7. Б) Климатостратиграфия

Под климатостратиграфией понимается система приемов и методов палеоклиматических реконструкций, предназначенных для дробного (внутриярусного) стратиграфического расчлене­ния и межрегиональной корреляции осадочных образований. С помощью климатостратиграфической методики составляются климатостратиграфические схемы, которые существенно уве­личивают дробность расчленения и надежность корреляции осадочных толщ.

Возможности климатостратиграфии ограничены теми интервалами геологической истории, для которых был характерен неустойчивый и весьма изменчивый во времени климатический режим. Это главным образом ледниковые эпохи, возникавшие на Земле вслед за перемещением крупных по площади материковых глыб в око­лополюсные широты,— поздний рифей, ордовик, карбон, пермь и поздний кайнозой. Наиболее эффективны методы климатостратиграфии в применении к плиоценовым и четвертичным отложениям.

Изменения климата, достаточно констрастные для того, чтобы их можно было фиксировать по характеру отложений и (или) изменениям биоты, устанавливаются в геологической ис­тории с протерозоя. Для верх­него криптозоя и почти всего фанерозоя эти климатические из­менения привлекаются главным образом для палеогеографи­ческих и общегеологических реконструкций. Совершенно иное значение приобретает регистрация кли­матических изменений для четвертичного периода.

Детальное расчленение и сопоставле­ние разрезов четвертичной системы проводят на иной ос­нове. Такой основой явились неоднократные смены резких по­холоданий и потеплений климата, происходившие в конце плио­цена и в плейстоцене. Начиная с 1909 г., когда А. Пенк и Э. Брюкнер установили пять стадий альпийских оледенений, геологи, изучающие четвертичные отложения северной поло­вины Евразии и Северной Америки, разрабатывают вопросы стратиграфии этой сложнопостроенной толщи, опираясь на раз­личные палеоклиматические реконструкции.

В 1963 г. был предложен термин климатостратиграфия.

Климатостратиграфия — это системный подход, предполагающий использо­вание комплекса методов (литологического, палеонтологиче­ского, геохимического, геоморфологического, изотопного и др.) для установления направленности и амплитуды климатических изменений. Каждый из этих методов сам в какой-то мере мо­жет свидетельствовать о температурном режиме и увлажнен­ности в момент формирования осадков. Но достоверные суж­дения можно получить лишь при условии совокупного рассмот­рения данных разных методов.

Исходным в климатостратиграфии является понятие о кли­матическом ритме — закономерной последовательности несколь­ких периодически повторяющихся во времени стадий климати­ческого режима. Каждая из них характеризуется определен­ным соотношением теплообеспеченности и увлажненности. Эмпирически установлено, что во времени эти два важнейших климатических параметра описываются каждый волнообразной кривой и что максимум и минимум теплообеспе­ченности предшествуют максимуму и минимуму увлажненности. Поэтому климатический цикл состоит в первом приближении из четырех стадий: тепло — сухо, * тепло — влажно, холодно — влажно и холодно — сухо.

Процесс осадконакопления столь же тесно связан с клима­тическим режимом, как и с режимом тектонических движений. Например, иссушение климата ведет к усилению эрозии и скло­новых процессов в речном бассейне точно так же, как и текто­ническое поднятие территории. И оба воздействия одинаковым образом будут отражены на гранулометрической кривой и в фациальном облике осадка. Увлажнение климата, наоборот, вы­зовет тот же ответ в осадконакоплении, что и тектоническое по­гружение. Таким образом, климатическому ритму будет отвечать седиментационный или, точнее, климатоседиментационный цикл. Фиксирование его всеми возможными способами и мето­дами и есть первая и главная задача климатостратиграфии.

Климатическия зональность — главный фактор, осложняю­щий климатостратиграфические построения. Известно, что в вы­соких широтах (50—80°) главными в изменении климата яв­ляются колебания температур, амплитуда которых увеличива­ется с широтой, в то время как в средних широтах (20—40°) — колебания увлажненности. Соответственно все экзогенные гео­логические процессы (эрозия, выветривание и т. п.), а также живые организмы в высоких широтах сильнее реагируют на из­менение теплообеспеченности, а в средних широтах — на изме­нение увлажненности. Это обстоятельство предопределяет существование в позднем кайнозое нескольких палеоклиматических поясов, для каждого из которых характерен свой тип климатоседиментационной цикличности. Высокие широты (север­нее 50° в Европе, 60° в Азии и 40° в Северной Америке) — пояс с ледниковым типом седиментационной цикличности, с чередо­ванием в разрезе морен и межморенных отложений; умерен­ные широты (45—55° в Евразии, 34—45° в Северной Аме­рике) — пояс с перигляциальным типом цикличности, с чередо­ванием лёссов и погребенных почв; средние широты (20— 40°) — пояс с семиаридным типом цикличности, с чередованием в озерных бассейнах солевых и иловых горизонтов.

Климатоседиментационные циклы в целом, а еще чаще их половины (например, лед­никовые и межледниковые отложения, лёсс и почва и т. п.), представляют собой картируемые геологические тела, т. е. мест­ные стратиграфические подразделения.

Однако и при отсутст­вии седиментационного отражения климатические ритмы могут и должны использоваться при геологической съемке. Например, в фациально однородных озерных толщах континентов колеба­ния климата устанавливаются по изменению комплекса спор и пыльцы, видового состава диатомовых или химического состава илов. Эти скрытые климатические ритмы (климатемы) не являются картируемыми геологическими телами, но служат корре­ляционными уровнями.

Таким образом, климатический ритм (цикл) может высту­пать как местное картируемое геологическое тело и/или как корреляционная «климатостратиграфическая зона». Эта двойственность вызывает некоторые трудности в термино­логии.

Палеоклиматические реконструкции

Палеоклиматические реконструкции — обязательный элемент историко-геологических исследований. Методика их основана на использо­вании данных формационного анализа, литолого-минералогических и палеонтологических индикаторах климата. Эта методика достаточна для описа­ния локальных палеоклиматов (климатов, синхронных форми­рованию осадков местных стратонов) или для подразделений общей геохронологической шкалы (века, эпохи, периоды). Но она недостаточна для климатостратиграфии, на­целенной на расчленение и корреляцию более дробных раз­резов.

Литолого-фациальные исследования в рамках климатостратиграфии. Для палеоклиматических ре­конструкций эффективен учет текстурных особенностей пород. Наиболее ин­формативны текстуры, отражающие динамику экзогенных процессов, связанных с фазовыми переходами воды в лед и об­ратно. Это разнообразные криогенные текстуры, возникающие при сезонном и многолетнем промерза­нии и оттаивании слоя: псевдоморфозы по жильным льдам, криосолифлюкционные текстуры горных склонов, текстуры течения, гляциотектонические и гляциодиапировые и другие. Классификация и описа­ние этих текстур даны А. И. Поповым [1967 г.], примеры использования криомерзлотных текстур для дробного стратигра­фического расчленения четвертичных отложений — Ф. А. Каплянской и В. Д. Тарноградским [1974 г.]. По криогенным тек­стурам можно устанавливать наличие в данном районе в прошлом многолетней мерзлоты, судить об амплитуде сезонных темпера­турных колебаний и тем самым о подразделении зоны много­летней мерзлоты на широтные подзоны.

Минералогический анализ — обязательная часть комплекс­ной климатостратиграфической методики. При анализе терригенной компоненты главное внимание следует уделять разделе­нию минеральных ассоциаций на олигомиктовые (состоящие из устойчивых, сортированных по размеру минералов), отражаю­щие фазы теплого и влажного климата, и полимиктовые, от­ражающие фазы холодного или сухого климата. Весьма пока­зательными могут быть различные коэффициенты устойчивости, например кварц-полевошпатовый и другие.

Определенное стратиграфическое значение могут иметь инженерно-геологические характеристики осадочных толщ, нередко связанные с климатическими особен­ностями осадконакопления. Например, замечено, что однород­ные отложения одинакового генезиса обладают большей плот­ностью в холодных условиях седиментации, меньшей — в теп­лых.

Химический состав отложений, особенно в горизонтах гипер­генного преобразования (коры выветривания, почвы и т. п.), является одним из критериев детализации климатостратиграфического расчленения. В частности, показательны кривые из­менения соотношения SiO₂/Al₂O₃ илистой фракции: уменьшение миграционной роли крем­ния отражает нарастание холода и сухости. Кривая содержа­ния СаСОз в морских, а отчасти и в озерных осадках также может отражать характер климатической обстановки, однако палеоклиматическая интерпретация ее должна учитывать раз­личия в седиментационной обстановке

Особенности палеонтологических исследований в рамках климатостратиграфии.

Имеются три основных способа реконструкций климата, обусловленные миграцией широтных границ биоценозов: а) с использованием видовых индикаторов; б) с использова­нием морфологических индикаторов (фенозон); в) по смене доминантов в биоценозах.

1. Использование видовых биоклиматических индикаторов ос­новано на экстраполяции в прошлое современных экологических требований организмов. Зная предельные и оптимальные усло­вия тепло- и влагообеспеченности современ­ных видов флоры и фауны, а также их современные географи­ческие ареалы, можно,находя остатки этих видов в той или иной части разреза, предположить наличие в момент осадконакопления климатического режима, идентичного совре­менному. Этот способ требует выбора видов с максимально уз­ким экологическим спектром и по крайней мере двух допуще­ний, что экологическая связь вида со средой за прошедшее время не менялась и что встреченные остатки не переотложены. Достоверность проводимых реконструкций резко снижается с удалением в прошлое, поэтому указанный способ применим только для плейстоцена.

2. Использование морфологических статистических показате­лей основано на экстраполяции в прошлое формы и размеров частей организма или остатков скелета и раковин животных, обитающих ныне в том или другом климатическом поясе. На­пример, листья малого размера с изрезанным (или «рассечен­ным») краем характерны для растений, произрастающих в хо­лодном климате, в то время как в теплом климате у растений развиты крупные листья с «цельным» гладким краем, сердце­видным основанием, кожистой поверхностью и пальметным рас­положением жилок. В условиях же влажного климата листья обычно имеют вытянутую вершинку — «капельный» конец. У некоторых видов фораминифер левозавернутые раковины встречаются преимущественно в горизонтах похолодания, правозавернутые — в горизонтах потепления. Размер раковин моллюсков в холодных водах всегда меньше, чем у того же вида, обитающего в более теплых водах, и т. д.

3. Использование смены доминантов в биоценозах основано на статистическом изучении количественных соотношений видов и родов. По ним выделяются так называемые ценозоны — страти­графические интервалы с определенным устойчивым сочетанием видов или родов. Этот способ особо широко используется в палинологии. Как известно, спорово-пыльцевые, или палино­логические зоны отражают осредненный состав растительного покрова для довольно больших территорий. По данным спорово-пыльцевого анализа можно установить как локальный состав фитоценоза (болота, лесной опушки), так и зональный (пояс­ной) тип растительного покрова. Последовательность палинозон по разрезу ин­терпретируется как смена доминантов, происходящая путем экологического замещения видов и фитоценозов под влиянием из­меняющегося климата. Важно помнить, что такие смены до­минантов происходят параллельно в различных фитоценозах в пределах целого климатического пояса, а нередко и соседних поясов. Метод ценозон дает хорошую основу для межрегиональной климатостратиграфической корреляции.

Палинологическое расчленение разрезов — наиболее дейст­венный метод для выявления стадийных особенностей климати­ческого ритма (тепло—сухо, тепло—влажно и т. д.). Несколько худшие результаты дает изучение флоры диатомовых и водной фауны, состав которых в большей мере отражает фациальную обстановку по сравнению с пыльцой, значительная часть кото­рой переносится ветром.

Методы количественной термометрии. В климатостратиграфии усиленно развиваются методы количест­венной термометрии. К числу их относятся метод кальциево-магниевых, кальциево-стронциевых отношений, изотопно-кисло­родный, изотопно-углеродный и аминокислотный. Все они основаны на зависимости формирования СаСО₃ раковин моллю­сков и фораминифер, а также примесей Mg, Na, Sr от темпера­туры окружающей воды, ее изотопного состава и солености. Получаемые этими методами значения температур донных либо поверхностных вод не являются абсолютными, так как специ­фичны для каждого вида и зависят также от ряда факторов. Тем не менее они имеют важное значение для межрегиональной климатостратиграфической корреляции, не говоря уже о расчленении.

Региональная климатостратиграфическая корреляция

Первое, к чему приходит большинство обсуждающих проб­лему климатостратиграфической корреляции,— это необходи­мость различения региональных климатостратиграфических схем и общей климатохронологической шкалы.

В качестве ре­гиональных климатостратиграфических подразделений выделя­ются климатоосадочные циклы, которые могут быть уверенно «опознаны» в пределах достаточно крупного региона, являющегося частью ши­ротного климатического пояса (например, прибалтийская часть ледниковой зоны, причерноморская часть лёссовой зоны.). Циклы «опознаются» по всей совокупности признаков, т. е. с помощью комплекса данных, входящих в характеристику корреляционного климатостратиграфического подразделения. Главными в этой характеристике являются все же палеонтологические данные.

Общая климатостратиграфическая шкала

На базе одних климатостратиграфических методов в большинстве случаев невозможно осуществлять межрегиональную корреля­цию многочисленных местных ледниковий и межледниковий. В «Стратиграфи­ческом кодексе СССР» в качестве общего климатостратигра-фического подразделения плейстоцена предложен специальный таксон — звено, охватывающее сумму местных климатомеров. Однако и этот термин, по существу, является более биострати­графическим, нежели климатостратиграфическим, поэтому на базе сопряженного использования изотопно-кислородной и палеомагнитной методик предложили шкалу изотопных «ярусов» для последнего 900-тысячелетнего интервала разреза глу­боководных осадков океана. В настоящее время она может служить эта­лоном общей климатостратиграфической шкалы плейстоцена.

Привязка к этой шкале региональных палеоклиматических событий на суше возможна при условии:

а) наличия такой же непрерывной последовательности климатомеров в конкретном континентальном разрезе;

б) обязательного использования комплекса радиометриче­ских и палеомагнитных методов.

Этим условиям отвечает опорный разрез Черноморского плейстоцена, для которого в получено 19 времен­ных реперов, независимо подтверждающих друг друга.