Хэллем Э. Интерпретация фаций и стратиграфическая последовательность

Подождите немного. Документ загружается.

ПРЕДИСЛОВИЕ 11

топной стратиграфии), разрабатывалось новое оборудование

для бурения и сейсморазведки. И тем не менее по-прежнему

верно, что массу полезной работы можно выполнить с помощью

таких давно испытанных простых инструментов, как геологиче-

ский молоток и петрографический микроскоп. Как говорил

Самьюэл Батлер, «много добрых мелодий знает старая скрипка».

В действительности «научность» того или иного предмета никак

не связана со сложностью используемого оборудования, ибо

существо науки — это критическая оценка и проверка теорети-

ческих моделей.

По моему убеждению, на данной стадии развития геологии

мы должны всеми силами противиться угрозе ее чрезмерного

дробления. В литологии и палеоэкологии часто надо было фоку-

сировать внимание на решении частных задач. Однако суще-

ствуют известные пределы такого сужения кругозора, за кото-

рыми исследование уже нельзя считать ни оригинальным, ни

имеющим сколько-нибудь важное значение. В наши дни, когда

научная информация распространяется очень быстро, резуль-

таты новых исследований сразу же усваиваются наукой и не-

медленно проникают в учебные курсы для студентов. Чтобы

продвигаться дальше в решении как классических, так и не-

давно возникших вопросов, имеющих в геологии кардинальное

значение, мы должны поступающую информацию направлять

в русло стратиграфии. Нет оправдания палеонтологам, безраз-

личным к составу осадочных пород, и литологам, не интересую-

щимся ни органическими остатками, ни стратиграфией. Кроме

того,

обе эти группы исследователей должны внимательно сле-

дить за развитием геотектоники и океанологии.

В сущности, я призываю как следует усвоить уроки, которые

преподала нам настоящая революция в науках о Земле, проис-

шедшая в конце 1960-х — начале 1970-х годов. Мы ясно уви-

дели тогда ценность исследований в областях соприкосновения

различных наук, когда такие -разные по интересам специалисты,

как палеонтологи, петрологи и геофизики, сплотились теснее,

чем когда-либо раньше, чтобы решить общие задачи.

«Основы геологии» Чарлза Лайеля открываются следующим

красноречивым заявлением:

«Геология — наука, изучающая последовательные изменения,

происходившие в органическом и неорганическом царствах При-

роды;

она раскрывает причины этих изменений и их влияние

на облик поверхности и строение внешней оболочки нашей пла-

неты».

Это определение остается верным и сегодня; в нем подчерк-

нута центральная роль стратиграфии, которая в широком

смысле равнозначна исторической геологии и по самой своей

12 ПРЕДИСЛОВИЕ

природе является обобщающей дисциплиной. Способность со-

брать воедино все нужные сведения, поступающие из разных

областей знания, и рассмотреть их в свете изучения истории

Земли — отличительное свойство хорошего геолога, включающее

помимо профессиональных навыков умение делать правильные

оценки и видеть все объекты в том или ином стратиграфическом

контексте. Последнее часто не удается тем, кто приходит в гео-

логию из физики, химии или биологин, несмотря на всю иску-

шенность таких специалистов в науках, которыми они занима-

лись ранее.

Эта книга задумана как попытка вернуть стратиграфии ее

законное место в ряду основных наук о Земле. Я не стремился,

как это обычно делается, заставить студентов усиленно штуди-

ровать стратиграфическую колонку, а предпочел выбрать для

изучения несколько узловых тем, привлекая примеры как из

различных регионов, так и из разных периодов. Книга предна-

значена в основном для студентов старших курсов и аспиран-

тов,

но я надеюсь, что она будет в какой-то мере полезной и

специалистам-геологам, которые слишком заняты, чтобы сле-

дить за потоком литературы, находящейся вне поля их непо-

средственных профессиональных интересов. Предполагается,

что читатель обладает основными знаниями в осадочной петро-

логии и палеонтологии и знаком с началами стратиграфии. На-

звания стратиграфических подразделений представляют собой

lingua franca (привычный общий язык) всех стратиграфов и

часто упоминаются в книге. Поскольку не все они хорошо ус-

ваиваются студентами, я даю в приложении перечень наиболее

употребительных названий систем и ярусов.

После первой главы, рассказывающей о принципах и мето-

дах фациального анализа, в следующих двух главах дается

краткий обзор сведений о современных условиях осадконакоп-

ления и о соответствующих условиях, проявившихся в характере

древних фаций. Далее следуют главы, в которых последова-

тельно рассмотрены семь крупных тем. Каждую главу можно

считать самостоятельной, но тем не менее они помещены в опре-

деленном порядке и в каждой из глав есть ссылки на другие.

Я надеюсь, что в итоге получилось нечто достаточно цельное,

причем главное внимание я хотел привлечь к одной из важней-

ших проблем всех наук о Земле — к проблеме связи эволюции

и распространения организмов с физико-географическими уело-

виями. Хотя при детальном изучении конкретных объектов

большинство

геологов используют термин «фациальный ана-

лиз», я предпочел ему в названии книги понятие «интерпрета-

ция фаций*, поскольку в ней речь идет в значительной мере

о синтезе результатов этого анализа.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Преподаватель должен стремиться найти золотую середину

между поучением и поощрением. Эта книга — не научный трак-

тат, поэтому я не пытался ошеломить читателя обилием данных,

а уделил главное внимание типичным примерам. Однако для

тех, кто желал бы подробнее ознакомиться с затронутыми во-

просами, дается обширная библиография. Заинтересовать труд-

нее,

и каждый знает, что этого часто нельзя добиться без при-

глашения поспорить с преподавателем. Поэтому в случаях,

когда я имею на те или иные вещи определенную точку зрения,

я стремлюсь также ясно показать, что существуют вопросы, где

ясности пока не достигнуто.

Нечего и говорить, что я не решился бы взяться за такую

работу без помощи и поддержки моих друзей и коллег, которые

поделились со мной своими идеями, подвергли конструктивной

критике мои представления, сообщали мне новые данные и

ориентировали в литературных источниках. Особо мне хотелось

бы назвать Ника Бадама, Мартина Бредшоу, Рассела Купа,

Ала Фишера, Кена Сю, Джона Хадсона, Джона Имбри, Хью

Джепкинса, Эрла Кауффмана, Джерри Миддлтона, Брюса Селл-

вуда, Финна Сурлика, Питера Вейла, Джерри Ван Андела и

Джима Валентайна. Должен также отметить, что первым, кто

побудил меня написать книгу об интерпретации фаций в стра-

тиграфическом аспекте, был Перс Аллеи. Естественно, я один

несу ответственность за все здесь написанное и могу только

надеяться, что упомянутые лица одобрят то, что у меня полу-

чилось. Наконец, я особо признателен Кристине Стерч за под-

готовку машинописного текста книги.

Л, Хэллем

Январь 1980 г

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает свою благодарность перечисленным ниже науч-

ным обществам, издательствам и редакциям журналов, а также

авторам соответствующих работ (ссылки на них даны в подри-

суночных подписях) за разрешение воспроизвести опубликован-

ные ими раньше иллюстрации:

Королевское общество — рис. 4.1, 7.12.

Геологическая служба Гренландии — рис. 4.2.

Лондонское геологическое общество — рис. 5.3, 5.10, 6.1, 6.10,

8.7.

Издательство Cambridge University Press — рис. 6.5, 7.6.

Журнал Nature — рис. 5.5,

10.11.

Издательство Scottish Academic Press — рис. 7.1.

Ассоциация геологов — рис. 4.14, 4.15.

Голландское королевское геологическое и горное общество —

рис. 8.6.

Ассоциация по систематике (The Systematics Association) —

рис. 10.3.

Издательстно Academic Press Inc.— рис. 2.1, 2.3, 2.4.

Журнал Paleobiology — рис..10.1, 10.8.

Издательство University of Chicago Press — рис. 6.14, 6.15, 10.5.

Журнал Scientific American — рис. 8.1, 9.1.

Журнал American Journal of Science — рис. 7.3.

Американский геофизический союз — рис. 7.10.

Общество палеонтологов и минералогов, работающих в про-

мышленности (The Society of Economic Paleontologists and

Mineralogists) —рис. 1.1, 1.2, 3.13, 4.3, 4.10, 8.8, 8.9, 9.2.

Американская ассоциация геологов-нефтяников — рис. 5.2, 5.12,

6.3,

6.7, 6.8, 6.11.

Издательство Blackwell Scientific Publications Ltd.— рис. 2.7—

2.10, 2.14, 3.1, 3.2, 3.5, 3.9—3.12, 4.5, 4.7, 4.13, 5.13, 5.14, 8.2,

8.3,

10.10, 10.12.

Геологическое общество Америки — рис. 2.12, 4.8, 4.9, 4.11, 4.12,

6.3,

6.16, 10.4.

Издательство Elsevier Scientific Publishing Company — рис. 1.3,

2,5, 3.6, 5.1, 5.4, 6.6, 7.2, 7.4, 7.5, 7.14, 8.4, 8.10, 10.6.

Издательство Springer-Verlag — рис. 2.2. 2.6, 3,3.

Издательство Prentice-Hall Inc.— рис. 3.4.

ПРИНЦИПЫ

И МЕТОДЫ

ФАЦИАЛЬНОГО

АНАЛИЗА

ПОНЯТИЕ

ФАЦИЯХ

Слово «фация» происходит

от

латинского fades,

что

означает

лицо,

внешность,

вид,

облик

или

состояние,

т. е.

какое-то общее

представление

предмете.

Это

слово используется геологами

в различном контексте,

но мы

здесь касаемся только того,

как

оно употребляется

при

изучении осадочных пород

[463].

В принятом ныне значении, выражающем совокупность лито-

логических

фаунистических признаков данной стратиграфиче-

ской единицы, слово «фация» впервые

(в 1838 г,)

было исполь-

зовано швейцарским геологом Гресли

[175] для

описания верх-

неюрских отложений района Золотурна

горах

Юра. К

близ-

ким понятиям пришел примерно

в это же

время

француз

Прево,

но в

качестве термина, эквивалентного фации Грессли,

он использовал слово «формация». Вслед

за

ними австрийский

геолог Мойсисович предложил называть породы одинаковых

фации изопическими,

породы разных фаций гетеропическими,

но

эти,

казалось

бы,

полезные термины

не

получили широкого

распространения.

Из геологов

XlX в.

наиболее подробно обсуждал фациаль-

ные связи немецкий ученый Иогапнес Вальтер, известный

как

автор закона

соотношении фаций {лично

предпочитаю тер-

мин «правило»;

законы

чаще всего встречаются

физике,

геологии оперируют

правилами;

впрочем, шутки ради, можно

поискать исключения). Этот

так

называемый закон

(или

пра-

вило) Вальтера толковался по-разному, поэтому Миддлтои

[324]

попытался воспрепятствовать возможному смешению понятий,

возвратясь

исходному определению, данному Вальтером,

Миддлтон привел следующий отрывок

из

работы Вальтера,

вы-

шедшей

в 1894 г.

([498],

с, 979):

«Различные отложения одной

и той же

фациальной

области,

как и

совокупность пород разных фациальных

областей, формируются рядом друг

другом

простран-

стве, хотя

разрезе

мы

видим

их

лежащими одни

на

других... Далеко идущее следствие такого утверждения

состоит

в том, что

первично следуют друг

за

другом

только

те

фации

фациальные области, которые

в со-

временных условиях наблюдаются рядом друг

другом».

I. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ФАЦИЛЛЬНОГО АНАЛИЗА

Это определение обычно толковалось в том смысле, что фа-

ции,

залегающие в согласной вертикальной последовательности,

образовались в условиях, которые существовали в смежных

районах. В приведенном определении говорится о необходимо-

сти актуалистического подхода. Однако в другом месте своего

труда Вальтер указывает, что могут быть и такие фации, кото-

рые не имеют близких современных аналогов. Он подчеркивает

также, что его «закон» относится только к непрерывным после-

довательностям отложений, лишенным крупных несогласий, вы-

раженных эрозионными поверхностями и (или) стратиграфиче-

скими перерывами.

Несколько десятилетий назад понятие о фациях более ак-

тивно развивалось в странах Европейского континента, чем

в Великобритании или в Северной Америке. Например, Гейм и

другие исследователи с большим успехом использовали его для

расшифровки сложной структуры Альп; с этой целью выделя-

лись различные фациальные элементы, которые в настоящее

время находятся бок о бок друг с другом, но первоначально

должны были формироваться в районах, разделенных большими

расстояниями. В противоположность этому в солидных страти-

графических курсах, читавшихся в начале Йынешнего века Бак-

маном в Англии и Ульрихом в США, фациальным изменениям

очень часто не придавалось значения; считалось почти аксио-

мой,

что породы одного района, относящиеся к различным фа-

циям,

надо считать разновозрастными. Замечательный паралле-

лизм мышления этих независимо работавших палеонтологов

обнаруживается при сравнении критических заметок Аркелла

[13] о Бакмане и Данбара и Роджерса [113] об Ульрихе; про-

читать эти заметки очень полезно.

В настоящее время, конечно, практически все признают

важность выявления фациальных изменений, но сам термин

«фация» часто еще используется несколько беспорядочно и не-

последовательно; например, говорят: геосинклинальпые фации,

дельтовые фации, глубоководные (батиальные) фации и т. д.

В соответствующем контексте это, возможно, не столь уж пре-

досудительно, но тем не менее допускает в какой-то мере субъ-

ективное понимание. Поэтому желательно придавать термину

более описательный смысл, например фация битуминозных слан-

цев,

фация коралловых известняков и т. п., с последующей

интерпретацией обстановки их образования. Полезно различать

литофации

биофации,

относя эти понятия соответственно

к литологическим и к фаунистическим (или флористическим)

характеристикам стратиграфических единиц, хотя, строго го-

воря,

фация и литофация — это синонимы, так как ископаемые

органические остатки составляют часть породы.

ПРИНЦИПЫ

МЕТОДЫ ФЛЦИАЛЫЮГО АНАЛИЗА

МЕТОДЫ

Фатшальный анализ

— это по

необходимости обобщающая

дисциплина,

которой данные

из

разных областей знания

ис-

пользуются

для

интерпретации древних обстаиовок.

Ни

один

из

источников информации

не

имеет здесь доминирующего значе-

ния:

все они

обладают своими достоинствами

недостатками.

В каждом отдельном случае какие-то данные могут оказаться

важнее

надежнее других.

Неорганические текстуры

осадочных пород. Среди наблю-

даемых

поле текстурных особенностей многих осадочных

по-

род наибольшее внимание привлекают косая

градационная

слоистость, знаки ряби, отпечатки неровностей кровли ниже-

лежащих отложений.

Как ни

странно, тщательное изучение этих

особенностей началось только два-три десятилетня назад, хотя

первые значительные работы были выполнены Сорби

(в

Анг-

лии)

Гилбертом

(в США) еще в

прошлом веке.

настоящее

время исследования

этой области приобрели важное значение,

что совпало

широким признанием

литологии

как

самостоя-

тельного раздела геологии

отразилось

во

многих учебниках

монографиях, частично

или

полностью посвященных описа-

нию

анализу осадочных текстур; особенного внимания заслу-

живают работы Аллена

[6],

Блатта

и др. [35]

Поттера

и Пет-

тиджона

[361],

Рсйнека

Сингха

[379| и

Селли

[417].

Ценность изучения таких текстур состоит

в том, что мы мо-

жем много узнать

движении воды

пли

воздуха, обусловившем

перенос

отложение осадочного материала,

об

уровне энергии,

о типах

направлениях течений,

а в

некоторых случаях

— и

о скорости осадконакопления

поступления материала

(так,

«набегающие», знаки ряби обычно считаются признаком боль-

шой скорости осадконакопления). Характерный

вид

текстур

тиллитов

и их

общие литологические особенности

—

лучшие

признаки ледниковых условий. Главный недостаток анализа

текстур осадочных пород состоит

в том, что он

мало говорит

нам

об

общей обстановке осадконакопления,

частности

глу-

бине, температуре

солености воды.

Не

удается также

уве-

ренностью отличить следы волочения осадка

от

результатов

деятельности мутьевых (турбидитных) потоков, ветровые

(на-

гонные) течения

от

приливных, эоловые отложения

от

некото-

рых мелководных морских

дюн.

Зернистость

и структура.

Анализ этих особенностей пород

выполняется

лаборатории

основан

на

просеивании

микро-

скопии. Распределение зерен разного размера

песчанистых

отложениях изучалось

течение многих

лет, и

теперь хорошо

известно, например,

что

речные пески хуже отсортированы,

чем

Заказ

Л'е 389

I. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ФАЦИЛЛЬНОГО АНАЛИЗА

пески морских пляжей. Год за годом использовались все более

изощренные методы статистического анализа, в том числе ана-

лиз асимметрии и плотности распределения [144—146, 487].

Изучение структуры поверхности зерен кварцевого песка с по-

мощью электронного микроскопа позволяет узнать, было ли

осадконакопление ледниковым, литоральным или эоловым

[284,

285].

К сожалению, зерна кварцевого песка обладают большим

сопротивлением к разрушению, из-за чего легко происходит

перенос такого песка из одних условий осадконакопления в дру-

гие и переотложение материала древних осадков при образо-

вании молодых. Диагенетическая коррозия и возобновление

роста кристаллов могут значительно изменить первоначальные

размеры зерен и структуру, а биотурбация (т. е. перемешивание

песка организмами), чрезвычайно распространенная в морских

условиях, может сильно нарушить сортировку осадочного мате-

риала. По причинам такого рода и из-за того, что текстуры

осадочных пород обычно считаются более информативными,

интерес к данному предмету в последние годы постепенно осла-

бевает.

С другой стороны, структурный анализ имеет важнейшее

значение при изучении карбонатных отложений, поскольку сек-

реты известняков и доломитов редко удается раскрыть, не при-

бегая к микроскопу. Эти породы непременно проходят диагенез,

при любой попытке узнать первоначальный характер осадоч-

ного материала необходимо вначале провести анализ диагене-

тических петроструктур. Выдающейся сводкой данных по этому

вопросу является работа Батерста [22].

Минералогия. Минералогический анализ под микроскопом

необходим, очевидно, для того, чтобы выделить разные типы

песчанистых пород, таких, как ортокварциты, аркозы и грау-

вакки. Такой анализ может дать важные сведения о происхо-

ждении осадочного материала и характере выветривания в хин-

терланде (внутренней области размыва), а также об условиях

осадконакопления

[174].

В период между двумя мировыми

войнами была мода на анализ встречаемых в песчаниках тяже-

лых минералов, таких, как турмалин, циркон, рутил, ставролит

кианит. По сути дела, анализ тяжелых минералов стал чуть

ли не синонимом всей петрологии осадочных пород. Хотя такие

исследования в благоприятных случаях могут дать полезную

информацию о происхождении материала, при этом возникает

ряд серьезных затруднений. Устойчивые тяжелые минералы,

например циркон, долго сопротивляются разрушению и могут

поэтому выдержать несколько циклов переотложення. Менее

устойчивые могут разрушиться при диагенезе. Кроме того, этот

чрезвычайно трудоемкий анализ нередко приносит довольно

ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ФАЦИАЛЬНОГО АНАЛИЗА

скромные результаты. Сегодня анализом тяжелых минералов

интересуется только небольшое число специалистов.

Минералогия карбонатных пород весьма однообразна: важ-

ное значение имеют там только кальцит и доломит. Совершенно

иначе дело обстоит с такими породами химического происхожде-

ния,

как эвапориты (надежный признак аридного климата)

железняки и фосфориты; поэтому считается, что минералогиче-

ский анализ имеет большое значение для этих пород. Важно,

однако, не забывать, что исследуемые под микроскопом мине-

ралы не всегда могут дать нужные сведения об обстановке

осадконакопления, Минералы эвапоритов, как известно, легко

подвергаются диагенетическому замещению

[453],

а детальные

выводы об условиях осадконакопления при образовании желез-

няков, сделанные по распределению сидерита, пирита и магне-

тита (например, [15I

244]), необоснованны, так как эти мине-

ралы образуются при диагенезе.

Как известно, литологи четко делятся на два лагеря: на спе-

циалистов по песчаникам и специалистов по карбонатным поро-

дам,

и они очень мало связаны между собой. Обе группы избе-

гают изучать глины —самые распространенные из всех осадоч-

ных пород. И все же минералогия глин, исследуемая методами

рентгеновской дифрактометрии, не так уж сложна, и она вполне

по силам большинству литологов, тем более что основные све-

дения можно найти в имеющихся сводках [177, 326].

Хорошо уже то, что глины состоят из небольшого числа гео-

логически важных минералов. Самый распространенный из

них — иллит дает не очень много сведений, но большая доля

каолинита означает близость теплой влажной суши, которая и

была, вероятно, источником осадочного материала [176, 187].

Напротив, глины, образовавшиеся в солончаковых, озерных или

паралических условиях при засушливом климате, часто харак-

теризуются такими богатыми магнием минералами, как сепио-

лит и палыгорскит

[246].

Глины, состоящие преимущественно

или полностью из смектита и акцессорных цеолитов, образова-

лись, вероятнее всего, из материала вулканического происхожде-

ния [187, 247]. Обилие хлорита (его нельзя считать глинистым

минералом) указывает на близость сравнительно невыветрелых

массивов метаморфических пород, таких, как в высокоширотных

районах нынешних континентальных окраин Северной Атлан-

тики

[176].

Следует упомянуть и о нескольких других глинистых мине-

ралах, наиболее пригодных для анализа методом рентгеновской

дифрактометрии. Глауконит может быть (за исключением не-

которых сомнительных случаев} хорошим индикатором морских

условий, а вместе с коллофаном (колломорфный апатит)—по-

казателем медленного осадконакопления. Окислы алюминия

T ПРИНЦИПЫ H МЕТОДЫ ФАЦИАЛЫЮГО АНАЛИЗА

бёмнт и диаспор вместе с гематитом — главные составные части

семейства бокситов и латеритов, имеющего важное значение

для палеоклиматических исследований.

Геохимия. В 1960-х годах была проведена значительная ра-

бота по изучению рассеянных элементов в глинистых породах

с целью использования этих элементов как индикаторов соле-

ности при осадкопакоплепии. Анализу было подвергнуто много

образцов осадочных пород Северной Америки

[362],

различных

по возрасту, происхождению, тектонической обстановке, скоро-

сти осадконакопления и климатическим условиям. Результаты,

полученные для древних и молодых пород, были во многом

сходными, что указывает на слабое изменение содержания рас-

сеянных элементов после отложения осадочного материала.

Как правило, содержание бора, хрома, меди, галлия, никеля и

ванадия было значительно выше в морских осадках, чем в кон-

тинентальных.

Из всех микроэлементов наибольшее внимание привлекает

к себе бор

[200];

он может быть показателем солености бас-

сейна, хотя здесь существует ряд ограничений. Накопление бора

зависит от минералогии и гранулометрического состава глин и

от температуры. Кроме того, чтобы данный элемент был абсор-

бирован до насыщения, должно пройти значительное время.

Для анализа должны выбираться образцы, примерно одинако-

вые по минералогии, зернистости и условиям диагенеза. Оче-

видно, содержание бора нечувствительно к быстрым флюктуа-

ция

солености, которые лучше оцениваются путем анализа

фауны. Анализ же содержания бора или других рассеянных

элементов (в частности, упомянутых выше) имеет наибольшее

значение для пород, лишенных фауны, например для осадочных

пород протерозоя.

Отношение изотопов кислорода в ископаемых раковинах

впервые начали изучать в 1950-х годах. Данную характеристику

предполагалось использовать как возможный показатель палео-

температуры. Однако это отношение зависит также от солено-

сти,

и в ходе исследований становилось все яснее, что отношение

O/'

0 — ненадежный инструмент для изучения палеотемпера-

тур в горных породах, обнажающихся ныне на континентах

(см.,

например, [187]). Отчасти это связано с диагенстическими

изменениями породы после се образования и с циркуляцией по-

верхностных вод. С другой стороны, раковины фораминифер от

позднемелового до современного возраста, найденные в керне

скважин глубоководного бурения, показали интересные и, по*

видимому, надежные результаты (см. гл. 7). В сочетании с отно-

шением

С/

С данные об изотопах кислорода могут дать цен-

ные сведения об изменении солености в морских и неморских

условиях, если только удается установить, что влияние диаге-