Курс лекций: Основы геологии

Местные единицы носят названия: серия, свита, пачка, слой.

Свита - основная единица из местных стратиграфических подразделений, с которой имеют дело в геологии. Свитой называется совокупность отложений, образовавшихся в данном регионе в определенных физикогеографических условиях и занимающих в нем определенное положение. Обычно стратиграфический объем свиты соответствует значительной части яруса, иногда почти целому ярусу или даже нескольким ярусам. Свита подразделяется на подсвиты (нижнюю, среднюю и верхнюю). Обычно свите дают географическое название той местности, где ее впервые установили или где она имеет наиболее характерный разрез, например: березовская (установлена у пос. Березовка), джангодская (выделили на р. Джангода) свиты.

2.3 Ископаемая фауна и флора

Породы фанерозоя в большей или меньшей степени насыщены органическими остатками. Наука, изучающая древние растения, называется палеоботаникой, древних животных - палеонтологией. Все организмы классифицируют на типы, классы, отряды, роды, виды.

Международная стратиграфическая шкала построена на палеонтологических данных. Выделяют так называемые руководящие формы, т.е. такие остатки, по которым можно точно установить возраст. На рис 2.4 показаны основные группы фауны, по которым определяют возраст пород. Например, трилобиты как класс жили от кембрия до перми. Собственно говоря, палеозой и выделен-то в отдельную стратиграфическую группу потому, что в этих отложениях встречается определенный комплекс ископаемой фауны и флоры, в том числе и трилобиты. Найти остатки этих животных в мезозое или кайнозое невозможно, потому что они вымерли в конце палеозойской эры. Бывают, правда, редчайшие исключения, когда фауна переотложена: древние породы разрушились, а их содержимое попало в молодые образования.

Рис. 2.4. Относительное хроностратиграфическое значение основных групп морских беспозвоночных в течение геологического времени

Группы: 1 -- важные для планетарных хроностратиграфических корреляций; 2 -- применяющиеся для региональных корреляций, 3 -- иногда используемые для местных корреляций.

Но в таких случаях сохраннность остатков очень плохая, и они соседствуют с другими, более молодыми ископаемыми.

Eще один яркий пример узкого стратиграфического распространения - граптолиты. Это подтип гемихордовых, который жил от среднего кембрия до раннего карбона. Ордовикские и силурийские отложения прекрасно расчленяются по граптолитам. Аммониты - главная фауна в датировке возраста мезозойских пород.

Вид - основная единица, которой оперируют палеонтологи. По видам выделяют зоны, самые мелкие стратиграфические подразделения международной шкалы. Вид имеет родовое и видовое латинское название, после них указывается по-латыни фамилия автора, который впервые установил этот вид. Например, Pyrulina nux Lutova - вид nux рода фораминифер Pyrulina; вид впервые установила палеонтолог Лутова.

Морские животные делят на нектон - свободно плавающие (рыбы, кальмары, медузы), планктон - «висящие» в воде (диатомовые водоросли, радиолярии, фораминиферы) и бентос - ползающие и прикрепленные ко дну (двустворки, кораллы, губки). Для глобальных сопоставлений особенно важен нектон, для палеогеографических построений - бентос.

Одновозрастность отложений разных климатических зон, удаленных друг от друга на тысячи километров, устанавливают с помощью последовательного сопоставления ареалов обитания ископаемой фауны. Большое значение для расчленения и сопоставления отложений на разных континентах имеет спорово-пыльцевой анализ, потому что споры и пыльца растений разносятся ветрами практически по всему земному шару.

Окаменелости, за исключением рифовых отложений и ракушечников, находятся в виде отдельных включений в слое. Поэтому чрезвычайно важно уяснить, насколько случайны находки раковин в керне скважин; особенно редки целые экземпляры хорошей сохранности. Ценность таких находок для науки и практики невозможно переоценить. Раковины из керна скважин нельзя трогать до приезда специалиста, чтобы не перепутать место их нахождения или, что еще хуже, утерять их.

При отборе фауны из керна скважин каждый образец аккуратно укутывают мягкой ватой, чтобы при транспортировке раковина не разбилась, заворачивают в бумагу и дважды маркируют: одну этикетку кладут внутрь свертка, а на обертке снаружи надпись повторяют. На этикетке указывают дату, номер скважины, интервал отбора керна и глубину, с которой взят образец.

Для датировки отложений по керну скважин первостепенное значение имеет микрофауна - мелкие, от долей миллиметра до 1, реже 2 мм раковинки, обычно не видимые простым глазом, а различимые только под микроскопом. Это в основном остракоды и фораминиферы. Встречаются в породах они несравненно чаще, чем крупные раковины двустворок, брахиопод, аммонитов, трилобитов. Иногда их количество может достигать десятков тысяч экземпляров на 100г породы. Поэтому микропалеонтология получила интенсивное развитие именно в связи с бурением скважин.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое шкала абсолютной геохронологии и на чем она основана?

2. Назовите методы, используемые для определения абсолютного возраста горных пород.

3. Назовите принципы стратиграфии.

4. Скользят ли во времени границы геологических слоев?

5. Что такое относительный возраст горных пород?

6. Назовите геологические системы.

7. Расскажите о соотношении понятий толща пород - время ее образования.

8. Что такое свита?

9. Что такое руководящие формы?

10. Какие группы фауны используют при датировке отложений по скважинам?

3. МИНЕРАЛЫ

Изучение вещества Земли ведется в разном масштабе - от мелкого, соответствующего химическим элементам и их составным частям, до очень крупного, соответствующего континентальным массивам и плитам, вплоть до Земли в целом. Между этими крайними объектами различают две важные группы образований: минералы и горные породы.

Минералы - это природные неорганические химические твердые вещества, обладающие характерной кристаллической структурой. Обычно горная порода состоит из нескольких минералов, но иногда - только из одного, как, например, известняк или мрамор; они состоят из одного минерала - кальцита. Значение минералов двояко: во-первых, они позволяют классифицировать горные породы, а во-вторых, указывают на условия их образования. Сейчас науке известно более 4000 минералов.

3.1 Химические соединения

Процентное содержание элемента в земной коре до глубины 16 км называется кларком. Химические анализы показывают [1], что на 98,5 % масса земной коры состоит только из восьми элементов (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Кларки химических элементов

Еще 1 % составляют 6 элементов (в порядке убывания): титан, водород, фосфор, марганец, фтор, сера. Остальные элементы периодической системы составляют всего полпроцента.

Именно потому, что число основных химических элементов невелико, количество главных породообразующих минералов ограничено. Несколько элементов, особенно благородные металлы и углерод в форме графита и алмаза, могут встречаться в чистом виде, но большинство элементов образует химические соединения.

Соединения кислорода наиболее обычны, поскольку он самый распространенный элемент на Земле. Кремний и алюминий, занимающие второе и третье места, обеспечивают образование силикатных и алюмосиликатных минералов. По цвету породообразующих минералов часто можно судить об их химическом составе. Светлоокрашенные силикатные и алюмосиликатные минералы содержат K, Na и Ca, а темноокрашенные - Mg и Fe.

Для выяснения химического состава минерала проводят его химический анализ. Формулы могут быть эмпирическими, показывающими только химический состав, и структурными, дающими представление о пространственном расположении атомов в минерале и их связи между собой. В минералах можно выделить катионы и анионные комплексы, характеризующие типы кристаллических структур. При написании формул минералов анионные комплексы принято отделять от катионов квадратными скобками. Так, эмпирическая формула белой слюды мусковита H2KAl3Si3O12, а структурная KAl2[AlSi3O10](OH,F)2. Последняя показывает, что в структуре мусковита имеется сложный анионный комплекс и что вода в мусковите находится не в виде H2O, а в виде гидроксила (OH)1-, причем этот гидроксил может быть в свою очередь замещен фтором F1-. Широко распространенный минерал кальцит записывается как Ca[CO3]. Однако не будет ошибкой написать формулу кальцита и в виде CaCO3.

Часто в минералах, кроме основных элементов, наблюдается большее или меньшее количество других примесей. Изоморфизм - явление, выражающиеся в способности химических элементов (атомов) замещать друг друга в кристаллах и минералах. Различают два вида изоморфизма: более простой, когда взаимозамещаются ионы с одинаковой валентностью, - он называется изовалентным, и сложный, когда происходит замещение ионов разных валентностей, - это гетеровалентный изоморфизм. Примерами изовалентного изоморфизма служат замещения Mg2+ на Fe2+ в оливине (Mg, Fe)2[SiO4]; гетеровалентного - 2Al3+ на 3Mg2+ в слюдах. Особенно характерны изоморфные замещения в рядах K - Rb, Ca - Sr, Au - Ag, S - Se, Ta - Nb, Zr - Hf и др. Кларки некоторых элементов настолько малы, что они в природе не образуют чистых минералов и тем более самостоятельных месторождений. Зато эти элементы часто присутствуют в виде изоморфных примесей в других широко распространенных минералах, и их можно оттуда извлекать. Например, кадмий и индий обычно присутствуют в цинковых обманках ZnS.

Классический пример изоморфных рядов минералов - плагиоклазы из группы полевых шпатов. Плагиоклазы еще называют твердыми растворами, потому что они образуют непрерывный ряд, отличающийся содержанием кремнезема:

альбит Na[AlSi3O8] (69 % SiO2)

олигоклаз андезин лабрадор битовнит анортит Ca[Al2Si2O8] (43 % SiO2)

3.2 Кристаллическая структура

Минерал имеет постоянный химический состав. Например, галит (обычная поваренная соль) имеет химическую формулу NaCl; его кристаллы прямоугольны, похожи на кубики или спичечный коробок, и дальнейшее дробление кристаллов галита дает такие же кубики, только более мелкие. Это свойство свидетельствует о кристаллической структуре минералов и является их наиболее характерной чертой. Крупнейший кристалл в мире - кристалл берилла, найденный на Мадагаскаре, имеет массу 380 тонн, длину 18 м и 3,5 м в поперечнике.

Особенности строения кристаллической решетки минералов устанавливают с помощью рентгеновских методов.

а б

Рис. 3.2. Примеры кристаллических решеток минералов а - алмаз; б - графит

На рисунке 3.2 показано расположение атомов углерода в кристаллических решетках алмаза и графита. Оба минерала имеют один и тот же химический состав - углерод. Но алмаз имеет очень высокую твердость благодаря своей структуре, а графит мягкий, потому что связь атомов между плоскостями в решетке у него слабая. Внешним выражением внутренней структуры минерала служат кристаллы. Это геометрически правильные твердые тела, ограниченные естественными плоскими поверхностями, или гранями.

Симметрия - основное свойство кристаллов. В кристаллографии существует понятие оси симметрии. Ось симметрии - прямая линия, при повороте вокруг которой на определенный угол симметричная фигура займет в пространстве то же положение, которое она занимала до поворота, но на место одних ее частей переместятся другие такие же части. Оси симметрии, встречающиеся в кристаллах, обозначают L2, L3, L4, L6. Угол поворота, при котором элементы фигуры совпадают, составляет при этом 180о, 120о, 90о и 60о соответственно. При таком расположении узлов плоская сетка кристаллической решетки построена без просветов, что приводит к устойчивости структуры. На рис. 3.3 показаны типы плоских сеток многогранников с осями симметрии разного порядка.

а б в

г д

Рис. 3.3 Плоские сетки многогранников Оси симметрии: а - первого порядка; б - второго порядка; в - третьего порядка; г - четвертого порядка; д - шестого порядка

В кристаллических многогранниках присутствуют лишь оси симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядков. Ось первого порядка практически не определяет симметрии кристалла, а осей симметрии пятого и выше шестого порядка в кристаллах не бывает.

Изучение форм, образуемых гранями кристаллов, и углов между гранями позволило создать классификацию кристаллов, разбив их на семь сингоний (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Кристаллографические сингонии