Ix. время в стратиграфии. хроностратиграфические подразделения

В стратиграфии время выступает в качестве основного организующего начала, т.к. все стратиграфические выводы имеют смысл постольку, поскольку они решают вопрос об одновременности или последовательности геологических событий.

«Фундамент корректных, нормальных измерений… образует принцип хронометрии, опирающийся на систему внешнего отсчета. В системе геологических исследований хронометрия представлена геохронометрией, в основе которой лежит принцип Н.А. Головкинского.

Н.А. Головкинский сформулировал следующее положение: «…должно внимательно различать о хронологическом, стратиграфическом, петрографическом и палеонтологическом горизонтах» (Головкинский «О пермской формации в центральной части Камско-Волжского бассейна». Спб.: Тип. Импер. Акад. Наук, 1868. 143 с., с.399). Далее он замечает: «…хронологические горизонты косвенно пересекают все другие» (там же, с. 400).»

«Особенности принципа Головкинского наглядно выявляются при сравнении его со вторым базовым принципом стратиграфии – принципом Стенона, который служит основой литостратиграфии, опирающейся на внутреннюю систему отсчета (эндохронометрию). Принцип Стенона, утверждающий, что при ненарушенном залегании каждый нижележащий слой древнее перекрывающего, переводит пространственные отношения во временные.»

«Касаясь закономерностей, выявленных принципом Стенона, Н.А. Головкинский писал, что «…такое воззрение справедливо только для очень ограниченной местности…» (Головкинский, 1868, с. 397)».

«В переходе стратиграфии от опоры на принцип Стенона к измерениям на основе принципа Головкинского отражена смена двух главных этапов развития стратиграфии…. С наибольшей последовательностью идеи Н.А. Головкинского нашли свое выражение в работах Д.Л. Степанова, который первым выделил хроностратиграфические подразделения, соответствующие определенному интервалу времени независимо от физических свойств отложений (Степанов Д.Л. «Методика стратиграфических исследований // Спутник полевого геолога-нефтяника. Л.: Гостоптехиздат, 1954. С. 3-27). Д.Л. Степанов считал, что эволюция организмов может служить инструментом внешнего отсчета, а измерение событий самими событиями методологически сомнительна (Степанов Д.Л., Месежников М.С. Общая стратиграфия (принципы и методы стратиграфических исследований). Л.: Недра, 1979. 423 с., с. 264).

Большинство стратиграфов, отрицая «абсолютное время» И.Ньютона, рассматривают время как атрибут всех материальных объектов Вселенной. Абсолютное время по Ньютону протекает равномерно и иначе называется длительностью, оно течет «само по себе» и не имеет никакого отношения к чему-либо внешнему, ни к пространству, ни к каким-либо процессам.

Современная физика рассматривает материальный мир одновременно и с пространственных и с временных позиций. Почему? Потому что окружающий нас мир материи изменчив и непостоянен и в пространстве и во времени. Человек без особого труда может осмыслить тот факт, что пространство меняется во времени. Но оказывается, и время меняется в пространстве, или иначе говоря: в разном пространстве - свое время.

А.Эйнштейн, основатель теории относительности, или релятивистской физики, ввел такие понятия как собственное, локальное и универсальное время.

                Собственное время - это временные соотношения между событиями, происходящими только в одной [данной] стационарной системе отсчета.

Собственным временем обладает каждый объект материального мира, например геологическое тело. Какие основные события могут происходить в этих системах (или объектах)? ® Возникновение горной породы (геологического тела) ® метаморфизм ® начало выветривания ® полное разрушение. Перечисленные события соотносятся друг с другом по шкале собственного времени. В этом случае не рассматриваются ни другие объекты, ни другие процессы.

Локальное время определяет временные соотношения между событиями в любой движущейся системе отсчета.

К движущимся системам отсчета в геологии могут быть отнесены разнообразные процессы: орогенез, магматизм, осадконакопление,  развитие гидросферы, развитие биосферы, эрозия и т.д. Для всех этих движущихся систем могут быть предложены свои собственные координаты пространства и времени. Эти координаты, как правило не совпадают между собой. Например, начало формирования земной коры не совпадает с началом осадочного литогенеза и т.д.

Универсальное время - искусственная шкала отсчета, которая применяется для сравнения процессов в разных движущихся системах.

Цель измерения геологического времени заключается в выяснении последовательности геологических событий. Определение момента (когда ?), продолжительности (как долго ?) и последовательности (в каком порядке ?) событий прошлого возможно лишь путем установления порядка напластования и взаимоотношений геологических тел, слагающих литосферу.

Поставленная цель определяет основное требование к шкале геологического времени: ее деления должны быть узнаваемы и хорошо отличимы одно от другого.

Возникает необходимость сопоставления координат разных геосистем с помощью одной привилегированной системы отсчета — системы отсчета геологического времени. Общепризнанным инструментом получения данных в условных абсолютных единицах времени являются методы радиологической датировки. Без них невозможно было бы составить представление о длительности используемых геохронологических подразделений. Наличие хронологической шкалы позволяет определять как последовательность, так и одновременность событий.

Геохронометрические методы

Геохронометрические методы объединяют приемы, определяющие в стандартных единицах физического времени (в годах) удаленность образования геологических объектов от современности… или продолжительность их существования…. Для определения так называемого абсолютного возраста (устаревший термин) применяются «…изотопные, или радиометрические, или изотопно-геохронометрические методы. Они основаны на особенности радиоактивных химических элементов, входящих в состав многих минералов, преобразовываться в их стабильные изотопы с постоянной скоростью, свойственной каждому элементу. Устанавливая соотношение мобильные и стабильных изотопов в анализируемой пробе, можно определить в единицах астрономического времени удаленность образования радиоактивного элемента и, соответственно, возраст породы, в строении которой принимает участие исследуемый минерал…

…Определение возраста горных пород явилось первым практическим применением процесса радиоактивного распада, открытого А.Беккерелем. Уже в 1902 г. П.Кюри показал, что это явление дает человеку меру времени, а в 1904 г. Э.Резерфорд и Б.Болтвуд доказали постоянство отношений U/Ra и U/Th в земных телах. Исследования А.Холмса заложили основу методики определения геологического возраста пород по изотопам и привели в созданию первой геохронологической шкалы.

В настоящее время изотопные методы основаны на распаде тех радиоактивных элементов, которые преобладают в земной коре. Из приблизительно 1600 природных и искусственных изотопов только 272 стабильны…. Для определения возраста используются долгоживущие радиоактивные изотопы. Применение этих методов корректно лишь при двух допущениях: 1) скорость радиоактивнго распада неизменна в течение всей геологической истории, 2) все устойчивые изотопы образовались в анализируемом минерале только за счет распада исходных радиоактивных изотопов. Данное допущение непосредственно проверить невозможно, его можно лишь проконтролировать путем сравнения с результатами определения возраста того же объекта другими методами…

…Наиболее применимые в геологической практике методы изотопного определения возраста следующие.

Калий-аргоновый метод. Используется для магматических и метаморфических пород по минералам, содержащим калий (слюды, полевые шпаты, роговые обманки, пироксены), для осадочных пород – по глаукониту. Глауконит предварительно должен быть исследован на предмет отсутсвия изменений вторичными процессами. Смысл анализа измененного глауконита отсутствует, т.к. будет определен возраст перехода глауконита в измененное состояние, а не возраст образования породы. Погрешность метода составляет 4\%. Наиболее надежным считается для среднепалеозойских и кайнозойских образований….

….Рубидий-стронциевый метод. Применяется для магматических и метаморфических пород по минералам, содержащим рубидий (амазонит, биотит, мусковит, микроклин). Точность метода составляет 3-5\%. Применяется для докембрийских и фанерозойских образований…

…Свинцовый метод. Используется преимущественно для докембрийских в двух вариантах: свинцово-изотопном и свинцово-изохронном. При первом варианте исследуются минералы, содержащие уран и торий: уранинит, настуран, монацит, циркон, ортит, колумбит и др. Погрешность составляет 5\%. Во втором варианте исследуют породы: гнейсы, кристаллические сланцы, мраморы, джеспиллиты, известняки. Возрастполучается по четырем изотопным отношениям: 207Pb/235U, 206Pb/238U, 208Pb/232Th, 207Pb/206Pb. Совпадения результатов свидетельствуют о их достоверности. Наиболее близки к истинным значениям отношения 207Pb/206Pb для докембрия, остальные – для фанерозоя….

Уран-свинцовый изохронный метод в настоящее время считается наиболее точным (погрешность – доли \%)…

…Радиоуглеродный метод. Примеянется только для позднего плейстоцена - голоцена, от 1 до 60 000 лет. Этим методом исследуются объекты органической природы: древесина, древесный уголь, торф, кости, раковины, сталактиты, в которых содержится естественный радиоуглерод 14С. Погрешность метода – 5\%....

В настоящее время разрабатываются калий-кальциевый и уран-ксеноновый методы датировок докембрийских образований. Кроме того, ведется работа по применению почти по всем перечисленным методам нейтронно-активационных вариантов, которые смогут датировать открытые системы….

…При использовании единиц времени в геологии рекомендуется международная система сокращенных обозначений с буквой «а» (от лат. annum – год): Ка (Kilo-annum) – 103 лет, Ма (Mega-annum) – 106 лет, Ga (Giga-annum) – 109» (цит. по Прозоровскому, 2003, с. 132-137).

Хроностратиграфические подразделения (Международный Стратиграфический Справочник-1999, Episodes, 1999, vol. 22, no. 4)

Хроностратиграфические подразделения - это совокупность пород, как слоистых, так и неслоистых, которые сформировались в течение определенного интервала геологического времени. Подразделения геологического времени, в течение которых сформировались хроностратиграфические подразделения, называются геохронологическими подразделениями.

1. Хроностратиграфия. Раздел стратиграфии, который изучает временные соотношения и возраст совокупностей пород.

2. Хроностратиграфическая классификация. Организация пород в подразделения на основе их возраста или времени образования.

Целью хроностратиграфической классификации является организация пород, образующих земную кору, в подразделения, имеющие собственные названия (хроностратиграфические подразделения), соответствующие интервалам геологического времени (геохронологические подразделения) и служащие основой временной корреляции и системы регистрации событий геологической истории.

3. Хроностратиграфическое подразделение. Совокупность образований, которая включает все породы, сформировавшиеся за определенный промежуток времени. Хроностратиграфические подразделения ограничены синхронными горизонтами. Ранг и относительная величина подразделений в хроностратиграфической иерархии определяются продолжительностью временного интервала, который они отражают, а не их физической мощностью.

4. Хроностратиграфический горизонт (хроногоризонт - Chronohorizon). Стратиграфическая поверхность или плоскость, которая является повсеместно одновозрастной.

Международный стратиграфический справочник рекомендует следующие официальные хроностратиграфические термины и геохронологические эквиваленты для обозначения подразделений различного ранга и временного объема. Принятая иерархия официальных хроностратиграфических и геохронологических терминов Хроностратиграфические: Эонотема Эратема Система Серия = Отдел Ярус Подъярус; Геохронологические: Эон Эра Период Эпоха Век Подвек или век.

Ярус (и век). Ярус назван основным рабочим подразделением хроностратиграфии, так как он соответствует по своему рангу и объему целям внутрирегиональной хроностратиграфической классификации. Ярус включает все породы, сформировавшиеся в течение века. Ярус - это подразделение наименьшего ранга в хроностратиграфической иерархии, которое может быть выделено в глобальном масштабе. Он является подразделением серии=отдела. Ярус определяется по стратотипам его границ в разрезах, которые внутри непрерывной стратиграфической последовательности отложений, предпочтительно морских, содержат обозначенную точку, выбранную для потенциальной корреляции.

Обратимся с Стратиграфическому Кодексу России (2006). В нем нет отдельно выделенных хроностратиграфических подразделений. Стратиграфическим кодексом предусмотрены две группы стратиграфических подразделений — основные и специальные.

Среди основных терминов СК-2006 упомянуты следующие: стратотип стратиграфической границы, точка глобального стратотипа границы и шкала геологического времени, что несомненно является огромным прогрессом российской стратиграфии на пути адаптации к принципам стратиграфии, действующим во всем остальном научном сообществе.

«Стратотип стратиграфической границы (лимитотип) — выбранный в качестве эталонного разрез, в котором фиксируется положение нижней границы стратона.

Точка глобального стратотипа границы (Global Stratotype Section and Point) — точка, выбранная в конкретном разрезе толщи пород и в определенном географическом районе, являющаяся стандартом для определения нижней границы каждого подразделения Общей стратиграфической шкалы…

…Шкала геологического времени (Геохронометрическая шкала) — последовательный ряд датировок нижних границ общих стратиграфических подразделений, выраженных в годах и вычисленных с помощью изотопных и других методов» (цит. по Стратиграфическому Кодексу, 2006, с. 14-15).

Рис. 9.1. Международная стратиграфическая шкала (www.stratigraphy.org)

В опубликованном Международной комиссией по стратиграфии (МКС) варианте Международной стратиграфической шкалы (МСШ) – Шкале геологического времени – 2004 (ШГВ–2004) (Gradstein et al. 2004) (рис. 9.1) фактически предложены новые правила проведения ярусных границ в осадочных бассейнах. В понятие «ярус» вложен однозначный хронологический смысл. Его начало определяется конкретной временнόй датой, которая закреплена «золотым гвоздем» в стратотипе ярусной границы. Прослеживание ярусной границы рекомендуется проводить с применением руководящего корреляционного события (рrincipal correlative event).

Для проведения нижних границ ярусов выбраны самые разнообразные руководящие корреляционные события – по смене разных фаунистических групп (для маастрихта – 12 равнозначных биособытий), по основанию магнитных хронов (апт, танет), по наличию глобальной геохимической аномалии (даний) и т.д. Причем руководящие биособытия могут быть основаны на смене (появлении или исчезновении) различных фаунистических групп: двустворок (коньяк, сантон), лилий (кампан), аммонитов (турон, баррем, готерив, титон, кимеридж, келовей, бат, байос, аален и др.), планктонных фораминифер (сеноман), известкового наннопланктона (танет, зеландий, альб) (Gradstein et al. 2004). В большинстве случаев для проведения ярусной границы предложено несколько событий, и лишь в исключительных случаях (пример – апт) МКС не удалось увязать ярусную с глобальным исчезновением или появлением организмов.

Несмотря на то, что ярусные границы провозглашены МКС изохронными, при их прослеживании на основе рекомендованного корреляционного события синхронными они быть не могут в силу диахронности самих событий. На этот неоспоримый факт исследователи обращают внимание уже около 140 лет (Головкинский, 1868; Лазарев, 2003). Диахронность биозональных и литологических границ впервые была установлена Н.А. Головкинским, который на примере пермской формации Центральной части Волжско-Камского бассейна открыл чечевицеобразное строение лито- и биостратиграфических горизонтов, формирование которых он связывал с миграцией береговой линии (рис. 9.2.). Говоря современным языком, «чечевицы» Головкинского явились «прасеквенциями» (Кринари, 2004) или «праклиноформами», а их автор – родоначальником хроностратиграфической концепции.

Рис. 9.2. Рисунки из монографии Н.А.Головкинского, иллюстрирующие «чечевицеобразное» строение литологического тела, образовавшегося при миграции береговой линии.

Н.А. Головкинский отмечал: «… с каждым новым исследованием открывались новые факты, обнаруживающие неправильность учения об одновременном существовании и одновременном исчезновении повсеместных фаун. Понятие о медленном изменении органического населения и о фациях постепенно вырабатывалось и теперь едва ли какой-нибудь геолог…, будет отвергать для различных местностей разновременное существование одинаковых форм и одновременность различных» (Головкинский, 1868). Остается только констатировать, что идеи Н.А. Головкинского, не принятые и не понятые его современниками, реализовались через 140 лет в новом варианте МСШ.

Руководящее корреляционное событие, как и любое событие в геологической истории, имело некоторую скорость распространения. И чем она меньше, тем больше будет отклонена прослеживаемая граница от виртуальной изохронной линии. Учитывая, что разные фаунистические группы в разные геологические эпохи осваивали морские бассейны и исчезали из них с разной скоростью, границы, проведенные на основе прослеживания биособытий, будут в различной степени диахронными. Ниже будет показано, как можно выявить диахронность нижних границ лито- и биостратонов, используя признак «наибольшего веса» (Мейен, 1981), за который принято событие с наибольшей скоростью распространения.

Границы большинства мезозойских ярусов рекомендовано проводить по смене аммонитовых фаз (Gradstein et al. 2004). По мнению МКС, геоисторическая смена почти всех мезозойских ярусов может быть прослежена в осадочных бассейнах и, в том числе, на РП, путем выделения в разрезах и сопоставления последовательной смены скоррелированных с Западно-Европейским стандартом аммонитовых зон.

Подошвы всех лито- и биостратонов испытывают возрастное скольжение в большей или меньшей степени. Если для определения временного промежутка, в течение которого начинал формироваться лито- или биостратон, использовать несколько последовательностей событий, одна из которых будет представлять собой смену более скоростных событий, возрастное скольжение основания данного стратона проявится отчетливо. Следовательно, историко-геологические этапы, в течение которых происходит формирование лито- или биостратонов, в той или иной степени пересекаются во времени.

Для проведения глобальной границы, максимально приближенной к изохронной линии, требуется выбрать самое высокоскоростное событие из всех доступных для регистрации и проследить его в как можно большем числе разрезов.

Именно по причине возможного пересечения во времени смежных историко-геологических этапов в новом варианте МСШ (ШГВ–2004) осуществлен переход к шкале физического времени, в которой понятие «ярус» нельзя истолковать по-разному.

Контрольные вопросы:

70. Время в стратиграфии (принцип хронометрии, взаимоотношение принципов Стенона и Головкинского, цель измерения геологического времени)

71. Геохронометрические методы

72. Определения и виды хроностратиграфических подразделений (по Степанову, по Международному стратиграфическому справочнику).

73. Основное рабочее подразделение хроностратиграфии, причина перехода стратиграфии от историко-геологического времени к физическому.

74. Стратотип стратиграфической границы, точка глобального стратотипа границы, шкала геологического времени, руководящее корреляционное событие.

75. Шкала геологического времени: методика построения и использования в стратиграфической практике.

76. «Изохронность» ярусных границ при их прослеживании.

77. О скорости геологических событий и возрастном скольжении границ.