Фациальный анализ

Восстановление физико-географических обстановок. Фации и формации. Типы.

Фациальный анализ.

Одной из важных задач исторической геологии является восстановление физико-географической обстановки, в которой образовались породы. В процессе решения этой задачи геолог восстанавливает палеогеографические особенности прошлых эпох: характер древнего рельефа на суше или на морском дне, очертания береговой линии, распределение осадков на морском дне или в пониженностях рельефа на суше, климат, глубину моря, соленость и температуру морской воды, состав органического мира и т. д.

Основой этих реконструкций является метод актуализма, провозглашенный в 1833 г. знаменитым ученым естествоиспытателем Ч. Лайелем в книге «Принципы геологии». Сформулированное им положение гласило, что современные природные процессы являются ключом к познанию процессов далекого геологического прошлого. Сущность этого подхода заключается в том, что все прошлые геологические процессы полностью отождествляются с современными и эти процессы оставались неизмененными сотни миллионов лет. Иными словами, между современными и древними процессами проводится прямая аналогия. Следовательно, для того чтобы воссоздать условия накопления каких-либо отложений, их необходимо, в первую очередь, детально изучить: определить состав, строение, фауну, флору и т.д. и сравнить эти отложения с такими же, но современными, обстановку формирования которых мы хорошо знаем.

Так, если в древних отложениях мы наблюдаем грубые песчаники и конгломераты, то это, скорее всего прибрежная, очень мелководная зона. Если же есть тонкая глина, то она сформировалась в относительно глубоководной обстановке, гораздо дальше от берега. Известняки образовались в теплом, мелководном море, на глубинах, не превышающих 100-300 м. Прослои вулканического туфа образовались при эксплозивных извержениях вулканов, как это происходит и в наши дни. Лавовые потоки разной формы и состава также изливались из жерл и кратеров и обладали такой же вязкостью, как и при современных извержениях. Характер фауны, ее обилие, толщина и форма раковин – все это позволяет сравнивать современные биоценозы (совместно обитающие организмы) и условия их обитания с древними ориктоценозами, т.е. сообществами ископаемой фауны. Если организмов много и наблюдается большое разнообразие их видов, то это свидетельствует о нормальной солености воды, ее прогретости, мелководности, т.е. условия обитания были благоприятны для жизни организмов. Организмы, имевшие толстые раковины, жили, как и сейчас, в теплом, мелководном море, возможно, в зоне действия прибоя. Напротив, тонкие раковины свидетельствуют о холодном море, с дефицитом растворенного карбоната кальция. Анализ всего комплекса ископаемой фауны позволяет ответить на многие вопросы, касающиеся восстановления среды обитания и физико-географической обстановки данной эпохи.

Восстановить палеотемпературу древних бассейнов и их соленость помогают геохимические исследования изотопов и соотношения различных химических элементов. Так, соотношение изотопов кислорода ¹⁸О/ ¹⁶О в раковинах существующих ныне животных зависит от температуры морской воды. Определяя это отношение в ископаемых раковинах, мы тем самым можем установить и палеотемпературу древнего морского бассейна. Соленость вод устанавливается по отношению изотопов углерода ¹³С/¹²С и по соотношению Sr и Ва. Зная, в каких условиях образуются в наши дни некоторые минералы, например глауконит или фосфорит (нормальная соленость, мелководье, окислительная обстановка), мы можем реконструировать и древние обстановки. Очень многое об условиях накопления пород говорят их состав, характер слоистости, структура и текстура, тип границ между слоями, строение поверхности перерывов и т.д. Климатические обстановки восстанавливаются по наличию рудных образований железа и марганца, бокситов, кор выветривания, каменного угля – это влажный, гумидный климат. В то же время присутствие пестроокрашенных песчаников, каменной соли, гипса, оксидов меди указывает на сухой, жаркий, аридный климат. Размеры обломочного материала – это показатель близости или удаленности области сноса или размыва. Чем крупнее материал, тем она ближе. Резкие изменения на площади литологических особенностей пород говорят о неустойчивости среды и, наоборот, однородный состав отложений, например, верхнемеловых известняков на огромной площади Русской плиты и Предкавказья свидетельствует об устойчивости, неизменной палеогеографической обстановке в позднемеловую эпоху. Хорошо отсортированные, однородные осадки небольшой мощности, тонкий гранулометрический состав типичны для равнинных, слабо расчлененных участков суши, тогда как быстрая изменчивость на площади, плохая сортировка, невыдержанная гранулометрия, грубообломочные породы характерны для горного рельефа. Ископаемые валунные глины - тиллиты однозначно говорят об оледенении в прошлые эпохи и тем самым указывают на местонахождение района в высоких широтах.

Таким образом, используя палеонтологические остатки, литологию пород, их геохимические особенности, соотношение ряда изотопов и другие факторы, опираясь на метод актуализма, можно воссоздать физико-географические условия прошлых эпох. В настоящее время этим же методом реконструируют и древние палеотектонические и геодинамические обстановки.

Сейчас появляется все больше данных, заставляющих в известной мере заново оценить принцип актуализма, особенно в той его части, которая непосредственно не связана с человеческим опытом. Как уже говорилось, актуалистический подход - это всего лишь простая аналогия того, что происходит сейчас, с тем, что происходило раньше. В течение всей истории Земля не оставалась постоянной. Менялись условия, существовавшие на ней, температура, состав атмосферы и воды, климат, свойства и состав земной коры, органический мир непрерывно эволюционировал. Нередко на Землю падали крупные метеориты и астероиды, вызывая экологические катастрофы. Человек не ощущал на своем опыте эвстатические колебания уровня океанов, на его глазах никогда не образовывались игнимбриты – кислые вулканические породы, покрывающие огромные пространства и достигающие в объеме сотен тысяч км³. Мы не знаем, что происходит в периоды инверсии (изменения знака полярности) магнитного поля. Поэтому наш опыт не может служить основанием построения модели для очень многих геологических явлений, происходивших в прошлом. Целый ряд типов отложений не имеют современных аналогов.

В некоторых случаях применение сравнительно-литологического метода, основанного на последовательном сравнении каких-либо современных отложений со все более древними, помогает установить ту эволюцию, которую прошли процессы формирования осадков за длительный период геологической истории. Появляется возможность учета изменившихся условий накопления осадков и реконструкции древних седиментационных обстановок. Немалую сложность создает неоднозначность трактовок актуалистических моделей. Дело заключается в том, что одинаковые осадки могут накапливаться в совершенно различных обстановках. Например, грубые пески и галечники характеризуют не только прибрежные зоны, но могут быть связаны и с течениями в глубоководных участках океана. Тонкослоистые глинистые отложения накапливаются в озерах, старицах, эстуариях, океанических впадинах, дельтах. Это свидетельствует о том, что метод актуализма следует применять осторожно.

Известную помощь в преодолении неоднозначности выводов, сделанных с актуалистической позиции, оказывает метод фациального анализа. Термин фация впервые был предложен в 1838 г. швейцарским геологом А. Грессли, который понимал под ним часть слоя, отличающегося составом, набором органических остатков и строением от других частей этого же слоя. Изучая юрские отложения в Юрских горах, Грессли установил, что хорошо прослеживающиеся здесь на большом расстоянии слои сохраняют один и тот же литологический состав и сходный комплекс окаменелостей не на всем своем протяжении, а только в пределах определенного участка. Часть слоя горной породы, которая на всем участке своего распространения имеет один и тот же состав и сходный комплекс окаменелостей, Грессли и назвал фацией. Фации испытывают изменения по мере движения по слою, эти изменения называются фациальными.

Каждой фации какого-либо слоя, пачки слоев или толщи отвечают только ей свойственные обстановки осадконакопления. Закономерное сочетание фаций помогает ответить на многие вопросы, без такого анализа остающиеся нерешенными, и это можно проиллюстрировать на конкретном примере. В позднем плиоцене Большой Кавказ уже представлял собой горную страну, которая испытывала поднятие, размываясь, поставляя грубый материал в предгорья, где, выходя из ущелий и горных долин, реки откладывали мощные толщи галечников в огромных веерообразных конусах выноса – "сухих дельтах". Формировался валунный и галечниковый шлейф предгорий, сменявшийся в сторону от гор более тонким обломочным материалом: песками, мелкими галечниками и глинами в застойных котловинах. Со стороны Каспия в передовой предгорный прогиб периодически вторгалось море, что было связано как с опусканием территории, так и с повышением уровня воды в Каспии.

Морские мелководные осадки представлены тонкими слоистыми глинами, песками, глинистыми известняками, с остатками морской фауны – пелециподами (двустворчатыми моллюсками). На Большом Кавказе в районе Казбека в это время происходили мощные эксплозивные извержения, вулканический материал которых как по воздуху, так и по долинам рек, текущих к северу, главным образом по Тереку, далеко выносился на предгорную равнину, местами переслаиваясь с морскими отложениями. Все это создавало очень сложное чередование фаций в пределах одновозрастной верхнеплиоценовой толщи.

Грубые валунно-галечниковые отложения сменялись по простиранию более тонкими аллювиально-пролювиальными отложениями, которые, в свою очередь, замещались маломощными тонкообломочными морскими, а на меридиане р. Терек все они замещались грубой обломочно-вулканогенной толщей с прослоями пемзы, пеплов и вулканических туфов. При извержениях таяли ледники, давая начало бурным селевым потокам, следы которых в виде прослоев крупных валунов наблюдаются далеко на севере в предгорьях.

Как можно видеть, смена фаций происходит не случайно, а вполне закономерно, отражая сложившиеся в позднем плиоцене физико-географические условия в предгорьях Большого Кавказа. Изучая эту закономерную изменчивость, мы получаем возможность реконструировать физико-географическую обстановку той эпохи – выделить морской бассейн, его береговую линию, область суши, в предгорьях крупные конусы выноса и т.д.

Более полно представить всю эту сложную картину нам помогает карта фаций, или литофаций, на которой показываются все эти фации на площади, что, в свою очередь, позволяет с достаточной точностью восстановить палеогеографическую ситуацию в регионе, отражаемую на специальной палеогеографической карте, где изображаются горы, предгорная равнина, прибрежная заболоченная суша, береговая линия моря, мелководный морской бассейн и т.д.

Фации могут быть ископаемыми, представленными горной породой, и современными – в виде еще не уплотненного осадка. Среди ископаемых и современных фаций выделяют два главных типа: морские и континентальные. Каждая фация формируется на определенном участке морского дна или суши в определенных физико-географических условиях. Поэтому, изучая ту или иную фацию, можно восстановить не только место, но и условия ее формирования: климат, глубину морского дна, температуру, соленость морской воды и т. д. Изучая несколько одновозрастных фаций, можно сделать выводы о физико-географических условиях времени накопления этих фаций на всей площади их распространения.

На основании фациальных исследований в составе земной коры выделяют отдельные фации. Фации осадочных пород по месту их образования принято делит на три основные группы:

· морские фации;

· переходные фации:

· лагунные фации;

· дельтовые фации;

· континентальные фации.

При фациальном анализе подробно изучают состав осадочной породы (литология) и выясняют условия ее образования, а также состав ископаемой фауны и флоры и выясняют условия их обитания. Поэтому фациальный анализ распадается на две части: литологический анализ – метод восстановления палеогеографической обстановки по породам и биономический анализ – метод восстановления палеогеографической обстановки по окаменелостям. При проведении фациального анализа геологи широко используют принцип актуализма – принцип восстановления процессов и явлений прошлых эпох при помощи прямой аналогии с процессами и явлениями современности. Этот принцип стали использовать еще в начале прошлого столетия. В России его применял Д. И. Соколов, а в Западной Европе – Ч. Лайель. Изучая современные фации, геологи используют полученные данные для расшифровки условий формирования ископаемых фаций. Используя данные о современных геологических явлениях для объяснения явлений геологического прошлого, нужно всегда учитывать непрерывное развитие и изменение природы. Чем дальше от нас геологическое прошлое, тем труднее провести аналогию между настоящим и прошлым, тем существеннее должна быть поправка в окончательные результаты палеогеографических выводов.

Форм а ции геологические, геоформации, геогенерации, естественная совокупность горных пород, минералов и руд, тесно связанных друг с другом парагенетическими отношениями, близких по возрасту и по геологической обстановке образования. Понятие "формация" возникло в 18 в. для обозначения крупных толщ осадочных пород, выделяемых по преобладанию или определённому сочетанию некоторых их типов и месту в общей последовательности геологических напластований (например, древний красный песчаник, писчий мел в Европе). В дальнейшем этот термин, особенно в рус. и советской геологии, утратил своё стратиграфическое значение и приобрёл генетический (парагенетический) смысл; лишь в амер. литературе термин "формация" применяется для обозначения подразделений региональных литостратиграфических шкал, примерно соответствуя рус. термину левита". Франц. геолог М. Бертран рассматривал (1897) Ф. как "горные фации" (например, флиш, молассы

Понятие Ф. распространено на магматические (Ф. Ю. Левинсон-Лессинг, Ю. А. Кузнецов, Ф. Тёрнер, Дж. Ферхуген), метаморфические (А. А. Маракушев, Н. Л. Добрецов, В. С. Соболев и др.) и метасоматические (Д. С. Коржинский, В. А. Жариков, Б. И. Омельяненко и др.) породы.

Большой вклад в учение о Ф. внесли рус. и советские исследователи; в работах В. В. Белоусова, Н. Б. Вассоевича, А. Б. Ронова, В. Е. Хаина, Н. П. Хераскова, Н. С. Шатского и др. под осадочной Ф. понимается крупное, примерно отвечающее по объёму геологическим системам, отделам или их частям, закономерно повторяющееся сочетание определённых типов горных пород, свидетельствующее об устойчивости обстановки их образования. Каждая Ф. характеризуется общностью состава, строения и распространения, отражающих сё формирование в определённых палеогеографических условиях, господствующих на определённом этапе развития той или иной тектонической области (зоны), со свойственными ей тектоническим режимом и климатом. Ф. – это комплексы фаций и генетических типов отложений. Границы Ф. могут скользить во времени; различные типы Ф., повторяясь в отложениях разного возраста, несколько изменяют свои особенности.

Выделение Ф. производится по вещественному составу, а их классификация осуществляется прежде всего по тектоническому признаку с учётом климатических условий, в отдельных случаях играющих весьма важную роль. Три главные группы Ф. – осадочные, вулканогенные, магматические – нередко сами встречаются в определённом сочетании; так, вулканогенные и интрузивные Ф., связанные общностью магматических очагов, образуют т. н. вулкано-плутонической ассоциации (например, трапповая ассоциация платобазальтов, долеритов и габбро-диабазов; ассоциация андезит-липаритовых вулканитов и гранитоидов). Подобные ассоциации могут образовывать также магматические и осадочные Ф. – например, офиолитовая ассоциация ультраосновных и основных интрузивных пород, основных лав и кремнисто-карбонатных глубоководных осадков; сланцево-диабазовая ассоциация глинистых сланцев, спилитов, диабазов и т.п.

Ф. сочетаются в латеральные (по площади) и вертикальные ряды; смена Ф. по латерали соответствует тектонической и климатической зональности, по вертикали – смене стадий развития отдельных крупных тектонических зон – платформ, эвгеосинклиналей и миогеосинклиналей, орогенов (отсюда термин Н. Б. Вассоевича "геогенерация", 1940, 1966). Типичный пример вертикального ряда осадочных геосинклинальных Ф. – аспидная (сланцевая) Ф., флиш-моласса и др. По Ф. можно определять тип тектонической структуры и стадию её развития, а также общую климатическую обстановку в период образования данной Ф.

Учение о магматической Ф. успешно развивается в СССР Ю. А. Кузнецовым как особое научное направление, возникшее на стыке тектоники и петрологии. Магматические Ф. – сообщества магматических горных пород, возникающие в определённой геологической обстановке и отвечающие отдельным этапам развития того или иного участка земной коры.

В основе выделения метаморфических Ф. также лежит принцип общности происхождения метаморфических горных пород, связанных с определёнными тектоническим структурами (подвижными поясами или платформами) на разных стадиях их развития (например, в ранние стадии развития эвгеосинклиналей выделяются метаморфические Ф. спилитов

Понятие о метасоматических Ф. (например, скарновая, грейзеновая, альбититовая Ф.) развито слабее; по ряду признаков они должны относиться к вторичным Ф. С магматической и метасоматической Ф. тесно связаны и ассоциируются рудные Ф. как группы рудных месторождений близкого по составу минерального сырья, образованные в сходных геологических и физико-химических условиях на поверхности или в недрах Земли. Примеры рудных Ф. – хромитовая, пирротин-халькопирит-пентландитовая и др. Учение о рудных Ф. (А. Г. Бетехтин, Ю. А. Билибин, И. Г. Магакьян, Р. М. Константинов, В. А. Кузнецов, В. И. Смирнов и др.) развивается как особая ветвь науки о рудных месторождениях.

С определёнными типами Ф. связаны определённые типы полезных ископаемых, чем определяется большое значение формационного анализа не только в литологии, палеогеографии и тектонике, но и для познания закономерностей размещения различных полезных ископаемых и разработки научных основ их поисков.