Палеогеография и методы восстановления условий накопления осадков

Палеогеография и методы восстановления условий накопления осадков

Палеогеография и методы восстановления условий накопления осадков

1. Палеогеография (от гр. палео… (древний) и география) - наука, изучающая физико-географические обстановки на поверхности Земли в геологическом прошлом.

Палеогеография является:

Частью исторической геологии, которая дает материал для изучения истории развития земной коры и Земли в целом.

Частью общей физической географии, изучающей физико-географические условия прошлого для понимания современной природы Земли.

Методы палеогеографии основаны главным образом на детальном изучении горных пород (их состава, структуры, текстуры, характера залегания и прочего), а также на изучении содержащихся в породах макро- и микроскопических органических остатков. Палеогеография тесно связана с учением о фациях (а также базирует свои выводы на их изучении), литологией, стратиграфией, тектоникой, палеонтологией и палеоэкологией, климатологией, геохимией и геоморфологией.

История науки

Палеогеография возникла в середине XIX в. Необходимыми предпосылками были: разработка относительной геохронологической шкалы на основе данных биостратиграфии; появление учения о фациях (швейцарский геолог А. Гресли, 1838), согласно которому одновозрастные отложения, представленные разнообразными типами осадочных пород, отражают разную физико-географическую обстановку их накопления; обоснование английским геологом Ч. Лайелем метода актуализма, позволяющего восстанавливать физико-географические условия прошлых геологических эпох путём аналогии с современными условиями.

В основу Палеогеографии положено составление различного рода палеогеографических карт (см. Литолого-фациальные карты).

Первые палеогеографические карты, появившиеся в 60-х гг. XIX в., изображали распределение древних морских бассейнов на месте современных материков. Таковы карты юрского периода (мировая и Европейской России) Ж. Марку (1860), мелового периода Северной Америки Дж. Дана (1863), серия палеогеографических карт Европейской России для ряда последовательных геологических периодов Г.А. Траутшольда (1877), А.П. Карпинского (1880), А.А. Иностранцева (1884). Наибольшую известность получили карты, составленные Карпинским (1887 и 1894), который сделал на основе их анализа важнейшие выводы о закономерностях движений земной коры в пределах Русской равнины, увязав их с развитием смежных горных систем.

Мировые палеогеографические карты отдельных периодов и эпох публиковались на рубеже 19-20 вв. и в начале 20 в. французскими геологами А. Лаппараном и Э. Огом, австрийским геологом М. Неймайром, русским учёным И.Д. Лукашевичем; на этих картах делалась попытка восстановить распределение суши и моря не только на материках, но и в пределах современных океанов на основе экстраполяции данных по обрамляющей суше. Э. Ог придал палеогеографическим картам палеотектоническое содержание, показывая на них, помимо суши и моря, также геосинклинальные и платформенные области. Немецкий геофизик А. Вегенер в 1912, положив начало мобилизму в геологии, изобразил на серии карт предполагаемый процесс распада гипотетического суперконтинента Пангеи и образования Атлантического и Индийского океанов.

В начале XX в. от обобщённых палеогеографических схем для отдельных периодов и эпох начали переходить к более детальным картам небольших регионов, составляемым для геологии веков или ещё более узких интервалов времени (карты Н.И. Андрусова для неогеновых бассейнов Черноморско-Каспийской области, А.П. Павлова для раннемеловых бассейнов Европейской России, А.Д. Архангельского для позднего мела Поволжья и Туркестана). Исследования Андрусова положили начало палеоэкологическому, а Архангельского - сравнительно-литологическому направлениям в палеогеографии. В 1910 Ч. Шухертом была впервые опубликована большая серия палеогеографических карт Северной Америки, неоднократно переизданная по более новым материалам. Чтение курса палеогеографии в вузах (Мюнхенский университет, Э. Даке, 1912) и публикации первых руководств по палеогеографии (Е. Dacque, 1915; Th. Arldt, 1919, 1922) утвердили положение палеогеографии как самостоятельной науки.

С 30-х гг. 20 в. палеогеографические реконструкции становятся необходимой предпосылкой поисков полезных ископаемых (нефти и газа, угля, солей, бокситов, фосфоритов, алмазов и пр.). Совершенствуется одна из основ палеогеографии - учение о фациях (У. Твенхофел, Д.В. Наливкин).

Направления палеогеографии

Разнообразие методов позволяет выделить несколько направлений палеогеографии, изучающих разные стороны физико-географических условий геологического прошлого.

Палеоэкологическое направление - анализ состава и др. особенностей осадочных пород и заключённых в них органических остатков с целью выяснения образа жизни и среды обитания животных и растительных организмов геологического прошлого; частей бассейнов, их связи с соседними морями; по организмам-индикаторам судят о климатических условиях, степени солёности и др. особенностях бассейнов.

Палеобиогеографическое направление выявляет зоогеографические и флористические провинции и области для отдельных периодов и эпох геологического прошлого (серия мировых карт французских учёных А. и Ж. Термье). Палеобиогеографические, литолого-геохимические и палеотемпературные данные используются для палеоклиматических реконструкций. Например, мировые карты Л.Б. Рухина (1959), Н.М. Страхова (1960) и М. Шварцбаха (1961) выявили существенные отличия древней климатической зональности от современной. Палеоклиматы Земли составляют предмет палеоклиматологии.

Терригенно-минералогическое направление, используя состав акцессорных минералов тяжёлой и лёгкой (кварц, полевые шпаты) фракций для корреляции осадочных толщ, даёт возможность определять области сноса, пути переноса и области накопления обломочных осадков определённого состава и происхождения.

Геохимическое направление занимается определением солёности и физико-химического режима древних бассейнов, эволюции их состава, а также состава атмосферы во времени, основываясь на изучении аутигенных минералов, концентраций и соотношений характерных элементов (Cl, F, В, Вг, Ca, Mg, Sr), степени окислённости железа FeO (Fe2O3) в глинистых и карбонатных породах. В 60-70-е гг. всё большее значение приобретает методика определения различных свойств древних водоёмов с помощью точных физико-химических методов.

Изучение динамики древних водоёмов - выявление течений, установление характера среды накопления осадков (русло реки, море и др.) - составляет предмет динамической палеогеографии, использующей особенности текстуры осадочных пород - ориентировку косой слоистости, знаки ряби и т.п.

Палеотектоническое направление, основанное на анализе распределения фаций, мощностей, формаций древних отложений.

В специальную ветвь Палеогеографии обособилась палеовулканология, которая занимается палеогеографической реконструкцией вулканических областей, где нормальный ход накопления осадков эпизодически прерывается лавовыми потоками, выпадением масс вулканического пепла и др. вулканических выбросов. В палеовулканологии применяются структурно-фациальный и формационный анализы и современные методы физических и химических исследований.

Изучение древнего рельефа составляет предмет палеогеоморфологии. Реликты рельефа в открытом или погребённом виде, а также при захоронении и откапывании частично разрушаются и в разной степени преобразуются под воздействием эндогенных и экзогенных процессов. Путём общего геоморфологического анализа реликтовых форм и на основе материалов палеогеографических и палеотектонических анализов палеогеоморфология реконструирует рельеф, существовавший в разные геологические эпохи, восстанавливает историю и закономерности его развития. С появлением в 50-х гг. палеомагнитного метода определения древних широт и началом изучения знакопеременных линейных магнитных аномалий океанов возродились идеи мобилизма и вновь получили распространение палеогеографические реконструкции, основанные на гипотезах существования в конце докембрия единой континентальной массы Пангеи, а в палеозое суперконтинента Гондваны.

2. Методы восстановления условий накопления осадков (фациальный анализ)

· Биофациальный анализ

· Литолого-фациальный анализ

· Морские фации

· Континентальные фации

· Переходная группа фаций

· Диагностические признаки ископаемых фаций

·

Известно, какими методами устанавливают возраст пород, чтобы составить затем представление о последовательности формирования стратиграфических горизонтов или толщ. В свою очередь, толщи осадочных пород могут формироваться на значительной площади, при этом можно видеть, как в пределах одновозрастных толщ или даже горизонтов происходит изменение различных параметров - это изменение состава пород, как по простиранию толщи, так и от её подошвы к кровле, могут колебаться значения мощности толщи в разрезе.

Впервые такому явлению дал объяснение швейцарский ученый А. Грессли. Он ввел понятие ФАЦИЯ (с франц. - вид, лицо, облик), который означает Участок любого слоя одновозрастных пород, отличающийся от соседних по петрографическому составу и ископаемым остаткам.

Термин фация получил широкое распространение. Разные исследователи вкладывали в него свое представление и содержание. Среди них отметим два крайних взгляда на определение фации. В первом случае фация - это часть слоя со своими литологическими и палеонтологическими особенностями, которые называют фациальными признаками. Во втором случае фация - это физико-географические условия, которые определяют неорганические и органические процессы на данном участке в данное время, т.е. фация - это единица ландшафта. Наиболее оптимальным представляется следующий подход к определению - Фация это физико-географические условия или обстановки, отраженные в осадке.

Фации геологического прошлого определяют по горным породам и ископаемым окаменелостям, содержащихся в них. Отсюда, метод восстановления палеогеографических обстановок называется фациальным анализом. В основе этого метода лежит принцип актуализма. Суть его по представлениям одного из его основоположников Ч. Лайеля заключается в том, что современные явления есть ключ к познанию таких же процессов в прошлые эпохи. Например, наблюдая деятельность современных вулканов, геологи могут восстановить картину древнего вулканизма. Но такой подход может привести и к ошибкам, если его применять механически, без учета эволюционных изменений происходивших в ходе длительного развития земной коры и её поверхности. Каждая историческая эпоха, наряду с общими, имеет свои особенности развития. Например, современный состав атмосферы отличается от того, какой был на ранних этапах. В процессе эволюции органического мира многие современные виды значительно изменились по сравнению с предками. И сравнение их образа жизни сейчас и в прошлом может привести к ошибкам, если не учитывать особенностей этого прошлого. Учитывая все это, принцип актуализма дополнен сравнительно-историческим методом, который рассматривает изменения во времени характера и результатов самих процессов, происходивших на Земле.

Поскольку основой для фациального анализа является изучение горных пород и ископаемых организмов, его подразделяют на биофациальный и литолого-фациальный.

Биофациальный анализ - основой для его проведения служат ископаемые организмы и следы их жизнедеятельности. Ранее мы отмечали, что основными условиями обитания организмов в море являются: 1-соленость, 2-температура, 3-свет, 4-газовый режим, 5-глубина, 6-движение воды или гидродинамика, 7-состав грунта. Каждый из этих факторов отражается: в морфологии организма (т.е. размерах раковины, её скульптуре, толщине и т.п.), в многообразии видов, влияет на расселение организмов по площади водоёма.

Поэтому в биофациальном анализе мы по облику ископаемых остатков можем с определенной степенью достоверности определить многие из перечисленных условий обитания, а значит и палеогеографические условия на определенный период времени.

Биофациальный анализ начинают с определения характера захоронения ископаемых остатков. Они бывают двух типов:

1. Ископаемый биоценоз - захоронение на месте обитания самих организмов.

2. Танатоценоз - место захоронения удалено от места обитания.

Тип захоронения определяется по сохранности органических остатков, их ориентировке, сортировке и видовому комплексу. Признаками танатоценоза при переносе являются: разрушение скелетных элементов, сортировка особей по размеру и весу, ориентировка скелетных элементов - по течению и т.п. При танатоценозе в одном месте могут находиться виды, обитающие в разных фациальных условиях (так вместе с остатками бентоса могут находиться наземные растения или нектонные).

Наиболее важен для биофациального анализа - ископаемый биоценоз, по которому восстанавливают условия обитания. Тогда как по танатоценозу - обстановку захоронения.

Как в палеонтологии, руководящие ископаемые - это организмы, жившие в узком временном интервале, так в биофациальном анализе важная роль принадлежит организмам - индикаторам среды обитания или древних климатов. К таким организмам относятся те, существование которых обусловлено каким-то определенным требованием (например, только нормальной соленостью воды, температурным интервалом и т.д.).

Литолого-фациальный анализ опирается на определение фаций по вещественному составу и по структурным и текстурным признакам пород.

Вещественный состав осадочных пород дает информацию о составе источника обломочного материала (определяется по составу обломков в породе), о среде формирования (биогенные или хемогенные осадки), климатических условиях (угленакопление или коры выветривания) и т.д.

Структура осадочных пород наиболее разнообразна и информативна у обломочных пород. Информацию об условиях образования таких пород содержат как обломки, так и цементирующий материал. Обломки различаются по: размеру, составу, сортировке, форме, степени окатанности.

Размер обломков позволяет судить о степени удаленности обломочного материала от источника. (Крупные - ближе к источнику сноса, мелкие более удалены).

Состав обломочного материала позволяет судить как о составе исходного источника разрушения, так и о длительности процесса переноса. Если в обломках сохранились неустойчивые к разрушению минералы - это говорит о близком источнике сноса и о коротком промежутке времени переноса. И наоборот, наличие в обломках только устойчивых минералов свидетельствует о длительном переносе. Минеральный состав может также указывать на среду и климат при осадконакоплении. Существуют минералы-индикаторы среды и климата. Так индикаторами морской среды и определенных интервалов глубин являются минералы - глауконит, Fe-Mn конкреции, фосфорит и т.д. Индикаторами климатов являются соль и гипс, торф и уголь, гидроокислы Fe и Al и т.д.

Сортировка обломочного материала отражает соотношение обломков по размеру. (У хорошо отсортированных пород размеры обломков близки). Сортировка является индикатором длительности переноса. Отсутствие сортировки, т.е. присутствие обломков разного размера - признак быстрых перемещений на небольшие расстояния. Это характерно для образования морен, осыпей, глубоководных брекчий.

Форма обломков зависит от состава исходной породы и формы переноса обломков. Например, морская галька от речной отличается уплощенной формой, а ледниковая угловато-окатанная (форма утюга).

Степень окатанности - зависит от: а-состава пород, б-от скорости и длительности переноса обломков и др. По расположению обломков и их ориентировке в породе можно судить о направлении движения обломочного материала. Так устанавливают направления русел древних рек, береговую линию моря.

Цементирующая обломки масса несет информацию о среде отложения обломков. Небольшой её объем в породе указывает на подвижную среду, а его возрастание - на спокойную обстановку водных бассейнов.

Среди текстур различают слоистые и поверхностей напластования.

По текстурам все осадочные породы подразделяются на массивные (не слоистые) и слоистые.

Отсутствие слоистости отражает стабильный режим осадконакопления (как по тектонической обстановке, так и по вещественному составу осаждаемого материала), тогда как слоистость указывает на изменяющиеся условия.

Выделяют 2 основных типа слоистости: параллельную и косую.

Параллельная слоистость образуется при чередовании отдельных слойков, у которых поверхности напластования параллельны друг другу. Такая слоистость образуется при выпадении осадка в спокойной водной среде. Она подразделяется на линейную и прерывистую, равномерную и неравномерную, ритмичную.

Косая слоистость образуется слойками внутри пласта, расположенными косо к границам кровли и подошвы пласта.

Такая слоистость образуется при движении воды или ветра в процессе формирования осадка. Такие условия наблюдаются в руслах рек, зонах подводного течения, в прибрежных частях водных бассейнов и в наземных условиях.

Текстуры поверхностей напластования подразделяются по происхождению на органические (биоглифы) и неорганические (механоглифы).

К биоглифам относят следы жизнедеятельности организмов (ходы илоедов, зарывающихся, ползающих; отпечатки следов четвероногих и т.д.).

К механоглифам относят:

1. Знаки ряби - водной или ветровой.

2. Многоугольники (трещины) высыхания - образуются в наземных условиях при сухом жарком климате.

Рассмотрев все эти признаки, переходят к определению фаций в исследуемом разрезе или области.

Все многообразие фаций объединяется в 3 крупные группы: континентальные, морские и переходные (иначе их еще называют фации бассейнов с ненормальной соленостью).

Наиболее многообразны морские фации. Они зависят от глубины бассейна и разделяются на: 1-прибрежные, 2-шельфа, 3-материкового склона или батиальная, 4-абиссальной области (ложа мирового океана) Рассмотрим основные черты этих фаций.

1. ПРИБРЕЖНАЯ - или зона приливов и отливов, её глубина до 30 м. Для этой зоны характерны: непостоянный гидродинамический режим, много света, тепла, кислорода, сложный рельеф дна, обильная фауна и флора.

Состав пород - конгломераты, гравелиты, песчаники, ракушечники, угли параллические (при гумидном климате).

Слоистость - пологоволнистая, перекрестная.

Органические остатки - толстостенные раковины и их обломки.

Особые признаки - знаки ряби, ходы илоедов, трещины усыхания.

2. ФАЦИИ ШЕЛЬФА - или мелководная; глубина 70-200 м, резкое различие в гидродинамическом режиме: до 100 м условия аналогичные прибрежной зоне, ниже 100 м - волнения не доходят до дна, нет растительности, условия осадконакопления спокойные.

Состав пород - обломочные (песчаник, алевролит, аргиллит), органогенные (коралловые рифы), кремнистые отложения, вулканогенно-осадочные - лавы, туфы и туфопесчаники. Здесь же образуются фосфоритовые и Fe-Mn конкреции и глауконит.

Слоистость - горизонтальная.

Органические остатки - разнообразные и обильные.

3. ФАЦИИ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО СКЛОНА - батиальной зоны. По глубинам она подразделяется на: умеренно глубоководную (до 500-700 м) и глубоководную (до 3000 м).

В первой подзоне среди обломочных осадков преобладают глинистые и реже встречаются алевролиты и песчаники. Вместе с ними здесь формируются кремнистые и карбонатные породы, пластовые фосфориты.

Слоистость - тонкая, горизонтальная.

Во второй подзоне - осадочный материал выносится по желобам и подводным каньонам континентального склона.

Состав осадков - глинистые, кремнистые, известковые илы.

Слоистость отсутствует.

Органические остатки - редкие радиолярии и фораминиферы. В ископаемом состоянии - это очень редкая фация.

4. ФАЦИИ АБИССАЛЬНЫХ ГЛУБИН > 3000 м. Здесь высокое давление, низкая температура, мрак, которые влияют на газовый режим и химический состав воды. Так здесь, на глубине 4500-5000 м проходит граница образования известняков. Рельеф зоны сложный. Преобладают тонкозернистые осадки - современные красные глины и кремнистые илы. Крупнообломочный материал образуется редко за счет обвалов склонов и мутьевых потоков. Осадки часто обогащены сульфидами. Здесь же располагаются области излияния базальтовых лав.

КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ФАЦИИ наиболее полно сохраняются в областях аккумуляции т. к. большая часть континентов представляет поверхности размыва или выветривания. Выделяют фации: 1-водных потоков, 2-озер и болот, 3-ледников и 4 - пустынь.

1. Отложения водных потоков - терригенные осадки с косой слоистостью, значительной изменчивостью, редкими остатками растений и животных. Это отложения временных водных потоков, речных русел и паводковых площадей.

2. Озерные отложения - характерна горизонтальная, тонкая слоистость, преобладают пески и алевролиты. Хемогенные осадки представлены известняками, бокситами и др. Фауна - пресноводные гастроподы и пелециподы, богатая прибрежная растительность.

3. Болотные фации образуются на влажных равнинах с плохим дренажем и при зарастании озер. Типичное образование - торф с прослоями глины. Известны образования озерно-болотных железных руд.

4. Фации ледников - это отложения морены и отложения за пределами ледника и морены. Они отличаются по слоистости (у моренных её нет), сортированностью обломков, присутствием ленточных глин во 2-м типе отложений.

5. Фации пустынь:

· каменистых и скалистых пустынь - редко сохраняются т. к. подвержены эрозии;

· глинистых пустынь - небольшие участки мелких, быстро высыхающих водоемов. Это такыры, солончаки и соляные блюдца.

· песчаных пустынь - аккумуляция перенесенных ветром песков и глинистых частиц. Характерна ветровая косая слоистость, хорошая окатанность обломков, знаки ветровой ряби. Органические остатки очень редки (наземные животные).

ПЕРЕХОДНАЯ ГРУППА ФАЦИЙ объединяет: фации лагун, дельт и эстуариев, прибрежных озер. Наиболее сложным является комплекс, слагающий фации речных дельт - здесь происходит совмещение речных и прибрежно-морских фациальных обстановок.

Фации лагун и заливов формируются в условиях малых глубин, различных климатических зон и наличии впадающих рек. Осадки - мелкозернистые, имеют горизонтальную слоистость. Гравий и галечник встречаются редко. В осолоненных бассейнах широко развиты соли, гипс, ангидрит (в условиях жаркого сухого климата), Fe-Mn и бокситовые - при влажном умеренном климате. В застойных участках могут формироваться САПРОПЕЛИТЫ. В прошлые геологические эпохи области лагун занимали большие площади и являлись участками формирования полезных ископаемых. В кратком виде все эти признаки суммированы в таблице.

Кроме этих признаков, указывающих на среду формирования фаций, породы и органические остатки обладают признаками, указывающими, в каких климатических условиях они формировались. Среди пород - это чаще всего будут продукты гипергенеза (элювиальные глины, коры выветривания с Fe-Mn рудами и т.п.), образующиеся в условиях влажного теплого климата. Мы знаем, что накопление толщи солей, гипса и ангидрита происходит в мелководных лагунах при аридном климате, а угленакопление- в условиях влажного тропического климата. Образование мощных толщ известняков с обильной и разнообразной фауной характерно для зон тропических морей, тогда как в холодных морях формируются чаще кремнистые породы за счет панцирей диатомовых водорослей.

Климат влияет и на развитие органического мира. И растения, и животные обладают крупными, хорошо развитыми формами в зонах с тропическим климатом, а в сухом аридном или холодном нивальном климатах развиваются слабые угнетенные формы (небольшие размеры, тонкая гладкая раковина и др. признаки). Все это многообразие пород и организмов, отражающее древние климатические условия, в которых они формировались, называются породы-индикаторы и организмы-индикаторы древних климатов.

По результатам фациального анализа составляют фациальные разрезы и планы. После этого составляют палеогеографические карты, на которых отражаются физико-географические условия в определенный геологический период. Детальность и достоверность таких карт зависит от масштаба карты и размера территории исследований.

Теоретическое значение изучения палеогеографии в том, что позволяет устанавливать причины тех или иных геологических процессов на Земле на разных этапах её развития. На практике палеогеографические карты используют в целях прогноза полезных ископаемых.

Диагностические признаки ископаемых фаций

Морские фации

Континентальные фации

Переходные фации