Глава 21. позднепалеозойский этап развития земли

СТРАТИГРАФИЧЕСКИЕ И ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЯ ПОЗДНЕГО ПАЛЕОЗОЯ

В позднем палеозое выделяются три периода: девонский, каменноугольный и пермский, общей продолжительностью 160 млн. лет, так как граница палеозойской и мезозойской эр приурочена к рубежу 248 млн. лет. Длительность девонского периода 48 млн. лет, каменноугольного - 74 и пермского - 38 млн. лет. Отложения, отвечающие первым двум системам, подразделяются на три, а пермская - на два отдела. Если ярусное подразделение девонской системы является общепринятым, то в каменноугольной системе на территории СССР выделяются ярусы, отличающиеся от Западно-Европейских, где карбон делится на два отдела, отложения которых представлены морскими породами внизу и континентальными вверху.

В Северной Америке каменноугольной системе отвечают по существу две, называемые миссисипий и пенсильваний. Ярусы пермской системы также не являются общими для всех континентов.

ОРГАНИЧЕСКИЙ МИР

Рис. 21.1. Схема эволюции органического мира и главнейшие глобальные события в позднем палеозое

В позднем палеозое произошло чрезвычайно важное событие в эволюции органического мира; "выход" на сушу многих представителей животного и растительного царства, ознаменовавшийся развитием специфической позднепалеозойской фауны и псилофитовой, папоротникообразной, плауновой флоры (рис. 21.1). Это событие, т.е. переход от раннепалеозойского к позднепалеозойскому органическому миру, приходится на интервал поздний девон - ранний карбон. В раннем девоне резко сокращается видовое разнообразие трилобитов, исчезают граптолиты, некоторые классы иглокожих. Важная роль принадлежит замковым брахиоподам - продуктидам, спириферидам, ринхонелидам, теребратулидам, среди которых очень много руководящих форм. Широкое распространение с раннего девона получают аммоноидеи (гониатиты), колониальные и одиночные четырехлучевые кораллы, крупные фораминиферы из отряда фузулинид, прикрепленные иглокожие (морские лилии). В пресноводных и слабо соленых бассейнах, хотя и медленно, но эволюционировали двустворчатые и брюхоногие моллюски. Колониальные кораллы вместе с мшанками являлись основными рифообразующими организмами в позднем палеозое. К представителям животного мира океанов и морей в девонском периоде относились позвоночные - разнообразные рыбы: костные, хрящевые и панцирные, причем последние, будучи хищниками, обладали челюстью с острыми, зазубренными костными пластинками. Часть тела и голова этих рыб были покрыты толстым костным панцирем. Панцирные рыбы исчезли в конце девонского периода, а в его середине появились хрящевые акулы и скаты. Широко были распространены костные рыбы, давшие три различные ветви: лучеперые, двоякодышащие и кистеперые. Особенности строения кистеперых рыб - в первую очередь мощные плавники, напоминающие конечности земноводных - первых наземных позвоночных, позволяют считать рыб их прямыми потомками. Разнообразные виды рыб чрезвычайно характерны для девонского периода.

С позднего палеозоя начинается расцвет органического мира на суше. В девоне появляются насекомые, крупные скорпионы и стегоцефалы - одни из первых четвероногих позвоночных земноводных, достигшие расцвета в каменноугольный период и обитавшие в болотистых местах. В среднем карбоне появляются и первые пресмыкающиеся - рептилии, откладывавшие яйца на суше и имевшие роговой покров на теле, способствовавший сохранению влаги в теле. Часть рептилий была травоядными, часть-хищными. Развитие пресмыкающихся особенно характерно для пермского периода, когда существовали крупные хищники иностранцевии, а также растительноядные парейзавры и морские рептилии - мезозавры. Многочисленные находки скелетов рептилий известны в пермских отложениях в долине р. Северная Двина, на севере Русской плиты.

С начала девона появляются псилофиты, занимавшие болотистые места и обладавшие корнями, стеблем и листьями. Псилофиты исчезли в позднем девоне. В среднем девоне начали появляться многие группы высших растений, в том числе членисто-стебельные, плауновидные, папоротники и голосеменные. Особенно характерен для позднего девона папоротник археоптерис, по наименованию которого всю флору этой эпохи называют археоптерисовой. Огромные пространства суши в каменноугольный период были покрыты лесами, состоящими из громадных, до 50 м высотой, древовидных хвощей, плауновых и папоротников, среди которых наиболее типичны лепидодендроны, сигиллярии и каламиты. В середине карбона появляются кордаиты - папоротниковидные голосеменные, гинкговые и хвойные. Колоссальное количество растительности приводило, по мере ее отмирания и захоронения, к накоплению мощных толщ каменного угля.

В раннем карбоне флора отличалась теплолюбивым характером, была приурочена к заболоченным участкам суши, в пределах которых сначала формировались огромные массы торфа, постепенно превращавшиеся в бурые, а затем и в каменные угли. В рассматриваемый период четко проявлялась климатическая зональность, отражавшаяся на характере флоры. Если в раннем карбоне растительность несла в себе признаки влаголюбивой, тропической флоры, то в среднем и позднем карбоне появляется флора более умеренного климата (тунгусская флора), а растительность Гондванского континента представлена кордаитовыми, глоссоптериевыми, хвощевидными формами, отражавшими еще более холодный и сухой климат. В пермский период тропическая флора сменилась голосеменными растениями, преимущественно хвойными, появились первые цикадовые, эволюционировали гинкговые и др. На рубеже палеозоя и мезозоя повсеместно происходит смена растительности, но не везде она была одновременной, растягиваясь от середины перми до середины триаса в разных регионах.

Таким образом, поздний палеозой - это время кардинальных изменений в животном и растительном мире нашей планеты, ознаменовавшееся приспособлением многих организмов и растений к жизни на суше в воздушной среде; появлением огромного количества растительной биомассы, способствовавшей увеличению содержания кислорода в атмосфере и поглощению углекислоты; появлением пресмыкающихся - рептилий. К концу палеозоя многие группы организмов вымирают, другие - резко сокращают количество форм. Исчезают гониатиты, наутилоидеи, замковые брахиоподы - продуктиды, табуляты, четырехлучевые кораллы, трилобиты, фузулиниды, многие виды рыб, некоторые виды морских ежей и морских лилий, позвоночных и большое количество растений.

ПАЛЕОТЕКТОНИКА

С девона отчетливо проявлялась наметившаяся в конце раннего палеозоя тенденция замыкания океанских бассейнов, что привело к существенным изменениям в структурном плане основных подвижных (геосинклинальных) поясов. Они значительно усложнились, многие их зоны замкнулись. Другие, наоборот, испытали раздвижение, расширение, процесс формирования разнообразных осадочно-вулканогенных толщ пород не прекращался, и там отсутствуют следы каледонской складчатости.

Поднятия конца силура - начала девона охватили большие пространства на земном шаре, что позволяет называть временной интервал геократическим, т.е. эпохой развития преимущественно континентальных обстановок, которые к тому же способствовали иссушению климата и возникновению аридных условий. Разрушающиеся горные системы поставляли обломочный материал - грубые молассы в межгорные впадины. Знаменитым представителем таких красноцветных моласс является "древний красный песчаник" девонского возраста, распространенный в каледонидах Европы.

ПЛАТФОРМЕННЫЕ ОБЛАСТИ

Рассмотрим историю геологического развития платформенных областей в позднепалеозойское время на примере двух древних платформ, находящихся в пределах территории СССР.

Восточно-Европейская платформа с начала среднего девона испытывает существенную перестройку структурного плана, ознаменовавшую герцинский этап ее развития, длившийся до раннего триаса включительно. В целом на платформе преобладали погружения, особенно в ее восточной половине, где сформировалась огромная Восточно-Русская впадина.

В среднем девоне возобновилось быстрое погружение Днепрово-Донецкого авлакогена, расчленившего единый Сарматский, или Украинско-Воронежский щит на Воронежскую антеклизу и Украинский щит. Энергично опускались Прикаспийская впадина и западные районы платформы - Припятский авлакоген и Днестровский прогиб. На этом общем фоне нисходящих движений устойчивое поднятие испытывали Балтийский и Украинский щиты.

В девонское время трансгрессии распространялись с востока на запад, поэтому в восточных районах преобладают фации открытого моря, сменяющиеся к западу прибрежно-морскими, лагунными и континентальными. Трансгрессия достигла максимума в позднем девоне, в фаменский век, после чего пошла на убыль. Девонские отложения Русской плиты характеризуются рядом основных типов разрезов, отличающихся друг от друга. Так, в западных районах присутствуют отложения среднего и верхнего девона, залегающие с размывом на более древних породах и представленные в нижней части красноцветными песчаниками и глинами, в средней - мергелями, известняками и доломитами с линзами каменных солей, а в верхах - вновь красно- и пестроцветными песчано-глинистыми породами. Общая мощность разреза составляет 0,6 км. В пределах Воронежской антеклизы пестроцвстные песчано-глинистые отложения занимают среднюю часть разреза, а нижнюю и особенно верхнюю слагают карбонатные толщи, преимущественно известняки. Суммарная мощность всего разреза около 0,5 км. Восточные районы Русской плиты характеризуются гораздо более мощным разрезом девонских карбонатных отложений - до 1,5 км, и только франский ярус представлен песками, песчаниками и глинами, иногда насыщенными нефтью. Весьма характерны для этого региона горизонты битуминозных известняков, мергелей и глин средней части франского яруса верхнего девона, сформировавшихся за счет накопления огромных масс водорослей в застойных, относительно глубоководных понижениях морского дна. Эти слои являются нефтепроизводящими для всей Волго-Уральской области.

В Днепрово-Донецком и Припятском авлакогенах мощность девонских отложений превышает 2 км и средний девон представлен соленосной толщей, содержащей и калийные соли в Припятском авлакогене, где они разрабатываются. Отложения верхов верхнего девона сложены фациально изменчивыми отложениями: глинами, мергелями, песчаниками, гипсами и ангидритами, а месторождения нефти приурочены к межсолевым пластам. Формирование Днепрово-Донецкого авлакогена сопровождалось в позднем девоне щелочно-базальтовым вулканизмом, как в эффузивной, так и в эксплозивной формах. Оживление тектонических движений на всей Русской плите в девонское время вызвало не только грабенообразование, но и вулканическую деятельность в Воронежской и Волго-Уральской антеклизах. На Кольском полуострове в позднем девоне сформировались знаменитые кольцевые интрузивы щелочных пород (Ловозерские и Хибинский массивы). По составу магматизм был щелочно-базальтовым, щелочно-ультраосновным и типично трапповым (континентальные толеитовые базальты).

В каменноугольный период на Русской плите сохранялся примерно такой же структурный план, как и в девонское время. Также прогибались Восточно-Русская впадина, которая соседствовала с Уральской геосинклиналью и вследствие этого приобрела меридиональную ориентировку; Днепрово-Донецкий авлакоген; Польско-Литовская и Прикаспийская впадины. Палеогеографическая обстановка в каменноугольное время менялась очень быстро, поэтому наблюдается сложное переплетение фаций, хотя преобладающими породами являются известняки.

В начале раннего карбона центральные и западные части Русской плиты охватили поднятия, и произошел размыв нижележащих отложений на несколько десятков метров, а отложения визейского яруса представлены континентальными аллювиальными, озерными и болотными осадками. С этими песчано-глинистыми отложениями в Подмосковье связаны залежи каменного и бурого угля, в Волго-Уральской области - месторождения нефти, а в районе Тихвина - бокситов. Обстановка этого времени представляла, по-видимому, огромную, низменную, заболоченную равнину, по которой меандрировали реки.

Визейский век - это первый этап интенсивного углеобразования на Земле. В дальнейшем снова начинаемся, трансгрессия и в огромном мелком эпиконтинентальном море, залившем Русскую плиту, формируются доломитизированные известняки. В середине среднего карбона поднятия охватывают большие пространства плиты и в позднебашкирский век формируются маломощные пески и глины, нередко сульфатные, окрашенные в красноватый цвет (верейский горизонт), свидетельствующие о континентальных, местами лагунных условиях их образования.

В позднем карбоне формируются известняки, мощность которых увеличивается к востоку, а в западном направлении возрастает примесь обломочного материала. В западных районах плиты, Львовско-Волынской впадине развита угленосная толща до 0,4км, которая разрабатывается. Каменноугольные отложения распространены и в Днепрово-Донецкой впадине, переходящей по простиранию в складчатое сооружение Донбасса, который не является внутриплатформенной структурой, но благодаря исключительной значимости его отложений мы рассмотрим их в этом разделе. Каменноугольные отложения Донбасса обладают мощностью более 20 км и отличаются полнотой разреза, в котором только низы представлены толщей известняков до 0,5 км. Начиная с поздневизейского векаим на смену приходит мощнейшая паралическая угленосная формация, состоящая из чередующихся прослоев аргиллитов, алевролитов и песчаников (более 95 %), известняков (1 %), и каменных углей (1-2 %). Важную маркирующую роль играют маломощные (до 3 м) пласты известняков, прослеживающиеся на большие расстояния. Начиная с середины позднего карбона угленакопление, быстро сходит на нет, морские отложения замещаются красноцветными и пестроцветными континентальными, в которых встречаются окаменевшие стволы араукарий. Ритмичность в строении продуктивной угленосной толщи Донбасса обусловлена быстрой сменой палеогеографических обстановок, когда неглубокое открытое море (известняки) уступало место прибрежным условиям (пески, глины, угли). Климат периодов углеобразования был жарким и влажным, что способствовало развитию пышной растительности, а в остальное время, оставаясь жарким, климат был более сухим.

Таким образом, для каменноугольного времени следует подчеркнуть меридиональную ориентировку главных прогибов в восточной части Русской плиты, наличие трех перерывов - поднятий на фоне устойчивого погружения и при этом отметить значение ранневизейского перерыва (угли, бокситы). В конце позднего карбона четко обозначилась тенденция к поднятиям, климат стал сухим и жарким, в результате чего стали формироваться доломиты, гипсы и ангидриты.

Пермский период унаследовал от каменноугольного структурный план и преемственность в характере отложений. Еще более явно обозначился меридиональный прогиб Восточно-Русской впадины, тяготеющий к Уралу, где в это время уже сформировалось горно-складчатое сооружение, перед фронтом которого образовался Предуральский передовой прогиб, тесно связанный с платформенными впадинами и по мере эволюции смещавшийся в сторону платформы. Осадконакопление происходило в тех же структурах, что и в каменноугольное время, только площади сократились. Нижнепермские отложения изменяются с запада на восток, но в целом они представлены песчаниками, алевролитами, глинами, реже известняками и доломитами, прослоями гипсов, ангидритов и местами каменной соли. Такие отложения характеризуют обстановку сложной лагуны, в которую периодически вторгалось море. С начала ранней перми на востоке Русской плиты, там, где она граничила с Предуральским передовым прогибом по системе флексур, начала формироваться меридиональная цепь мшанковых рифовых массивов, особенно энергично развивавшихся в артинский век. Мощные соленосные толщи формировались в кунгурский век в Прикаспийской впадине и в Предуральском передовом прогибе.

Позднепермская эпоха ознаменовалась регрессией моря, в результате которой меридиональная впадина на востоке плиты еще больше сократилась по ширине. Нижняя часть разреза верхней перми представлена пестро- и красноцветной толщей конгломератов, галечников, песков, глин, мергелей, причем обломочный материал поступал с разрушающихся Уральских гор, а за счет размыва коренных месторождений меди на платформе накапливались медистые песчаники. Отложения татарского яруса верхней перми представлены уже только континентальной пестроцветной толщей глин, песков и мергелей, накопившейся в условиях обширной аллювиальной равнины. Именно в этих отложениях на берегах Северной Двины еще в прошлом веке были найдены скелеты позвоночных - амфибий и рептилий. Огромной мощности, свыше 8 км, пермские отложения достигают в Прикаспийской впадине. В западных районах Донбасса также известна мощная свыше 3 км пермь, состоящая из терригенных, карбонато-леносных и пестроцветных континентальных отложений. Однако в северо-западном направлении, в Днепрово-Донецком прогибе, мощность перми не превышает 0,3 км. В раннепермское время толщи Донецкого бассейна подверглись довольно интенсивной складчатости, надвито- и взбросообразованию. Маломощные пермские отложения развиты и на западе Русской плиты, в Польско-Литовской впадине. В пермский период на Восточно-Европейской платформе палеогеографическая обстановка менялась от мелководно-морской с нормальной соленостью к солоноватоводной лагунной и, наконец, к континентальным условиям, в силу чего нижне- и верхнепермские отложения резко различаются между собой. Климат перми был сухой и жаркий и только временами становился более влажным, субтропическим, сменяясь к северу гумидным. Магматизм не проявлялся, и только на Балтийском щите формировались интрузивы нефелиновых сиенитов (Хибинский, Ловозерский).

Сибирская платформа в позднем палеозое по стилю развития отличалась от Восточно-Европейской тем, что коренной перелом в характере осадконакопления и формирование нового структурного плана произошли на рубеже раннего и среднего карбона. Комплекс отложений, охватывающий временной интервал от среднего карбона до триаса включительно, настолько своеобразен, что его лучше рассматривать в мезозойской истории, тем более, что он тесно связан с таким же по возрасту комплексом отложений в северо-западной части Тихоокеанского подвижного пояса, расположенной непосредственно восточное Сибирской платформы. Поэтому мы остановимся здесь лишь на девонской и раннекаменноугольной истории платформы.

В раннем девоне нарастают поднятия, охватившие Сибирскую платформу еще в позднем силуре, и основная область прогибания смещается к северо-западу. Девонские отложения представлены пестро окрашенными терригенными породами, нередко соленосными, реже карбонатными, формировавшимися в прибрежно-морских, лагунных и континентальных условиях. Только на крайнем севере платформы известны морские карбонатные отложения девона с линзами гипсов. Наиболее полные резрезы девонских отложений в бассейне р. Курейка достигают мощности 1-1,2км. К югу мощность девонских отложений быстро уменьшается до первых десятков метров. На юго-западе платформы в Канской и Рыбинской впадинах развит чрезвычайно мощный до 5 км разрез лагунно-континентальных красно- и пестроцветных песчаников, гипсоносных мергелей, доломитов и типичных траппов, представленных лавовыми потоками и силлами базальтов и андезито- базальтов.

На востоке Сибирской платформы в девонское время образуется Патомско-Вилюйский авлакоген - грабенообразная впадина, ограниченная сбросами северо-восточного простирания, по которым внедрялись многочисленные дайки базальтов. Авлакоген выполнен 5-6-километровой толщей средне- и верхнедевонских терригенных, карбонатных и вулканогенных пород трапповой базальтовой формации, а также щелочных, основных и ультраосновных магматических пород. В позднем девоне накапливаются и соленосные толщи.

Условия открытого моря в девонский период были только лишь на северо-западе платформы. Южнее они сменялись прибрежными и лагунными, а далее на юг - континентальными обстановками. Большая часть платформы была приподнята выше уровня, моря, и на ней господствовал жаркий засушливый климат. Отличительной чертой девонского времени была довольно энергичная и разнообразная магматическая деятельность, когда образовывалась не только трапповая формация, но и внедрялись интрузивы ультраосновной щелочной магмы.

В раннем карбоне только на крайнем северо-западе платформы был залив мелководного моря, в котором формировались органогенные известняки с линзами сульфатов. В Патомско-Вилюйском авлакогене в раннекаменноугольное время еще шло формирование эвапоритов, но в конце раннего карбона начались поднятия и авлакоген прекратил развитие. В самом конце раннекаменноугольной эпохи началось образование континентальных угленосных отложений в Тунгусской синеклизе.

Рис. 21.2. Схема расположения континентов 280 млн. лет назад (по Морелю и Ирвингу)

Северо-Американская платформа, принадлежащая северному ряду, на протяжении позднего палеозоя испытывала преимущественные опускания и была тесно связана в развитии с Аппалачской подвижной системой. Во второй половине карбона в центральных и восточных районах платформы в условиях болотистой прибрежной равнины с обильной растительностью шло интенсивное угленакопление. В поздней перми в засушливом климате и в обстановке поднятий формировались континентальные и соленосные толщи. Наблюдается большое сходство в геологическом развитии Северо-Американской и Восточно-Европейской платформ.

Платформы южного ряда, соединенные в суперматерик Гондвану, характеризовались континентальными условиями осадконакопления, и только краевые части материка периодически затапливались морем.

Средний карбон - переломный момент в палеогеографической обстановке Гондваны, когда во многих ее регионах началось формирование мощной толщи континентальных отложений (гондванская серия), продолжавшееся вплоть до середины мелового периода. Примечательной особенностью низов серии, относящихся к среднему - верхнему карбону, является широкое развитие ледниковых отложений: древних морен (тиллитов) и флювиогляциальных отложений, представленных несортированными плотными глинистыми породами, содержащими валуны с типичной ледниковой штриховкой. Хорошо сохранились ледниковые формы рельефа - "бараньи лбы", "курчавые скалы" и др. Оледенение было покровным, центров его было много и ледниковые эпохи чередовались с межледниковыми. Моренные отложения известны в Южной Африке, на юге Южной Америки, в Индии, Австралии и Антарктиде.

Палеомагнитные данные убедительно свидетельствуют о том, что все районы Гондваны, охваченные оледенениями, находились вблизи южного полюса, располагавшегося на юге Южной Африки, и были сближены, тогда как сейчас они разделены огромными океанскими пространствами (рис. 21.2).

Пермские отложения Гондваны, представленные также континентальными толщами, содержат пласты каменного угля, свидетельствующие об изменении климата и его потеплении. Нужно подчеркнуть поразительное однообразие и сходство гондванской флоры на разных материках и ее резкое отличие от одновозрастной флоры северных материков.