Восстановление физико-географических обстановок геологического прошлого

После того как геолог изучил геологический разрез каких-либо отложений, выделил и описал содержащийся в них комплекс органических остатков, установил последовательность напластования и определил возраст отложений, соотнеся их с соответствующими подразделениями международной геохронологической шкалы, закономерно встает вопрос о реконструкции, восстановлении тех физико-географических условий, в которых протекало формирование интересующих нас отложений.

Основой такой реконструкции является метод актуализма, провозглашенный в 1833 г. знаменитым ученым естествоиспытателем Чарльзом Лайелем в книге "Принципы геологии". Сформулированноеимположение гласило, что современные природные процессы являются ключом к познанию процессов далекого геологического прошлого. Сущность этого подхода заключается в том, что все прошлые геологические процессы полностью отождествляются с современными и эти процессы оставались неизмененными сотни миллионов лет. Иными словами, между современными и древними процессами проводится прямая аналогия. Следовательно, для того чтобы воссоздать условия накопления каких-либо отложений, их необходимо, в первую очередь, детально изучить: определить состав, строение, фауну, флору и т.д. и сравнить эти отложения с такими же, но современными, обстановку формирования которых мы хорошо знаем.

Так, если в древних отложениях мы наблюдаем грубые песчаники и конгломераты, то это, скорее всего прибрежная, очень мелководная зона. Если же есть тонкая глина, то она сформировалась в относительно глубоководной обстановке, гораздо дальше от берега. Известняки образовались в теплом, мелководном море, на глубинах, не превышающих 100-300 м. Прослои вулканического туфа образовались при эксплозивных извержениях вулканов, как это происходит и в наши дни. Лавовые потоки разной формы и состава также изливались из жерл и кратеров и обладали такой же вязкостью, как и при современных извержениях. Характер фауны, ее обилие, толщина и форма раковин - все это позволяет сравнивать современные биоценозы (совместно обитающие организмы) и условия их обитания с древними ориктоценозами, т.е. сообществами ископаемой фауны. Если организмов много и наблюдается большое разнообразие их видов, то это свидетельствует о нормальной солености воды, ее прогретости, мелководности, т.е. условия обитания были благоприятны для жизни организмов. Организмы, имевшие толстые раковины, жили, как и сейчас, в теплом, мелководном море, возможно, в зоне действия прибоя. Напротив, тонкие раковины свидетельствуют о холодном море, с дефицитом растворенного карбоната кальция. Анализ всего комплекса ископаемой фауны позволяет ответить на многие вопросы, касающиеся восстановления среды обитания и физико-географической обстановки данной эпохи.

Восстановить палеотемпературу древних бассейнов и их соленость помогают геохимические исследования изотопов и соотношения различных химических элементов. Так, соотношение изотопов кислорода ¹⁸О/ ¹⁶О в раковинах существующих ныне животных зависит от температуры морской воды. Определяя это отношение в ископаемых раковинах, мы тем самым можем установить и палеотемпературу древнего морского бассейна. Соленость вод устанавливается по отношению изотопов углерода ¹³С/¹²С и по соотношению Sr и Ва. Зная, в каких условиях образуются в наши дни некоторые минералы, например глауконит или фосфорит (нормальная соленость, мелководье, окислительная обстановка), мы можем реконструировать и древние обстановки. Очень многое об условиях накопления пород говорят их состав, характер слоистости, структура и текстура, тип границ между слоями, строение поверхности перерывов и т.д. Климатические обстановки восстанавливаются по наличию рудных образований железа и марганца, бокситов, кор выветривания, каменного угля - это влажный, гумидный климат. В то же время присутствие пестроокрашенных песчаников, каменной соли, гипса, оксидов меди указывает на сухой, жаркий, аридный климат. Размеры обломочного материала - это показатель близости или удаленности области сноса или размыва. Чем крупнее материал, тем она ближе. Резкие изменения на площади литологических особенностей пород говорят о неустойчивости среды и, наоборот, однородный состав отложений, например, верхнемеловых известняков на огромной площади Русской плиты и Предкавказья свидетельствует об устойчивости, неизменной палеогеографической обстановке в позднемеловую эпоху. Хорошо отсортированные, однородные осадки небольшой мощности, тонкий гранулометрический состав типичны для равнинных, слабо расчлененных участков суши, тогда как быстрая изменчивость на площади, плохая сортировка, невыдержанная гранулометрия, грубообломочные породы характерны для горного рельефа. Ископаемые валунные глины - тиллиты однозначно говорят об оледенении в прошлые эпохи и тем самым указывают на местонахождение района в высоких широтах.

Таким образом, используя палеонтологические остатки, литологию пород,их геохимические особенности, соотношение ряда изотопов и другие факторы, опираясь на метод актуализма, можно воссоздать физико-географические условия прошлых эпох. В настоящее время этим же методом реконструируют и древние палеотектонические и геодинамические обстановки.

Сейчас появляется все больше данных, заставляющих в известной мере заново оценить принцип актуализма, особенно в той его части, которая непосредственно не связана с человеческим опытом. Какужеговорилось, актуалистический подход - это всего лишь простая аналогия того, что происходит сейчас, с тем, что происходило раньше. В течение всей истории Земля не оставалась постоянной. Менялись условия, существовавшие на ней, температура, состав атмосферы и воды, климат, свойства и состав земной коры, органический мир непрерывно эволюционировал. Нередко на Землю падали крупные метеориты и астероиды, вызывая экологические катастрофы. Человек не ощущал на своем опыте эвстатические колебания уровня океанов, на его глазах никогда не образовывались игнимбриты - кислые вулканические породы, покрывающие огромные пространства и достигающие в объеме сотен тысяч км³. Мы не знаем, что происходит в периоды инверсии (изменения знака полярности) магнитного поля. Поэтому наш опыт не может служить основанием построения модели для очень многих геологических явлений, происходивших в прошлом. Целый ряд типов отложений не имеют современных аналогов.

В некоторых случаях применение сравнительно-литологического метода, основанного на последовательном сравнении каких-либо современных отложений со все более древними, помогает установить ту эволюцию, которую прошли процессы формирования осадков за длительный период геологической истории. Появляется возможность учета изменившихся условий накопления осадков и реконструкции древних седиментационных обстановок. Немалую сложность создает неоднозначность трактовок актуалистических моделей. Дело заключается в том, что одинаковые осадки могут накапливаться в совершенно различных обстановках. Например, грубые пески и галечники характеризуют не только прибрежные зоны, но могут быть связаны и с течениями в глубоководных участках океана. Тонкослоистые глинистые отложения накапливаются в озерах, старицах, эстуариях, океанических впадинах, дельтах. Это свидетельствует о том, что метод актуализма следует применять осторожно.

Рис. 18.3. Фациальный профиль отложений турнейского и визей-ского ярусов (нижний карбон) в каледонидах Ирландии (по Джорджу)

Известную помощь в преодолении неоднозначности выводов, сделанных с актуалистической позиции, оказывает метод фациального анализа. Термин фация впервые был предложен в 1838 г. швейцарским геологом А. Грессли, который понимал под ним часть слоя, отличающегося составом, набором органических остатков и строением от других частей этого же слоя (рис. 18.3).

Каждой фации какого-либо слоя, пачки слоев или толщи отвечают только ей свойственные обстановки осадконакопления. Закономерное сочетание фаций помогает ответить на многие вопросы, без такого анализа остающиеся нерешенными, и это можно проиллюстрировать на конкретном примере. В позднем плиоцене Большой Кавказ уже представлял собой горную страну, которая испытывала поднятие, размываясь, поставляя грубый материал в предгорья, где, выходя из ущелий и горных долин, реки откладывали мощные толщи галечников в огромных веерообразных конусах выноса - "сухих дельтах". Формировался валунный и галечниковый шлейф предгорий, сменявшийся в сторону от гор более тонким обломочным материалом: песками, мелкими галечниками и глинами в застойных котловинах. Со стороны Каспия в передовой предгорный прогиб периодически вторгалось море, что было связано как с опусканием территории, так и с повышением уровня воды в Каспии.

Рис. 18.4. Схематический фациальный разрез верхнеплиоценовых отложений

Морские мелководные осадки представлены тонкими слоистыми глинами, песками, глинистыми известняками, с остатками морской фауны - пелециподами (двустворчатыми моллюсками). На Большом Кавказе в районе Казбека в это время происходили мощные эксплозивные извержения, вулканический материал которых как по воздуху, так и по долинам рек, текущих к северу, главным образом по Тереку, далеко выносился на предгорную равнину, местами переслаиваясь с морскими отложениями. Все это создавало очень сложное чередование фаций в пределах одновозрастной верхнеплиоценовой толщи (рис. 18.4).

Рис. 18.5. Палеогеографическая схема Восточно-Европейской платформы

Грубые валунно-галечниковые отложения сменялись по простиранию более тонкими аллювиально-пролювиальными отложениями, которые, в свою очередь, замещались маломощными тонкообломочными морскими, а на меридиане р. Терек все они замещались грубой обломочно-вулканогенной толщей с прослоями пемзы, пеплов и вулканических туфов. При извержениях таяли ледники, давая начало бурным селевым потокам, следы которых в виде прослоев крупных валунов наблюдаются далеко на севере в предгорьях.

Как можно видеть, смена фаций происходит не случайно, а вполне закономерно, отражая сложившиеся в позднем плиоцене физико-географические условия в предгорьях Большого Кавказа. Изучая эту закономерную изменчивость, мы получаем возможность реконструировать физико-географическую обстановку той эпохи - выделить морской бассейн, его береговую линию, область суши, в предгорьях крупные конусы выноса и т.д.

Более полно представить всю эту сложную картину нам помогает карта фаций, или литофаций, на которой показываются все эти фации на площади, что, в свою очередь, позволяет с достаточной точностью восстановить палеогеографическую ситуацию в регионе, отражаемую на специальной палеогеографической карте, где изображаются горы, предгорная равнина, прибрежная заболоченная суша, береговая линия моря, мелководный морской бассейн и т.д. (рис. 18.5).