Историческая геология: стратиграфические принципы, фациальный анализ и эволюция Земли

Историческая геология — это наука, которая применяет геологические принципы для реконструкции и интерпретации истории Земли. Данная дисциплина охватывает изучение изменений на поверхности планеты, летопись жизни, стратиграфию, датировку геологических образований, историю движения плит, положение континентов в прошлом, формирование горных поясов и бассейнов, а также древний климат (палеоклимат). Землю можно сравнить с мозаикой, и историческая геология стремится понять причины и последовательность событий, которые привели к появлению заметных особенностей в геологической летописи, включая происхождение и судьбу живых организмов. Изучая наскальные рисунки (горные породы и их слои), геологи устанавливают хронологию событий на Земле и постепенно осознают, что планета чрезвычайно древняя и имеет сложную историю. Горные породы демонстрируют, что формы жизни эволюционировали от ранее существовавших видов путем медленных, постепенных изменений в течение длительных периодов, и эта эволюция сопровождалась несколькими крупными массовыми вымираниями, когда большое количество видов и особей внезапно исчезало, а на смену им приходили совершенно новые виды в более молодых слоях.

Стратиграфические принципы и летопись горных пород. Стратиграфия — это изучение пластов горных пород (наслоений) с акцентом на их последовательность, возрастные соотношения, литологический состав, геометрию, распределение, корреляцию, содержание ископаемых остатков и условия отложения. Основная цель стратиграфии — интерпретировать данные о горных породах с точки зрения палеосреды, способов происхождения горных пород и причин сходства и различий между стратиграфическими единицами. Затем эти единицы можно сравнить по регионам, континентам и океанам, чтобы реконструировать условия на Земле во время осаждения. Самой основной стратиграфической единицей является формация — отличительная серия пластов, которые возникли в результате одних и тех же процессов формирования. Формации должны быть легко узнаваемы на основе литологии, включающей состав минеральных зерен, цвет, текстуру зерен, толщину и геометрию слоев, характер окаменелостей и внешний вид обнажений.

Согласно стратиграфическому кодексу, один слой называется стратом, а множество слоев внутри формации — стратами. Группы состоят из нескольких взаимосвязанных формаций, в то время как системы включают несколько групп. Первые стратиграфы рассматривали историю Земли и стратиграфические данные упрощенно, полагая, что подразделения, названные в Европе, были глобально однородными и имели одинаковый возраст, подобно слоеному пирогу. Однако постепенно стали осознаваться различия между формациями. В 1789 году французский ученый Антуан Лавуазье (1743–1794) предположил, что сходство окаменелостей в сходных осадочных породах может в большей степени отражать факторы окружающей среды, чем возраст. Лавуазье продемонстрировал, что мелководные прибрежные морские отложения более плотные и содержат организмы, приспособленные к бурной воде, тогда как более глубокие морские отложения со спокойной водой — более мелкие и содержат нежные донные организмы, плавучих существ и пловцов. Он показал, что различные осадочные породы могут образовываться в разных средах с разными группами ископаемых, даже если они отложились в одно и то же время. Пять лет спустя Лавуазье был обезглавлен во время Французской революции как один из 28 сборщиков налогов, которых заклеймили как предателей.

В 1830-х годах британские геологи Адам Седжвик (1785–1873) и сэр Родерик Импи Мерчисон (1792–1871) обнаружили, что неморские старые красные песчаники в Британии частично эквивалентны морским песчаникам. Они наблюдали взаимосвязь между пальцами (interfingering), означающую, что один тип отложений или формаций постепенно переходит в другой.

Условия залегания отложений и осадочные фации. Важность латеральных вариаций в слоях была полностью оценена только в 1838 году, когда на склоне швейцарской горы было описано пересечение двух различных литологических форм с различными ископаемыми комплексами. Термин «осадочная фация» был введен для описания литологических различий между двумя пересекающимися породами, которые интерпретируются как продукты различных условий осадконакопления. Постепенное изменение характера горных пород отражает постепенное изменение первоначальных условий, например, переход от песчаного пляжа к илистому морскому шельфу. Принято называть фацию по ее доминирующей литологии (например, богатая илом порода называется илистой фацией).

Поперечный разрез пляжа и прибрежной зоны, показывающий изменение осадочной фации от субаэральных дюн к пляжу, мелководному морю и переходной зоне к глубоководному морю. Обратите внимание, как породы, отложившиеся в каждой фации, взаимодействуют друг с другом.

Анализ осадочных пород направлен, прежде всего, на интерпретацию условий их формирования, что требует описания как литологии горных пород, так и содержащихся в них окаменелостей. Ключевым аспектом является принцип униформизма (актуализма), при котором древние особенности горных пород сравниваются с современными условиями, чтобы понять их происхождение. Фациальные структуры лучше всего поддаются пониманию при изучении изменений регионального масштаба и имеют важное значение для реконструкции окружающей среды в прошлом. Анализируя множество фациальных структур и определяя палеосреду, геологи могут понять историю окружающей среды и жизни на Земле — главную цель исторической геологии.

Трансгрессии, регрессии и эвстатические изменения уровня моря. Анализ осадочных пород показывает, что уровень моря постоянно повышается и понижается, и что поверхность суши также изменяется относительно уровня моря. Оседание — это опускание суши относительно уровня моря, в то время как поднятие — это повышение суши относительно уровня моря. В настоящее время проседающие районы включают Венецию (Италия), Новый Орлеан (Луизиана) и побережье Северного моря в Голландии, которое опускалось в течение последних 10 000 лет с момента последнего наступления ледников. Вдоль дельты Миссисипи на юге Луизианы быстрое оседание грунта приводит к тому, что каждый год многие квадратные мили суши опускаются ниже уровня моря, перемещая береговую линию вглубь материка в сторону Нового Орлеана.

По мере продолжения оседания осадочные породы (береговая линия, мелководные морские отложения, глубоководные морские глубины) перемещаются в сторону суши, при этом более глубокие фации мигрируют поверх мелководных. Эта картина называется морской трансгрессией, которая может быть результатом опускания суши относительно моря или глобального повышения уровня моря. Напротив, регрессия происходит, когда уровень моря падает относительно суши, а береговая линия удаляется от нынешнего побережья. Подобно трансгрессии, регрессия вызывает непрерывное, постепенное смещение осадочных сред и продуктов их образования, формируя пласт материала, который перекрывает более древние отложения предыдущих фаций.

При обоих процессах границы фаций (и изменения литологии) образуют наклонные поверхности, в то время как временные линии (соответствующие поверхности морского дна в любой момент времени) являются субгоризонтальными и пересекают литологические структуры по мере изменения палеосреды от пляжа к прибрежной зоне и от берега к морю. Таким образом, несмотря на то, что пласты могут быть определены как «прибрежный песок» или «прибрежный ил», временные линии пересекают границы пластов. Чтобы интерпретировать историю того или иного района, геологи анализируют фациальные структуры, определяя, повышался ли уровень моря (трансгрессия) или понижался (регрессия) во время осаждения.

Трансгрессивные структуры характеризуются сокращением площадей суши, обычно залегают под несогласной поверхностью, демонстрируют сдвиг фаций в сторону суши с течением времени и становятся более тонкими кверху в любом данном месте. Регрессивные модели формируются в результате поднятия суши или опускания уровня моря, показывают увеличение площади суши, обычно имеют эрозионное несогласие в верхней части, со временем демонстрируют сдвиг фаций в сторону моря и становятся более грубыми кверху в любом данном месте.

Закон Вальтера и глобальные эвстатические кривые. В конце 1800-х годов немецкий геолог Йоханнес Вальтер тщательно изучал структуру фаций и отметил, что фации имеют тенденцию меняться со временем в геологической летописи, при этом соседние среды сменяют друг друга в вертикальной последовательности. Это понимание привело к закону Вальтера, который гласит: вертикальное развитие фаций совпадает с соответствующими боковыми изменениями фаций.

Повышение уровня моря приводит к тому, что осадочные породы мигрируют к берегу, наслаиваются друг на друга и постепенно перемещаются к берегу. Регрессия показывает противоположное направление миграции фаций. Обратите внимание, что вертикальный профиль, проходящий через эти разрезы, дает последовательность фаций, которая совпадает с горизонтальной последовательностью фаций на поверхности, и что порядок последовательности может быть использован для определения разницы между регрессивной и трансгрессивной последовательностью.

Понимание локальных закономерностей морских трансгрессий и регрессий стало важным достижением, но сопоставление этих закономерностей на разных континентах для установления глобальной закономерности оказалось более сложным. В некоторых случаях один континент поднимался или опускался, а другие — нет; в других случаях геологические данные свидетельствуют об одновременном изменении уровня моря по всему миру. Эти глобальные явления повышения или понижения уровня моря называются эвстатическими изменениями. Они могут быть вызваны изменениями объема океанской воды (в результате таяния или замерзания ледников) или изменениями объема глубоководных океанских бассейнов (в результате изменения объема срединно-океанических хребтов при увеличении или уменьшении спрединга морского дна).

Столкновения континентов могут привести к поднятию значительной части континентов, что вызовет эффективное уменьшение количества континентального материала в океанах, увеличение объема океанских бассейнов и снижение уровня мирового океана. Чтобы определить, являются ли изменения уровня моря локальными или глобальными, для каждого континента необходима хорошо коррелированная геологическая шкала времени, что со временем привело к созданию глобальных эвстатических кривых уровня моря, показывающих высоту уровня моря во времени.

Типы несогласий. Три типа несогласий, включая несогласие (nonconformity), угловое несогласие (angular unconformity) и неконформность (disconformity).

В исторической геологии выделяют несколько типов несогласий (перерывов в осадконакоплении). Несогласие (nonconformity) возникает, когда осадочные породы залегают на эродированной поверхности изверженных или метаморфических пород. Угловое несогласие (angular unconformity) образуется между наклоненными нижележащими слоями и горизонтальными вышележащими слоями, что указывает на период деформации и эрозии. Неконформность (disconformity) представляет собой перерыв между параллельными слоями осадочных пород, часто распознаваемый по эрозионной поверхности. Анализ этих несогласий позволяет геологам реконструировать историю тектонических движений, изменений уровня моря и перерывов в осадконакоплении, что является неотъемлемой частью понимания геологической истории Земли.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.