ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЕ (БИОСТРАТИГРАФИЧЕСКИЕ) МЕТОДЫ

Более надежными методами определения относительного возраста от­ложений и корреляции последних на больших территориях являются палеонтологические методы, основанные на использовании ископаемых остатков организмов.

В основе палеонтологических методов лежит принцип последова­тельной смены неповторяющихся в разрезах фаунистических и флори­стических комплексов, отражающих этапность их исторического раз­вития. Преимущество этих методов стратиграфии перед другими со­стоит в том, что они базируются на одном из основных положений эволюционной теории — неповторяемости эволюции. Необратимость эволюционного процесса впервые установил Ч. Дарвин. Он указал, что исчезнувший вид никогда не может появиться снова. Бельгийский уче­ный Л. Долло в 1893 г. положение о необратимости эволюции выдви­нул в качестве «закона эволюции», согласно которому организм не может вернуться хотя бы частично к прежнему состоянию, которое было уже осуществлено в ряду его предков.

Исходя из закона необратимости эволюции Дарвина — Долло каж­дый комплекс ископаемых остатков организмов, приуроченный к тому или иному слою, отражает определенный этап развития органического мира и является неповторимым. Это и дает возможность использовать ископаемые остатки организмов для определения относительного воз­раста горных пород.

В основе палеонтологических методов лежит также явление ши­рокого пространственного распространения ископаемых остатков орга­низмов, что позволяет осуществлять корреляцию разрезов отдален­ных друг от друга областей. Широкое пространственное распростране­ние отдельных групп организмов связано с большой скоростью их рас­селения по поверхности Земли. Время, необходимое для расселения организмов, в геологических масштабах практически ничтожно при ус­ловии, если организмы не встречают на своем пути различного рода препятствий.

Определение возраста горных пород (их датировка) производится путем сравнения окаменелостей из этих пород с теми, которые встре­чаются в опорном разрезе. Например, в горной породе найден коралл Calceola sandalina, характерный для эйфельского яруса среднего де­вона в его стратотипическом (опорном) разрезе Западной Европы. Следовательно, и слой, в котором обнаружен коралл Calceola sandali­na, относится также к эйфельскому ярусу. При расчленении и корре­ляции разрезов надо знать вертикальное распределение ископаемых остатков организмов по разрезу. Иногда они встречаются от подошвы до кровли и тогда полученные данные о возрасте будут относиться ко всему этому слою. Чаще же окаменелости встречаются спорадически, т. е. приурочены к определенным уровням в изучаемом слое, и воз­раст, установленный по таким формам, условно распространяется на весь слой.

Ценность для биостратиграфии отдельных групп ископаемых ос­татков организмов далеко не одинакова. Она определяется распрост­ранением этих групп во времени и в пространстве, степенью приуро­ченности к определенным типам пород, частотой встречаемости в гор­ных породах и темпами их эволюции. В связи с этим выделяют архи­стратиграфические (ортостратиграфические) и парастратиграфические группы вымерших организмов. Архистратиграфические группы, харак­теризующиеся быстрой эволюцией, широким распространением и неза­висимостью от осадка⁴ (пород), к которым относят, например, гониатиты, аммониты, граптолиты, планктонные фораминиферы и др., позво­ляют проводить не только детальное расчленение разреза, но и не ме­нее детальную корреляцию с опорными разрезами. Это, как правило, нектонные и планктонные организмы, скелеты которых могут захороняться на любом участке морского дна, независимо от осадка. К парастратиграфичеоким группам относят, как правило, бентосные организ­мы, например брахиоподы, кораллы, мшанки и др., которые благодаря тесной связи с определенными типами осадков в разных районах об­разуют различные по составу ассоциации. Они в меньшей степени мо­гут быть использованы для широких сопоставлений, но для определе­ния возраста пород и корреляции в пределах районов распространения этих групп имеют иногда первостепенное значение.

Деление вымерших организмов на архистратиграфические и парастратиграфические группы в значительной мере условно и отражает степень наших знаний об этих группах. Так, например, до недавнего времени радиолярии считались второстепенной парастратиграфической группой, а в настоящее время, благодаря использованию электронной микроскопии, они стали одной из основных групп для определения возраста и корреляции верхнемеловых и кайнозойских отложений.

Биостратиграфическое расчленение частных разрезов производят путем анализа распространения в них отдельных таксонов вымерших организмов или их комплексов. Наиболее простой моделью является следующая: в каждом последовательно сменяющемся слое содержится свой вид — «а», «б», «в». По этим видам выделяют биостратиграфиче­ские подразделения Л, Б, В, границы которых совпадают с границами слоев или пачек (рис. 7,а). Однако чаще наблюдается несовпадение границ распространения отдельных видов или комплексов с граница­ми слоев, что отражается и в несовпадении биостратиграфических и литологических границ (см. рис. 7,6). Какие же существуют критерии проведения границ биостратиграфических подразделений? Одни иссле­дователи проводят их по появлению новых таксонов (вида, или груп­пы видов), другие — по исчезновению старых, третьи считают границы, проведенные по появлению или исчезновению таксонов, равноценными (рис. 8,а). В геологической практике часто отдают предпочтение той границе, которая совпадает с литологической, хотя такая граница с биостратиграфических позиций может оказаться менее обоснованной (см. рис. 8,6), чем другие. Первостепенное значение приобретает та граница, которая проведена по появлению видов в одном филогенети­ческом ряду, т. е. видов, имеющих прямую родственную связь с вида­ми подстилающих слоев (см. рис. 8,в).

Существует несколько биостратиграфических методов определения возраста горных пород. Ниже рассмотрены некоторые из них.

Рис. 7. Примеры распределения видов «а», «б», «s» в разрезах

/, 2, 3 — литологические подразделения; А, Б, В — биостратиграфические подразделения

Рис. 8. Различные варианты проведения границ биостратиграфических подразделе­ний (справа за рамкой показаны предпо­чтительные уровни). По Д. Л. Степанову и М. С. Месежникову (1979 г.), с измене­ниями

Метод руководящих форм. Руководящими формами на­зывают остатки вымерших животных и растений, которые отвечают определенным требованиям: они должны иметь небольшое вертикальное распространение по разрезу пород, но широкое в горизонтальном на­правлении (географическое), встречаться в слоях в достаточно боль­шом количестве экземпляров, иметь хорошую сохранность и характер­ные особенности строения, позволяющие легко их определять. Обычно руководящие формы приурочены только к определенному слою, поэто­му по ним легко определить относительный возраст слоя, в котором они находятся.

Этот метод является первым палеонтологическим методом, кото­рый был введен в стратиграфию. Он возник на рубеже XVIII и XIX веков и был впервые применен У. Смитом при расчленении и корреля­ции юрских отложений Англии. Научное обоснование этот метод по­лучил в середине прошлого столетия, когда немецкий палеонтолог Г. Брони ввел понятие о руководящих формах и составил первый ат­лас руководящих форм беспозвоночных.

Можно назвать многие виды вымерших организмов (аммонитов, белемнитов, брахиопод, граптолитов, трилобитов, фораминифер), ко­торые отвечают всем перечисленным выше требованиям. Так, напри­мер, аммонит Cardioceras cor datum является руководящим для окс­фордского яруса верхней юры; белемнит Belemnitella mucronata — для кампанского яруса верхнего мела. Роды и более крупные систематиче­ские группы (семейства, отряды и даже типы) также могут быть ру­ководящими для более крупных, чем ярус, стратиграфических подраз­делений — отделов, систем. К таким ископаемым относятся, напри­мер, археоциаты (Archaeocyathi), составляющие самостоятельный тип вымерших раннекембрийских организмов.

Сущность метода руководящих форм состоит в том, что из общего
количества окаменелостей, встреченных в определенном слое разреза,
выбирают один или 2—3 характерных для этого слоя видов, которые
отвечают указанным выше требованиям. Эти виды и будут руководя­щими формами для рассматриваемого слоя. Согласно этому методу
одновозрастными будут слои, содержащие идентичный или близкий
состав руководящих форм.

Рассматриваемый метод прост и поэтому с момента своего появ­ления нашел широкое применение; его используют и в настоящее вре­мя для определения возраста горных пород и корреляции разрезов. Но он не лишен недостатков, которые были замечены еще в прошлом столетии. Представление о том, что руководящие формы имеют почти повсеместное (космополитное) распространение независимо от усло­вий обитания, оказалось неверным, оно пришло в глубокое противоре­чие с данными биологической науки о тесной связи организма с окру­жающей средой. Любой организм обитает в определенных физико-гео­графических условиях, поэтому пространственное распространение от­дельных видов далеко не одинаково. Одни виды имеют очень широкое распространение (космополиты), другие — весьма ограниченное (энде­мики).

В природе не существует абсолютных космополитов, так как ни один вид не может одновременно обитать на континентах и в морях. Даже в пределах одного континента или морского бассейна в силу большого разнообразия условий один и тот же вид не может сущест­вовать повсеместно. Таким образом, каждый вид имеет более или ме­нее ограниченную площадь своего распространения (ареал).

Несостоятельным оказалось и второе положение, лежащее в осно­ве метода руководящих форм,— приуроченность их во всех районах к одному и тому же стратиграфическому уровню. Это положение пред­усматривает повсеместное одновременное появление и вымирание ру­ководящих форм. Как известно, один и тот же вид не может возник­нуть сразу во многих районах земной поверхности. Он появляется на одном участке, а затем расселяется в другие районы. Однако скорость расселения организма зависит не только от его способности к пере­мещению, но и в значительной мере от возможности преодолевать различные препятствия, встреченные на путях миграции.

Препятствия могут быть биологические (например, отсутствие пи­щи) и физические. Для наземных животных и растений физическими препятствиями являются обширные пространства морей, неблагоприят­ный климат и непреодолимые элементы рельефа ^например, высокие горные хребты); для морских — участки суши (материки, острова), морские течения с неблагоприятной температурой, глубоководные впа­дины (для бентосных организмов) и т. д. Изменение физико-географи­ческой обстановки способствует заселению организмами новых рай­онов, поэтому руководящий вид может занимать в разных районах различное стратиграфическое положение и в таком случае разновоз­растные отложения с одинаковыми руководящими формами могут быть ошибочно приняты за одновозрастные.

Нельзя не учитывать также и другие явления, осложняющие при­менение метода руководящих форм. Одним из них является рекурренция, т. е. присутствие одних и тех же руководящих форм или целых комплексов в различных стратиграфических горизонтах. Явление рекурренции связано с миграцией организмов из района первоначально­го обитания в связи с изменившимися условиями в смежные районы и возвращением их через некоторый промежуток времени на старое ме­сто обитания, где к этому моменту восстановились благоприятные ус­ловия (рис. 9). Поэтому использование при определении геологическо­го возраста и корреляции только руководящих форм без учета сопут­ствующего комплекса ископаемых остатков организмов может приве­сти к грубым ошибкам в стратиграфических выводах.

Рис. 10

Рис. 9. Схема, показывающая появле­ние рекуррентных комплексов фауны в разновозрастных, но одинаковых по ли-тологическим признакам осадках. По Р. Муру (1948 г.)

а — комплекс фауны в черных сланцах, ха­рактерный для слоя 1, повторяется без су­щественных изменений выше по разрезу (слои 2 и 3); б — непрерывность накопления черных сланцев в условиях многократного перемещения зоны седиментации

Рис. 10. Пример использования комп­лекса форм одной группы вымерших организмов для расчленения разреза. Заштриховано изучаемое стратиграфи­ческое подразделение

Метод анализа фаунистических и флористических комплексов. В отличие от метода руководящих форм при анализе фаунистических и флористических комплексов используют весь палеонтологический материал или определенные группы вымер­ших организмов. Одно из важных преимуществ этого метода состоит в том, что корреляция и выводы о геологическом возрасте базируются не на единичных, иногда случайно выбранных формах (видах), а на совокупности всех форм выбранной группы или различных групп ор­ганизмов. Важно также и то, что данные о возрасте, полученные при анализе комплекса одной группы организмов, можно контролировать по другим группам; это снижает вероятность ошибки. Поэтому метод комплексов нашел широкое практическое применение и в настоящее время является основным при биостратиграфических исследованиях.

При анализе комплекса форм вымерших организмов могут быть выделены (рис. 10):

1) формы, встречающиеся только в данном слое и не переходящие
его границы (1, 2), эти формы являются руководящими; как правило,
они составляют небольшой процент в составе комплекса, но имеют
наибольшее стратиграфическое значение;

2) формы, появляющиеся в подстилающем слое и исчезающие в
вышележащем (3), но в данном слое встречающиеся часто и в боль­
шом количестве; время существования этих форм длительное, но вре­
мя их расцвета совпадает со временем формирования данного слоя;
такие формы называют характерными, или контролирующими;

3) формы, впервые появившиеся в данном слое и переходящие в
вышележащие слои (4, 5, 6); по таким формам обычно проводится
нижняя граница стратиграфического подразделения;

4) формы, заканчивающие свое существование во время форми­
рования изучаемого слоя и обычно приуроченные к его нижней части
(7, 8, 9); такие формы называются доживающими; они имеют гораздо меньшее значение, чем предыдущие, кроме форм, определяющих верх­
нюю границу (7);

5) формы, имеющие широкое вертикальное распространение, т. е. встречающиеся в нескольких слоях (11, 12), называют транзитными; для определения возраста они не пригодны.

При анализе комплексов данного стратиграфического подразделе­ния следует учитывать также формы, исчезнувшие у его нежней гра­ницы (10) и появившиеся у верхней (13). Они, как правило, четко фиксируют эти границы, что наряду с другими признаками комплек­сов определяет объем изучаемого подразделения.

Таким образом, каждое стратиграфическое подразделение содер­жит свойственный только ему комплекс форм, позволяющий надежнее, чем по отдельным формам, определять геологический возраст и уста­навливать границы этого подразделения. Каждый фаунистический или флористический комплекс неповторим в разрезе, так как эволю­ция органического мира необратима.

Следует помнить, что изменчивость комплекса форм во времени зависит от многих причин, главной из них является изменение. Внешних условий. Отдельные группы организмов, входящие в состав комп­лекса, по разному реагируют на эти изменения: одни из них меняются -быстро, другие — медленно. Поэтому рубежи этих изменений, а следо­вательно, и положение границ стратиграфических подразделений по разным группам вымерших организмов могут не совпадать.

Процентно-статистический метод был введен в стра­тиграфию Ч. Лайелем в прошлом столетии и широко применялся до 30-х годов нашего века. Ч. Лайель применил процентно-статистический метод для стратиграфического расчленения и корреляции кайнозой­ских отложений Западной Европы. На основании процентного содер­жания современных видов моллюсков в этих отложениях он выделил эоцен, миоцен и плиоцен. К эоцену были отнесены отложения, содер­жащие 3,5% ныне живущих видов моллюсков, к миоцену 17%, к ниж­нему плиоцену 35—50%, а к верхнему плиоцену 90—95%.

Процентно-статистический метод стали вскоре после его появле­ния широко применять при расчленении и корреляции не только кай­нозойских, но и более древних отложений. Определение относительно­го возраста того или иного слоя основывалось на подсчете процентно­го содержания общих видов с эталонным, детально изученным разре­зом близких по возрасту отложений. Одновозрастными с эталонными считались те слои, которые содержали наибольший процент общих ви­дов. Например, в эталонном разрезе (рис. 12) выделены четыре слоя А, Б, В, Г и для каждого слоя установлен определенный комплекс ви­дов. В изученном разрезе выделены три слоя а, б, в. Из этих слоев также определен видовой состав вымерших организмов. Затем состав видов слоя «а» сравнивают последовательно с составом видов слоев А, Б, В, Г опорного разреза и подсчитывают процент общих видов. Пусть в слое «а» определено 50 видов, из которых б видов общих со слоем А (10%), 30 видов —со слоем Б (60%), 10 видов —со слоем В (20%) и 5 видов —со слоем Г (110%). По процентному содержанию общих видов слой «а» изучаемого разреза принимают одновозрастным со слоем Б опорного разреза. Такой же подсчет проводят для осталь­ных слоев.

Следует отметить, что процентно-статистический метод является формальным, его применение не раз приводило к ошибкам в страти­графии. По мере накопления фактического материала выяснилось, как уже указывалось ранее, что в разновозрастных, но близких по соста­ву отложениях иногда встречается больше одинаковых видов, чем в одновозрастных, но имеющих разный литологический состав.

В настоящее время этот метод для решения стратиграфических задач используют только в совокупности с другими палеонтологиче­скими методами.

Несмотря на все преимущества палеонтологических методов, они не могут считаться универсальными. Немалый процент в составе зем­ной коры составляют метаморфические,¹ интрузивные и эффузивные породы, не содержащие ископаемые остатки организмов. Даже сред» осадочных пород нередко встречаются толщи, лишенные остатков ор­ганизмов, или, как их называют, палеонтологически «немые». Для оп­ределения относительного возраста таких отложений палеонтологиче­ские методы неприменимы.