3.3. Методы реконструкции геологического прошлого

Метод восстановления палеогеографических обстановок в геологии называют фациальным анализом. Предметом исследования в палеогеографии является фация, основой исследования – принцип актуализма, методом исследования – фациальный анализ.

Понятие фации и фациального анализа

Накопление осадков происходит в определенных физико-географических условиях. Закономерное чередование комплексов пород позволяет судить о периодической смене условий осадконакопления и общем направлении изменения этих условий в различные геологические периоды. Для выражения изменения состава отложений определенного стратиграфического отрезка на площади его распространения было введено в геологию понятие «фация».

К понятию «фация» в геологии существует два подхода:

1) фация – часть слоя одновозрастных пород, отличающаяся от соседних частей этого же слоя своими литологическими и палеонтологическими особенностями, которые называются фациальными признаками (Грессли, 1838);

2) фация – физико-географическая обстановка или единица ландшафта (Головкинский, 1869).

Д. Наливкин (1955) справедливо указал, что «фация это не только осадочная порода, т.е. литологическое понятие, но одновременно определенная однородная часть суши или моры, т.е. географическое или палеогеографическое понятие».

В настоящее время насчитывается более 100 различных определений термина «фация». Наиболее емким и кратким является определение, предложенное Н.В. Логвиненко: «Фация – это обстановка осадконакопления, современная или древняя, овеществленная в осадке или породе».

В целом, условия осадконакопления определяются рельефом, климатом, тектоникой и особенностями развития жизни на Земле в данный период. Раздел геологии, рассматривающий физико-географические обстановки осадконакопления, называется учением о фациях, а способы реконструкции этих обстановок для прошлых периодов в истории Земли называются фациальным анализом. В палеогеографии ведут исследования в следующем направлении: первичный характер породы (как ископаемый осадок) → особенности осадка → физико-географическая обстановка, существовавшая на территории в изучаемом времени.

Фациальная изменчивость – изменение одновозрастных отложений по площади.

Фациальный анализ– изучение закономерностей фациальной изменчивости отложений с целью определения конкретных палеогеографических обстановок накопления разных фаций.

Фациальный анализ представляет собой метод восстановления палеогеографической обстановки путем изучения характерных особенностей горных пород и заключенных в них окаменелостей. Его проводят путем конкретного геологического материала: особенностей строения слоев одновозрастных горных пород и изменения в пространстве их вещественного состава, текстурных и структурных особенностей пород, их геохимического состава, а также заключенных в породах ископаемых остатков организмов и следов их жизнедеятельности с палеоэкологической точки зрения.

Фациальный анализ слагается из трех видов исследований:

1) определения условий обитания организмов;

2) определения условий накопления осадков;

3) анализа фациальной изменчивости отложений.

Географические обстановки и ландшафты распределены на земной поверхности не беспорядочно, а закономерно, в определенном порядке: горная система, внутри нее –межгорные впадины,низкогорье,предгорье,высокая равнина,низкая равнина,береговая линия,прибрежная часть моря и т.д. Каждая фация связана с какой-то из этих обстановок, и фации образуют закономернопостроенный ряд.

Под физико-географическими условиями(обстановкой) понимаются все условия и характер среды осадкообразования(например:субаэральная или субаквальная среда); приуроченность к тем или иным геоморфологическим элементам суши; характер бассейна (озеро, лагуна, море) и вероятная его глубина; положение в определенной части бассейна (прибрежной, на открытом шельфе, батиальной, в застойной зоне и т.д.); удаленность от береговой линии; динамика среды; условия жизни и захоронения организмов и т.д.

При выделении фаций за основу принимается ведущий тип динамики среды, доминирующий на фоне какого-либо полидинамического ландшафта (речной поток, волновая деятельность, подводное течение, застойная среда и т.д.).

Вещественным выражением обстановок седиментации (фаций) являются литогенетические типы– породы, обладающие комплексом определенных первичных генетических признаков.Литогенетический типопределяется способом, афации– условиями отложения. Так, физико-химические условия (характер среды, динамика, соленость воды, температура, газовый режим, окислительно-восстановительные и кислотно-щелочные свойства) определяют обстановку осадконакопления. Способ осаждения вещества формально не зависит от условий.Например, хемогенный механизм осаждения реализуется в разных условиях, но в теплых морях нормальной солености осаждается карбонат кальция, а в участках с повышенной соленостью – сульфаты или соли.

Литогенетический тип– понятие, не связанное с возрастом. Например, аллювий является генетическим типом отложений в карбоне и юре, но аллювиальная фация – выделяется из комплекса одновозрастных смежных, но генетически иных отложений.

Фациальный анализ разделяется на:

1) литофациальный анализ, изучающий генетические особенности литологического состава пород;

2) биофациальный анализ, учитывающий условия обитания и изменения в составе органических остатков.

При фациальном анализе широко применяется метод актуализма. Это метод научного познания геологической истории Земли, реконструкции процессов и обстановок прошлого путем использования закономерностей, выявленных при изучении современных геологических процессов. Наиболее применим и эффективен актуалистический метод в области осадконакопления. Поэтому, чем полнее изучены современные отложения того или иного генезиса, тем детальнее могут быть установлены их ископаемые аналоги. При этом как в современных, так и в древних породах сохраняются некоторые наиболее устойчивые первоначальные признаки, которые не изменились в течение длительного геологического времени.

Методы и принципы восстановления физико-географических условий

С целью восстановления физико-географических и тектонических условий, существовавших на определенной территории в отдельные этапы ее развития, в геологии применяются три основные метода: стратиграфический, палеогеографический, палеотектонический.

В основу этих методов положены принципы:

а) последовательности напластования, сформулированный в 1669 году Н. Стенсеном (Стеноном): «При ненарушенном залегании каждый нижележащий слой древнее покрывающего слоя». Этот принцип позволяет установить временные отношения “раньше – позже” между слоями;

б) миграции пограничных поверхностей литологически однородных слоев, сформулированный Н.А. Головкинским в 1868 г. Согласно этому принципу в каждом слое можно считать одновозрастными осадки, которые распределялись в направлении, параллельном береговой линии;

в) фациальной изменчивости одновозрастных отложений, высказанныйА. Грессли в 1838 г.;

г) биостратиграфического расчленения и корреляции разрезов, сформулированный У. Смитом (в начале XIXст.), согласно которому одновозрастные слои содержат исходные ископаемые, т.е. отложения можно отличать и сопоставлять по заключенным в них ископаемым;

д) биостратиграфической последовательности, т.е. ископаемые флоры и фауны следуют друг за другом в определенном порядке.

Современные принципы исторической геологии:

1. Каждый слой в момент своего формирования представляет собой горизонтально залегающее тело. Лишь впоследствии под действием внутренних и внешних сил слои могут принять разнонаправленное положение (наклонное, вертикальное), быть смятыми в складки или разорванными.

Вывод: чтобы восстановить геологическое строение данной территории в конкретный отрезок времени, следует в процессе реконструкции одновозрастный слой (пласт, горизонт) вернуть в первоначальное горизонтальное положение.

2. Каждый перекрывающий (вышележащий) слой моложе подстилающего (нижележащего).

Вывод: последовательность напластования изучается от самого древнего (нижележащего) слоя до самого молодого (вышележащего).

3. Слои (пласты, толщи), образовавшиеся в тектонически спокойной обстановке, имеют выдержанные мощности.

Вывод: изменение мощности слоя (вплоть до выклинивания) указывает на тектоническую активность района в период формирования рассматриваемого слоя.

4. Облик породы (фация) определяется физико-географическими условиями ее образования.

Вывод: фациальный анализ позволяет восстановить физико-географическую обстановку.

5. Каждой тектонической структуре высшего порядка (платформе, геосинклинали, краевому прогибу) свойственны определенные, характерные для нее комплексы горных пород различного литологического состава – формации.

Вывод: анализ формаций позволяет определить тектоническую принадлежность изучаемого района и наметить основные стадии его развития.

6. Для каждого осадочного слоя (пласта, толщи) земной коры характерен свой, только ему присущий комплекс органических остатков, изменяющийся по вертикальному разрезу (причем, чем моложе слой, тем больше в нем остатков высокоорганизованных животных и растений), и по простиранию в связи с изменением физико-географических условий в различных районах Земли.

Вывод: на основе палеонтологического анализа проводится возрастное расчленение разрезов. Тип и облик органических остатков указывают на физико-географические условия обитания организмов. Смена форм органических остатков свидетельствует об изменении условий их обитания.

7. Принцип актуализма. Сущность его заключается в том, что при восстановлении физико-географических условий прошлых эпох и динамики историко-геологического развития земной коры геологи исходят из представлений о геологических процессах, протекающих в настоящее время.

Вывод: по облику пород и палеонтологическим остаткам в сопоставлении с современными аналогами определяются области древней суши и моря, глубины морского бассейна, климатические условия, области горообразования, денудации, вулканизма и т.д.

Следует учитывать тот факт, что закономерности геологических процессов, справедливые для современной эпохи, могут значительно отличаться от процессов, имевших место в древние времена. Поэтому использовать выявленные закономерности нужно диалектически, рассматривая геологические процессы как постоянно меняющиеся. Чтобы учесть изменяющуюся во времени внешнюю обстановку, необходимо при использовании актуалистического метода вносить определенные поправки, тем большие, чем длиннее отрезок времени между сравниваемыми эпохами.

Литофациальный анализ

Литологический анализ применяется при изучении горных пород, как в целом, так и отдельных особенностей их минерального состава и строения с целью восстановления древней географической обстановки. Одни и те же типы осадков, давших начало осадочным породам, могли формироваться в разных условиях, в различной физико-географической обстановке. Однако, несмотря на сходство литологического состава, породы обладают рядом структурных, текстурных и других признаков, по которым можно с достаточной достоверностью определить место и условия их образования на земной поверхности.

При литофациальном анализе исследуются: 1) типы пород; 2) структура и текстура; 3) окраска породы.

Литологический составотражает место формирования пород, глубину бассейна аккумуляции, степень удаленности источников сноса и характере слагающих их пород, геохимическую, климатическую обстановку и органический мир в бассейне осадконакопления.

Например, песчаники чаще образуются на шельфе, глины – на континентальном склоне, эвапоритовые толщи образуются в лагунах в условиях аридного климата; писчий мел, состоящий преимущественно из планктонных водорослей – кокколитофорид, отлагается в теплых морях на глубинах 100-200 м; флишевые толщи образуются в глубоких геосинклинальных морях у подножий крутых склонов и, как полагают, своим происхождением обязаны мутьевым (суспензионным) потокам.

Гранулометрический состав отражает степень удаленности источника, состав слагающих его пород, направление и интенсивность движения транспортирующих частиц или водных потоков.

Размеробломочного материала позволяет судить о рельефе и удаленности области питания. Как правило, наиболее крупные обломки располагаются ближе к источнику сноса. Так, грубо- и крупнообломочный материал отлагается непосредственно у подножия горной страны; с удалением от него размеры обломочных частиц уменьшаются. По крупности обломочных частиц судят о скорости движения воды вместе образования осадка.

Например, при скорости течения 10 км/ч (Гольфстрим у берегов Флориды) дно бывает выметено, а при 4-6 км/ч на дно выпадают гальки величиной с грецкий орех. Пески отлагаются при скорости течения 0,26-0,34 м/с, а алевриты – не более 0,26 м/с.

Составобломочного материала галечников, конгломератов, песков, песчаников позволяет выяснить длительность и характер переноса, установить источник сноса. В процессе переноса наиболее неустойчивые, мягкие, легко растворяющиеся минералы и горные породы разрушаются. Наличие в изучаемой породе только устойчивых минералов свидетельствует либо о длительном переносе обломочного материала, либо о долгом выветривании пород перед сносом, либо о переотложении ранее образовавшихся толщ. Изучая распределение обломочного материала по площади, можно обнаружить источник питания и направление сноса. Для получения достаточно объективного представления о составе обломочного материала обычно берут 100 галек.

Минеральный состав. Состав горных пород позволяет судить о среде и климате, в которых происходило осадконакопление.

Рис. 3.3 Распределение горных пород и некоторых аутигенных минералов по основным обстановкам осадконакопления

(Прерывистой линией показано возможное их образование в данной обстановке)

Присутствие в породах глауконита свидетельствует об отложении осадка в море. Соли и гипс указывают на жаркий сухой климат. Минеральный состав глин также помогает сделать заключение о климате. Глины, образовавшиеся во влажном тропическом климате при обилии растительности и гумусовых кислот, содержат галлуазит и каолинит; глины аридного климата (сухого типа климата с высокими температурами воздуха и малым количеством атмосферных осадков) – монтмориллонит, гидрослюды. Мощные карбонатные толщи формируются в тепловодных бассейнах.

Аутигенные минералы, т.е. минералы, новообразованные в седиментационных бассейнах за счет протекающих в донных растворах химических реакций, отражают их геохимическую обстановку. Фосфоритовые конкреции образуются в илистых осадках шельфа на глубине 100-50 м за счет выделения фосфора из отмирающих пелагических организмов. Пирит и марказит образуются в условиях сероводородного заражения придонных слоев в пределах шельфа, континентального склона и глубоководных областей. Глауконит возникает в областях действия сильных донных течений в окислительной среде на границе с восстановительной в пределах шельфа. Встречается на континентальных склонах, что, как полагают, обусловлено сползанием пород с шельфа. Карбонатные соединения железа образуются в условиях углекислого заражения донных слоев и встречаются как в морских, так и в континентальных водных бассейнах.

Например, по установленной закономерности для прибрежной полосы шельфовой зоны характерны грубообломочные, валунные, галечные и щебенчатые отложения, которые по мере погружения шельфа до материкового склона последовательно сменяются песками, алевритами и глинами. Однако, если разрушаемое побережье (источник сноса) сложено глинистыми породами то и на прибрежной полосе будет аккумулироваться этот тип осадков. Более того, мощными речными и долинными потоками грубообломочный материал из внутриконтинентальных областей может переноситься на значительные расстояния от побережий и откладываться среди глинистых и хемогенных карбонатных отложений в пределах континентального склона и даже океанического ложа, в то время, как прибрежная полоса бывает сложена тонкозернистыми осадками размываемых глинистых берегов.

Цветуказывает на климатические и химические условия образования пород.

Например, краснаяокраска чаще всего обусловлена окислением содержащегося в породе железа, что характерно для континентальных пород, образованных в условиях аридного климата.Чернаяокраска указывает на обогащенность пород органическим веществом или сернистым железом и характеризует восстановительную обстановку седиментации.Зеленыйцвет определяется наличием закисного железа в восстановительной обстановке, а также присущ породам, содержащим глауконит.

См. приложение З.

Текстура, т.е. совокупность признаков строения породы, определяется ориентировкой и относительным расположением ее составных частей, что, в свою очередь, обусловлено механическими или биохимическими факторами. Горизонтально-слоистая текстура характеризует области спокойной седиментации, отсутствия движения воды. Для волноприбойных областей характерна перекрестная слоистость. Косая слоистость обусловлена направленными течениями. Биогенная текстура связана с жизнедеятельностью органического мира и выражена развитием пятен, трубок и корок, секущих породу под разным углом или включением в породу окаменевших остатков фауны и флоры. Текстура подводного оползания выражается сморщиванием и деформацией слойков с образованием чашеобразных и лежачих складочек, возникших вследствие гравитационного перемешивания недостаточно уплотненных пород в тектонически активных зонах; характерна для геосинклиналей. Пятнистая текстура, характеризующаяся наличием в породе пятен, обусловлена разложением органических веществ, взмучиванием осадков и т.п.

См. приложение И.

Хорошая сортировкаобломочного материала говорит о длительном переносе обломков, а плохая – о небольшом переносе. При изучении сортировки учитывают состав обломочного материала, так как породы и минералы имеют разную плотность, в разной степени подвержены разрушению. Отсутствие сортировки характерно для морен, осыпей, глубоководных брекчий, обвальных и селевых отложений.

Формаобломков определяется составом разрушающейся породы, ее трещиноватостью, сланцеватостью, слоистостью. Например, при разрушении тонкослоистых, листоватых сланцев не получаются изометричные обломки.Округлая форма галекхарактерна в общем случае для речных отложений. В морских отложениях преобладаютуплощенные гальки, в пустынных встречаются эоловые многогранники.Утюгообразные валуныхарактерны для ледниковых отложений.

Степень окатанности обломков зависит от следующих факторов:

1) от состава пород (обломки мягких пород окатываются быстрее и лучше, чем твердых; слюда при переносе крошится, расщепляется на мельчайшие чешуйки, но не окатывается);

2) от первоначальной формы обломков;

3) от скорости и длительности переноса.

По наиболее простой шкале устанавливаются пять категорий окатанностиобломков: 1) неокатанные; 2) угловатые; 3) полуугловатые; 4) полуокатанные; 5) окатанные.

Наилучшая окатанность наблюдается у морских галечников, образовавшихся в результате перемыва принесенного в море реками материала. Плохо окатанный материал характерен для отложений конусов выноса временных потоков, верховьев рек и для делювия. Происхождение песков определяют по содержанию в них зерен различной окатанности. У речных песков преобладают полуугловатые и полуокатанные зерна, у прибрежно-морских – полуокатанные и окатанные, у дюнных – окатанные.

Характер поверхностиобломков определяется их составом и средой, в которую они попали. Ямчатая, бугорчатая, шероховатая поверхность обломков часто объясняется полиминеральностью их состава. Для обломков, попавших в подвижную водную среду, характерна гладкая поверхность; наиболее хорошо отполирована морская галька. В ледниковых отложениях на поверхности валунов и обломков могут быть борозды, шрамы, царапины. Обломки пород в пустынных отложениях покрыты «загаром пустыни»,иногда они имеют шагреневую поверхность, трещиноватость.

Расположение обломочного материалапозволяет установить направление движения воды, его характер. Так, в русле реки удлиненные гальки разворачиваются по течению. В зоне прибоя удлиненные обломки располагаются почти параллельно береговой линии. В русловых отложениях нередко наблюдается черепитчатое наложение галек. О направлении движения воды в потоках можно судить также по косам (низким и узким намывным полоскам суши, причлененным одним концом к берегу, а другим выступающим в сторону моря, озера или реки), находящимся за крупными валунами и обломками.

Характеристика цементирующей массы(состав, количество, соотношение с обломочным материалом) – необходимый элемент анализа структуры обломочных пород. Например, карбонатный цемент характерен для неподвижных галечников водных бассейнов. Конгломераты, образовавшиеся из подвижных галечников, содержат мало цемента, в них резко преобладает обломочный материал. Концентрация крупнообломочного материала на отдельных участках указывает на расположение основного русла.

См. Приложение К.

Биофациальный анализ

Биономический (биофациальный) анализ заключается в определении фаций при помощи изучения органических остатков и результатов жизнедеятельности организмов.

Породоробразующими называются ископаемые, составляющие от 30% и более от общего объема отложений. Условия породообразования ископаемыми: массовый характер обитания водных и наземных организмов и вторичных перенос скелетов в различные понижения рельефа.

Таблица 3.3Породообразующие ископаемые

На Земле существует ограниченное число физико-географических обстановок, для которых типичны свои особые условия образования осадков, определяемые физическими, химическими и биологическими факторами.

Можно выделить три типа обстановок с особыми условиями осадкообразования: континентальный, морской и переходный. Континентальный типхарактеризуется развитием субаэральных (находящихся в воздушной среде) и субаквальных (подводных) обстановок. Для субаэральных обстановок типична эрозия, осадки отлагаются лишь местами, возобновление эрозии приводит к размыву и переотложению этих осадков.Морской типвключает только субаквальные обстановки, где осаждение осадков резко преобладает над эрозией.Переходный типвыделяется в областях чередования во времени и пространстве континентальных и морских обстановок, условий эрозии и аккумуляции при преобладании последних.

Условия обитания организмов в морских водоемах

Среда обитания и образ жизни организмов

Организмы на Земле обитают на суше, в воде, в воздухе и создают особую оболочку, которую называют биосфера. Предполагают, что органический мир первоначально зародился в воде, позднее была освоена суша. Бактерии и цианобионты известны с архея, достоверные водные организмы – начиная с протерозоя, а наземные – с кембрия.

Водная среда. Каждый организм для своего существования требует определенных условий. Условия существования характеризуются абиотическимиибиотическимифакторами среды.

Абиотическиепредставлены комплексом физических и географических факторов.

Биотическиефакторы среды – это взаимоотношения организмов.

К абиотическим(физическим) факторам среды относят соленость, глубину, давление, температуру, освещенность, кислородный режим, характер грунта, течения и, видимо, стоит относить и геологические процессы, в частности вулканизм и тектонические движения. По степени солености бассейны бывают: нормально-морские, солоновато-водные, повышенной солености и пресноводные. Глубина бассейнов изменяется в пределах от 0 до 11 км. С глубиной связано увеличение давления, уменьшение освещенности, изменение кислородного режима и грунтов. На температуру морской воды влияют глубина, климатические зоны и тектонический режим.

По отношению к условиям обитания выделяют две группы организмов: эврибионтыистенобионты.Первые приспособлены к разнообразным условиям обитания, вторые обитают в определенных условиях. В зависимости от факторов среды выделяютстенотермные–эвритермные(температура),стеногалинные–эвригалинные(соленость),стенобатные–эврибатные(глубина) группы организмов.

В морях и океанах от береговой линии до глубоководных желобов по закономерностям распределения бентосных растений и животных выделено восемь биономических (экологических) зон.

Рис. 3.4 Зоны отложения морских осадков и рельеф дна Мирового океана,

(Мильничук, Арабаджи, 1989 (с упрощениями)

Таблица 3.4 Части водоемов и группы организмов в морских бассейнах

Рис. 3.5

Таблица 3.5 Биономические (экологические) зоны

(Михайлова, Бондаренко, 2006; Естествознание, 2003)

Наземная среда

Для суши характерны более жесткие и разнообразные факторы среды с резкими колебаниями. Наибольшее биологическое разнообразие растений и животных наблюдается на поверхности и внутри почвы. Континентальные водоемы (реки, озера, болота) и тропические леса беднее по качественному составу, но по биомассе сопоставимы со сгущениями жизни.

Физико-географические факторы наземной среды такие же, как и для водной среды: температура, освещенность, давление, высота над уровнем моря, воздушные течения, удаленность суши отводных пространств, положение относительно экватора – полюса (климатические зоны). Выделяют ландшафтно-географические зоны – совокупности определенных растений, животных и среды обитания. В северном полушарии на низинах выделяют следующие ландшафтные зоны (с севера на юг): 1) зона тундры, 2) зона лесов умеренного климата, 3) зона лесостепья, 4) зона степей, 5) зона средиземноморская, 6) зона полупустынь, 7) зона пустынь умеренного климата, 8) зона субтропических лесов, 9) зона тропических пустынь, 10) зона тропических степей, 11) зона тропического лесостепья (саваны), 12) зона тропических влажных лесов.

Континентальное осадконакопление обладает рядом особенностей:

1) характерна неустойчивость образующихся осадков, за накоплением часто следует размыв; разные по составу континентальные отложения быстро сменяют друг друга в горизонтальном направлении (на том же стратиграфическом уровне) и по вертикали (вверх по разрезу);

2) осадконакопление на континентах тесно связано с рельефом, который обусловливает большую пестроту и изменчивость отложений на коротких расстояниях;

3) континентальные отложения представлены, главным образом, обломочными и глинистыми породами, хотя в аридном климате накапливаются и хемогенные осадки, но их мощность меньше, чем обломочных;

4) для большинства континентальных отложений наблюдается тесная связь с материнскими породами, особенно характерная для элювиальных образований;

5) в континентальных отложениях присутствуют, иногда в обилии, растительные остатки;

6) в характере распределения континентальных отложений находит отражение климатическая зональность.

Типы фаций

Морские фации

В морских бассейнах осадки располагаются в прямой зависимости от рельефа ложа, от удаленности береговой линии и источника сноса, характера слагающих его пород, характера транспортирующих агентов (водных и воздушных потоков, гравитационного фактора), климатических условий и т.п. Однако, дифференциальная зональность осадков, в первую очередь, определяется рельефом морского дна (рис. 3.4, 3.5; приложение V – Д).

Прибрежные фации возникают в зоне прилива и отлива (литорали) и могут быть разнообразны по составу. Дляскалистых побережийхарактерны валунно-галечные отложения. Гальки наклонены в сторону моря, а их длинные оси ориентированы вдоль береговой линии. Наиболее типичны организмы, обладающие массивной раковиной, плотно прикрепляющиеся к скалам или высверливающие в них отверстия.

На отлогих побережьяхнакапливаются песчаные или алевритовые толщи с раздробленными обломками раковин, обломками или стволами наземной растительности. Породы хорошо отсортированы. Встречаются знаки ряби. Обитают организмы, имеющие раковины со слабо развитой скульптурой или уплощенные формы с широким основанием.

На еще более отлогих берегах накапливаются глинистые отложения, на поверхности которых сохраняются трещины высыхания, следы животных, отпечатки капель дождя и т.п. Фауна обладает сложной скульптурой, что способствует лучшему сцеплению с грунтом. Породы плохо отсортированы, содержат песчаные и алевритистые зерна.

В болотистой прибрежной зонеобразуются торфяники или пласты каменных углей (параллические угленосные толщи).

В областях, где ощущается недостаток поступающего с суши материала, образуются рыхлые или слабосцементированные ракушечники.

Мелководные фациинакапливаются в пределах сублиторали от линии отлива до глубины 70-100 м и характеризуются признаками, указывающими на подвижность воды: косая слоистость, хорошая сортировка, обилие и разнообразие органических остатков, сочетание обломочных и органогенных пород с отложениями коллоидно-химического происхождения. Обломочные породы представлены песками и алевритами, которые отличаются хорошей отсортированностью. Глинистые породы мелководья являются результатом коагуляции приносимых реками глинистых суспензий. В отличие от глубоководных глин в них возможна характерная для континентальных отложений примесь каолинита, присутствуют песчаные частицы, растительный детритус, они часто имеют черную окраску в связи с разложением органического вещества и восстановительной обстановкой.

Органогенные отложенияпредставлены карбонатными породами – мелом и различными известняками, в образовании которых принимают участие морские животные и растения. Органогенные осадки обычно накапливаются там, куда обломочный материал почти не выносится. Наиболее глубоководными из органогенных известняков являются водорослевые, образующиеся на глубине 100-110 м, мшанковые – от 90 до 200 м и криноидные – в средней части шельфа. Для фораминиферовых известняков характерна глубина образования около 50 м. Коралловые, серпуловые и губковые накапливаются на глубинах 20-40 м. Белый писчий мел, состоящий в основном из раковин планктонных фораминифер и скорлупок кокколитофорид, накапливается на разных глубинах. Если в нем имеется примесь обломочного материала, массивные раковины мелководной фауны (иноцерамусов, эхинокорисов и др.) и мощность его измеряется десятками метров, то писчий мел является мелководным образованием. Писчий мел без примеси обломочного материала, не содержащий остатков мелководной фауны и имеющий небольшую мощность, очевидно, является более глубоководным.

Хемогенные осадкиобычно представлены коллоидно-химическими образованиями, выпадающими в виде оолитов, бобовин и других аналогичных форм. Среди них выделяют карбонатные, железистые, фосфатные, глауконитовые и другие осадки.

Карбонатные осадкинакапливаются только втеплых морях, где карбонаты легко выпадают в осадок при изменении температуры или количества углекислоты (СО₂).

Железистые осадкиобразуются вследствие выноса железа с континентов в виде окисных и коллоидных растворов с органическими кислотами и в виде бикарбонатов. При некотором увеличении температуры, солености, в результате жизнедеятельности бактерий и водорослей все эти соединения легко переходят в осадок и выпадают близ берегов. Часть осадков образуется за счет выноса железа из глубоких зон в результате подводных извержений.

Глауконитобразуется только в море на глубинах 20-150 м. встречается он в виде примеси в песках, глинах, известняках.

Фосфатные осадкиобразуются также только в море на глубине 50-150 м. Согласно гипотезе А.В. Казакова, они имеют химическое происхождение, хотя фосфор или часть его, образуется за чет разложения организмов. Соединения фосфора приносятся восходящими течениями, поднимающимися с глубин 500 м и более и направленными в сторону берега. Поднимаясь в области более низких давлений и более высоких температур, они теряют часть СО₂. Содержание Р₂О₅увеличивается за счет трупов организмов, падающих сверху. Равновесие нарушается, воды оказываются пересыщенными СаСО₃и Са₃(РО₄)₂ х СаF₂и на глубинах от 50 до 100 м эти соединения выпадают в осадок. Выше 50 м их выпадение не происходит, т.к. воды уже бедны фосфором, который к тому же поглощается еще растениями.

Фосфоритовые конкреции и глауконит более характерны для умеренно-глубоководных фаций.

Умеренно-глубоководные фации образуются на глубинах от 70-100 до 500 м, т.е. в нижней части шельфа и на верху континентального склона в условиях слабой подвижности и освещенности вод. Жизнь здесь значительно беднее. Эту область населяют илоеды, труполеды и хищники. Донная фауна представлена мшанками, морскими ежами, кремневыми губками, некоторыми пелециподами, гастроподами и одиночными кораллами. Скелетные образования у этих организмов нежные, тонкие, хрупкие. Для этой зоны характерно большое однообразие и постоянство условий, и поэтому отложения здесь также довольно однообразны.

Из терригенных осадковздесь преобладают глины, для которых характерна тонкая горизонтальная слоистость. Они образуются за счет медленного осаждения наиболее тонкого материала, выносимого из более мелководных зон, а также глинистых минералов, возникающих в море в результате химических превращений.

Органогенные отложениявстречаются редко. Они образуются за счет планктонных организмов: диатомей, радиолярий, планктонных фораминифер, птеропод, а также за счет иголочек кремниевых губок. Накопление диатомей приводит к образованию диатомовых илов, которые в последствие превращаются в диатомит и трепел, иголочки кремниевых губок – губковые илы.

Отложения хемогенного происхожденияздесь представлены пластовыми фосфоритами (до глубины 200 м), а также карбонатными и кремнистыми породами.

Глубоководные фации.Эта категория морских отложений объединяет породы, накапливающиеся в пределах континентального склона (батиальные фации) и океанического ложа (абиссальные фации), т.е. на глубинах более 500 м.

Характерными чертами глубоководных фаций являются полное отсутствие следов мелководности, почти полное отсутствие бентоса, массивная текстура пород, представленных преимущественно хемогенным глинистым, органогенным, планктонным и вулканогенным материалом.

Линию раздела между батиальными и абиссальными фациями можно провести условно на глубинах 4–6 км, соответствующих границе критического карбонатонакопления, ниже которой карбонатные осадки отсутствуют в связи с растворением известковых раковин планктона и сохраняются лишь кремнистые раковины, образующие скопления диатомитов и радиоляритов. Кроме того, для абиссальной зоны характерно широкое распространение красных хемогенных глин, крупных железо-никелевых конкреций, слуховых косточек и зубов рыб, вулканических и космических пород. Известняки батиальной зоны встречаются до глубины 3000 м. Они состоят из раковин планктона, определяющего их название: фораминиферовые, глобигериновые и т.д. Глины синей, темной им красной окраски встречаются на глубинах до 5000 м и состоят из сносимого с побережья и не подвергшегося коагуляции глинистого материала с примесью раковин пелагических организмов (до 30%). Глины, накопившиеся в условиях восстановительной обстановки, содержат пирит, обладают сероводородным запахом и темной окраской. Красную окраску приобретают глины, образованные из ожелезненного материала, принесенного с материков крупными реками. Диатомит – кремнистая рыхлая или сцементированная пористая порода белого или желтоватого цвета, сложенная более чем на 50% из панцирей диатомей – планктонных водорослей, содержащих до 70% кремнезема. Они образуются на глубинах от 1 км до 5-7 км и ниже.

Известняковые толщи распространены в тепловодных бассейнах. Диатомиты (диатомовые водоросли распространены вблизи 60° параллели) наиболее характеры для отложений кайнозоя. Радиоляриты (кремнистый органогенный осадок, состоящий более чем на 50% из кремнистых раковин радиолярий) встречаются на глубинах более 4 км (до 8 и ниже) у побережий континентов. Красная океаническая глина выполняет наиболее глубокие (более 3,5 км) и удаленные от побережья котловины Тихого океана и состоит из глинистого материала, принесенного с континентов пылевыми бурями и в коллоидных растворах. Содержит прослои торфов, обломки вулканической пемзы, метеоритные частицы никелистого железа и бронзита, слуховые косточки китов и зубы рыб, покрытые налетом марганца. В их составе содержится кремнезема до 54%, железа до 10%, марганца до 3%, органического углерода менее 0,5%.

В этих глинах содержатся богатые (промышленные) скопления железомарганцевых конкреций – аутигенных минеральных стяжений гидроокислов железа и марганца шаровидной, лепешковидной и гроздевидной формы с ядром из обломочных пород, зубов рыб и т.п.

Красные глины являются наиболее глубоководным осадком абиссальных областей и образуются всегда ниже границы критического карбонатонакопления.

Фации лагун. Лагуны – это водоемы с повышенной или пониженной соленостью вод, отделенные от моря полосой береговых валов или соединяющиеся с ними узким проливом.

Опресненные лагуны развиты в областях с гумидным климатом, но встречаются и в аридном – в случае впадения в лагуну крупных рек. Для них характерны карбонатные, алевритовые и глинистые осадки, которые отличаются от морских глин присутствием пресноводных организмов, отсутствием глауконита и фосфатов, плохой сортировкой отложений и отсутствием косой слоистости. Среди органогенных осадков преобладают мшанковые и водорослевые известняки, образующие местами крупные рифовые постройки.

Засолоненные лагуны приурочены к областям с аридным климатом. Они характеризуются полным или почти полным отсутствием органического мира и накоплением эвапоритовых толщ, включающих каменные и калийные соли, гипсы и ангидриты, а также отложения смешанного состава – соляные глины и мергели.

Лагунные отложения тесно связаны с континентальными и морскими. Переход между ними часто носит постепенный характер, нередко они образуют частый тонкий переслой. Выделение лагунных отложений очень затруднительно. Наиболее верным критерием являются органические остатки, встречающиеся в значительных количествах в отложениях опресненных водоемов. Это эвригалинные и эвритермные формы, представленные небольшим количеством видов, но большим числом особей. В отложениях засолоненных лагун органические остатки отсутствуют. Очень редко встречаются раковины пресноводных или наземных животных и растений, принесенных с суши.

Континентальные фации

К этой группе фаций относятся породы, образованные в пределах континентов: на суше, во внутренних, не связанных с Мировым океаном водных бассейнах; в областях распространения ледников, действующих вулканов и т.п., и обладающие рядом специфических черт, определяющих их континентальный облик (Приложения Л -О).

Элювиальные фации

Элювий – комплекс продуктов разрушения горных пород, образовавшихся на поверхности Земли под действием атмосферных агентов, почвенных и грунтовых вод, жизнедеятельности организмов и сохранившихся на месте своего образования. Наиболее типичными представителями элювия являетсякора выветриванияи ее самая верхняя часть, −почва,где интенсивно протекают биохимические процессы.

В случае преобладания физического выветриванияэлювий представляет собой комплекс разных по размеру и форме обломков материнских пород. При активномхимическом выветриваниипроисходит не только дезинтеграция исходных пород, но и их глубокое химическое и минералогическое преобразование с формированием разнообразных глинистых, окисных железистых пород и остаточных бокситов.

Характерной чертой коры выветривания является вертикальная зональность строения, а также химического и минералогического состава, отсутствующая в породах иного происхождения и обусловленная стадийностью процессов выветривания. Нижние ее горизонты по физическим свойствам, составу, текстурно-структурным признакам достаточно близки к исходной материнской породе. Верхние части, особенно при интенсивном химическом выветривании, по этим показателям резко отличаются от исходных пород и сложены, главным образом, глинистыми минералами (рис. 3.6).

Минералогический и химический состав, мощность элювия зависят от климата, тектонического режима и рельефа. Наиболее глубокое выветривание происходит в тропическом климате при стабильном тектоническом режиме в условиях приподнятого, но без крутых обрывов, рельефа.

Таким образом, наличие ископаемой коры выветривания указывает на континентальную обстановку осадконакопления, а ее детальное изучение позволяет реконструировать климат, тектонические условия, рельеф и основные происходившие геохимические процессы.

Рис.3.6 Кора выветривания гранитов зоны тропического климата (Безбородов, 1989)

1 – неизменный гранит;

2 – рыхлый, выветрелый гранит;

3 – структурная каолиновая глина;

4 – латерит (продукт полного гидролиза с выносом подвижных катионов);

5 – почвенный слой.

Коллювиальная и делювиальная фации

Коллювиальные и делювиальные отложения формируются у подножия возвышенностей и на их склонах в результате обвалов, оползания, обрушения, а также перемещения обломочного материала дождевыми и талыми водами. Их образование чаще связано с областями сухого климата и незначительного развития растительности, которая укрепляет склоны и предохраняет их от разрушения. Контакт этих осадков с подстилающими породами резкий, вещественный состав сходен с залегающими выше по склону породами. При расчлененном рельефе и крутых склонах формируются грубые брекчии, при пологих – более тонкие гравийно-песчаные осадки.

Слоистость и сортировка материала, как правило, отсутствуют или выражены очень слабо. Обломки, особенно в приподошвенной части комплекса, совершенно не окатаны, остроугольны. Мощность коллювиальных и делювиальных отложений меняется резко на коротких расстояниях, на поднятиях они часто полностью выклиниваются.

Пролювиальная фация

Песчаные тела, образованные временно действующими водными потоками (пролювий), встречаются у подножия погребенных поднятий древних эрозионных выступов и останцов, а также в палеодолинах. Временные потоки образуются при сезонном таянии снегов или в результате стока обильных атмосферных осадков со склонов гор. Они несут значительные массы воды и развивают большие скорости, перенося значительное количество продуктов разрушения горных пород. Эти потоки образуют сравнительно небольшие прямые русла, выполненные крупными обломками. После окончания сезона дождей скорость потоков уменьшается, и русла заполняются плохо отсортированными гравийно-песчаными осадками.

В горах пролювий имеет полосовидное залегание, выполняя долины, и сложен грубозернистыми и совершенно несортированными отложениями, где глыбы, валуны, щебень в беспорядке рассеяны в суглинках, образуя долинно-потоковый пролювий.

При выходе потока на равнину он растекается по многим руслам, скорость течения резко падает и образуется веерообразный в плане конус выноса. Отдельные конусы выноса сливаются в сплошной предгорный пролювиальный пояс длиной до нескольких сотен и шириной до 100 км. Мощность пролювия в таких поясах достигает несколько сотен, а иногда и тысяч метров.

Аллювиальный комплекс фаций

Распределение осадков в русле связано с тем, что продукты разрушения, образуемые в зоне размыва, неравномерно разносятся по дну реки в зависимости от скорости течения, размера и веса обломков. Наиболее крупные из них, которые река не способна перемещать, остаются на месте или перемещаются на небольшие расстояния, более мелкие выносятся к противоположному берегу поперечным течением и, по мере ослабления водной струи, оседают. Еще более мелкие увлекаются потоком вниз по течению реки на большие расстояния, а глинистые частицы переходят во взвешенное состояние и находятся в таком состоянии длительное время.

Таким образом, в русле реки происходит размыв и разрушение одного борта и наращивание противоположного, куда переносится основная масса образовавшегося обломочного материала. В результате этого постоянно действующего процесса русло реки постепенно перемещается в боковом направлении (боковая эрозии), образуя петлеобразные изгибы-меандры.

Каждая речная система, в том числе и реки прошлого, проходит три этапа своего развития: молодость, зрелость, старость.

В период молодостирека ведет интенсивное углубление русла и транспортирует продукты разрушения вниз по течению в зону седиментации. Скорость течения водного потока в этот период наибольшая, а русло относительно прямое. В русле накапливается лишь незначительное количество терригенных осадков.

В период зрелостирека, углубив русло и достигнув профиля равновесия, ведет, главным образом, размыв его за счет боковой эрозии, образуя многочисленные изгибы-меандры. В результате этих изгибов длина русла возрастает, хотя наклон его остается прежним. Это приводит к уменьшению скорости водного потока. Продукты разрушения уже не могут быть вынесены в область седиментации и начинают откладываться в пределах русла в виде русловых отмелей, размер которых постепенно возрастает: идет образование песчаных тел. В этот период широкого развития достигают речные поймы, формирующиеся на русловых отмелях.

Старость рекихарактеризуется дальнейшим ростом меандр и увеличением длины русла: русловые отмели достигают наибольшего размера. Течение воды настолько замедляется, что река на отдельных своих участках оказывается неспособной транспортировать продукты разрушения. Происходит закупоривание русла, и река распадается на ряд изолированных друг от друга водоемов стариц. Продукты разрушения заполняют русловый врез: песчаное тело полностью завершает свое формирование. На поверхности образованного песчаного тела начинают откладываться глинистые осадки речной поймы.

Таким образом, аллювиальные образованиявсегда состоят из двух частей.Нижнюю частьсоставляют преимущественно гравийно-песчаные осадки русел, вто время какверхнюю− глинистые осадки пойм. Именно таким двучленным строением аллювиальных отложений при их многократном повторении объясняется циклическое чередование в разрезе песчаных и глинистых слоев.

Современные реки по характеру строения русел подразделяются на три типа: спрямленные, ветвистые (фуркирующие) и извилистые (меандрирующие).

Для рек спрямленного типахарактерны повышенные скорости течения, ограниченное развитие русловых отмелей, сложенных песчано-гравийно-галечниковым материалом и образующих линзообразно-изогнутые песчаные тела с резко выраженными нижней и верхней границами.

Ветвящиеся (фуркирующие) реки характерны для горного рельефа. Условия осадконакопления в них обусловлены высокими скоростями течения, переносом преимущественно песчано-галечникового материала, наличием многочисленных неглубоких сходящихся и расходящихся русел различных порядков, нечеткими границами пойм.

Меандрами или излучинами называются плавные изгибы равнинной реки. Меандрирующиеили извилистые реки формируются на стадии зрелости, когда река ведет интенсивную боковую эрозию. Русловые отмели на 80-60% сложены средне- и мелкозернистыми песками. В их подошве часто присутствуют линзы гравия и галька. Слоистость косая однонаправленная мульдообразная (взаимосрезающаяся), причем размер косых серий постепенно уменьшается вверх по разрезу и в сторону припойменной части русловой отмели.

б

Рис. 37 Меандры равнинных рек

а) Восточная Сибирь, р. Подкаменная Тунгуска

б) Западная Сибирь, р. Томь

Речные фации подразделяются на три группы: русловые, пойменные, старичные.Русловая– представлена песчано-галечным материалом. Снизу вверх по разрезу размеры обломков уменьшаются. Слоистисть косая.Пойменная– сложена тонкозернистым осадком с косой и косо-волнистой слоистостью. Встаричнойгруппе преобладают илистые пески, суглинки, супеси с оползневыми текстурами. Для речных фаций характерно присутствие пресноводных и наземных организмов, ориентация длинной оси частиц обломочных пород по течению реки, вытянутое линзовидное залегание пород.

Рис. 3.8 Схема формирования меандр и стариц

(Мильничук, Арабаджи, 1989)

1 – возвышенный берег;

2 – перекат;

3 – низкий берег;

4 – наиболее глубокое б место (обычно находится ниже максимальной кривизны);

5 – сближенные части крыльев излучины, подверженные прорыву;

6 – прежнее русло;

7 – место прорыва между крыльями излучины;

8 – занесенная отложениями часть прежнего русла;

9 – стрежень;

точками показаны отмели

Озерно-болотные фации

Образование этой группы фаций происходит во внутриконтинентальных или прибрежно-морских озерах и болотах. Общими признаками лимнических образований являются ограниченное распространение, соответствующее форме озера или болота, и сравнительно небольшая мощность. В связи с этим в разрезе комплекс озерных отложений представляет собой линзу с вогнутым основанием и относительно плоской кровлей, которая, в отличие от аллювиальной, образует не полосу, а относительно изометрическую зону. Обычны также фациальные соотношения с аллювиальными, пролювиальными и коллювиально-делювиальными образованиями. Для прибрежно-морских озер существует иногда достаточно тесная ассоциация с морскими отложениями. Характер осадков и органических остатков зависит от климатической зоны (Приложение Н).

Фации пресных озер и болот представлены песчаными, глинистыми, хемогенными (железные руды, доломит, гипс, сода и др.) и органогенными) сапропель, «озерный мел», диатомовый ил и др.) отложениями и отличаются тонкой горизонтальной слоистостью, линзообразной формой пластовых тел, присутствием окаменелостей пресноводной органики, особенно пелеципод, гастропод и остракод.

В гумидном климатеозера обычно проточные, пресные и характеризуются терригенным составом отложений. Терригенные осадки в озерах распределяются в соответствии с законами механической дифференциации: относительно крупный материал осаждается у берегов, а вглубь распространяются все более тонкие частицы. Для осадков характерны сравнительно хорошая сортированность, наличие правильной тонкой слоистости, иногда наблюдаются знаки ряби. Мелководные озера хорошо прогреваются летом, богаты питательными веществами и планктоном, отличаются высокой биологической продуктивностью, поэтому здесь часто идет накопление органического вещества сапропелевого типа.

В озерах холодного гумидного климата при ослаблении переноса обломочного материала возможно образование железных бобовых руд за счет транспортировки железа реками.

В обстановке аридного климата, когда поступление вод невелико и часто не компенсирует испарение, формируются бессточные озера с повышенной минерализацией. Здесь наряду с терригенной, идет хемогенная седиментация. Накапливаются известняки, доломиты, магнезиальные силикаты, а также растворимые соли – гипсы и ангидрит, хлориды.

В осадках болот преобладают накопления торфа, переходящие в уголь. Кроме того, среди болотных отложений присутствуют глинистые (преимущественно каолинитового состава), а в отдельные периоды и песчано-алевритовые осадки с обильными остатками растений. Торфяники часто залегают на озерных отложениях или ископаемых почвах. Болотные фации являются одним из примеров концентрированного накопления и сохранения органического вещества. Исходный состав, в котором преобладает высшая растительность, предопределяет преимущественно гумусовый характер органического материала и его последующую углефикацию.

Ледниковая фация

Ледниковые отложения формируются в областях материкового и горного оледенения. Собственно ледниковыми образованиями являются морены; водно-ледниковыми − флювиогляциальные и озерно-ледниковые осадки.

Морены образуются из материала, принесенного ледником и оставшегося на месте после его таяния. В общем случае − это несортированные неслоистые отложения, состоящие из различных по размеру валунов, глыб, сцементированных песчано-глинистым материалом.

Петрографический состав обломков чрезвычайно разнообразен. Наряду с местными породами, захваченными ледником при его перемещении, в значительном количестве имеется петрографически совершенно чуждый и принесенный издалека материал. Характерна также своеобразная штриховатость и полированность отдельных валунов.

Непосредственно у внешнего края ледника многочисленные и не имеющие собственных долин ручейки и речки талых вод выносят и в пределах зандровых равнин переоткладывают переносимый ледником материал и конечноморенные накопления. Эти флювиогляциальные отложения представлены вначале несортированными породами.

Несколько дальше это лучше отсортированные, преимущественно песчаные осадки. При дальнейшем удалении от ледника поверхностныйст ок постепенно приобретает упорядоченный характер, текучие воды локализуются в долинах, т.е. превращаются в реки, и флювиогляциальные отложения замещаются аллювиальными.

В пределах зандровых равнин в отдельных депрессиях и при наличии локальных подпоров образуются озера, где идет накопление лимногляциальных осадков. Они характеризуются более тонкозернистым составом, наличием тонкой горизонтальной слоистости. Типичным примером подобных образований являются ленточные глины.

Рис. 3.9 Область таяния ледника

Эоловые фации (фации пустынь)

Эоловые отложения образуются в результате выпадения из воздуха или путем волочения по поверхности земли песчаных и алевритовых частиц. Они занимают довольно небольшую часть общей массы ископаемых отложений, так как материал, отложенный ветром, в дальнейшем очень часто размывается и переотлагается водой. Крупные эоловые накопления формируются преимущественно в пустынях, в меньшей степени на низменных морских побережьях и по берегам рек в виде дюн.

Для эоловых отложений, в целом, характерна наилучшая среди других типов осадков отсортированность и окатанность зерен, проявляющаяся наиболее отчетливо в песчаных фракциях. Поверхность зерен становится либо блестящая полированная, либо рябая. Уменьшается количество легко истираемых минералов (гипса, роговой обманки, пироксенов, эпидота, полевых шпатов) и относительно возрастает число устойчивых к механическому воздействию минералов (кварца, гранатов, циркона, силлиманита, магнетита), практически отсутствуют слюды.