Введение к работе
Актуальность работы. Общеизвестно, что в основе всех геологических исследований лежит стратиграфия, которая определяет временную последовательность геологических процессов и базируется на двух методах биостратиграфическом и литостратиграфическом. Но ведущим в определении времени формирования геологических объектов признается все же биостратиграфический метод, главной частью которого является зональная стратиграфия, единственный на сегодня высоко детальный способ возрастной корреляции осадочных толщ.
Как в любом виде геологических исследований в биостратиграфии широко применяется принцип актуализма. Однако истолкование условий существования и развития во времени ископаемых фаун, проводившееся в прошлом веке простым подбором актуалистических аналогий со сходными современными фаунами, привело вначале к необходимости искусственного выбора архистратиграфических групп, а затем повышенной биологизации ископаемых остатков, при которой обнаруженные ориктоценозы возводились в ранг биотопов независимо от геологических условий их формирования. В этом случае органические остатки, чаще всего, рассматривались как биологические объекты, а обилие таксонов или их отсутствие в биофации, интерпретировалось как расцвет или исчезновение. Это приводило к значительным расхождениям в определении биостратиграфических границ и, как следствие, необходимости выделения так называемых «переходных слоев», т.е. отложений которые не имели конкретного возраста. В силу своего положения переходные слои не принадлежали ни одному из контактируемых стратиграфических подразделений и оказывались как бы вне временной шкалы.
Бурное развитие в конце XX века теории тектоники плит еще более осложнило прослеживание возрастных границ, так как в единую вертикальную последовательность часто включались разные по своей геодинамической природе части разрезов, на которые обычно распространялся возраст одного из слагаемых. Особенно положение оказалось сложным в зоне Палеозойского подвижного пояса (к которой относится большая часть территории современного Казахстана), где в результате коллизионных процессов получили широкое развитие покровно-складчатые структуры. Близкий литологический состав разновозрастных осадочных пластин, обусловленный неоднократным повторением во времени сходных седиментационных и тектонических обстановок препятствовал объективному использованию литостратиграфического метода и, как следствие, определению истинного пространственного положения биофаций. Это приводило к значительным расхождениям в определении возраста стратифицированных толщ, не только по разным группам фауны, но и внутри групп.
Сам по себе палеонтологический метод, лежащий в основе биостратиграфии, не мог решить этой проблемы, так как определял только морфологический тип фауны и ее временные ассоциации. Пространственное положение ископаемых остатков или взаимоотношение биофаций с подстилающими и перекрывающими осадками задачи стратиграфического метода, который однако, как показывает практика, не учитывал самого главного – условий формирования наблюдаемых лито- и биофаций. В результате чего биостратиграфические исследования конца XX века в Казахстане по-прежнему шли по пути экстенсивного развития, выбирая для решения возникающих эмпирических проблем компромиссные пути, которые, не устраняя исходной проблемы, приводили к появлению нескольких новых. Поэтому ни разработка новых методов стратиграфии, ни использование новых групп фауны не меняли существующего положения в определении возрастных границ, так как в основе всех интерпретаций и моделей по-прежнему лежали не подтвержденные, а то и опровергаемые опытными наблюдениями, стереотипы. Как это часто бывает в научном поиске, назрела объективная необходимость пересмотра существовавших в стратиграфических исследованиях морально устаревших представлений.
Цель исследований. В основе проводимых исследований лежат две почти равнозначные цели:
Первая это общая цель – усовершенствование региональной стратиграфической шкалы Казахстана на основе комплексного анализа индивидуальных особенностей эволюции Казахстанского бассейна в каменноугольном периоде и приведение ее в соответствие с решениями Международной комиссии по стратиграфии карбона.
Вторая цель прикладная – найти методически новые способы пространственного контроля палеонтологического опробования, которые, используя максимум геологической информации, содержащейся в геологических разрезах, позволяли бы определить индивидуальные черты каждого временного отрезка.
Отсюда и формулировались основные задачи исследований:
Задачи исследований: 1. Провести одномасштабное послойное изучение каменноугольных отложений разных районов Казахстанского бассейна на основе комплексного и равнозначного применения лито- и биостратиграфического методов с использованием экостратиграфического, структурно-тектонического (тектоно-седиментационное моделирование) методов, с последующим бассейновым и палеобиогеографическим анализом. 2. Определить в процессе литофациального моделирования части разрезов, отвечающих регрессивным и трансгрессивным фазам. Установить естественную смену фаунистических комплексов в пределах каждой фазы. 3. Описать преобладающий тип (аллохтонный или автохтонный) ориктоценозов каждой фазы трансгрессивно-регрессивного этапа с определением баланса седиментации наблюдаемой биофации. Установить по брахиоподам палеонтологическую характеристику каждого ориктоценоза с использованием, по-возможности, и других групп фауны. 4. Для аллохтонных ориктоценозов: определить степень транспортировки, характер сортировки и преобладающий морфотип скелетных фрагментов для последующего установления их палеоэкологической принадлежности, частоты переотложения и дальности перемещения от возможных мест обитания. 5. Для автохтонных – морфологический тип, и процентное соотношение чужеродных (привнесенных) скелетных фрагментов. Определить возможный фациальный пояс на момент формирования биофации по вмещающим её литофациям. 6. Провести внутрибассейновую корреляцию по каждому трансгрессивно-регрессивному этапу, определить масштабы проявления и установить ранг наблюдаемых биотических и абиотических событий. При необходимости сделать корреляцию по отдельным фазам этапа. 7. Определить обстановки осадконакопления на основе макроскопического наблюдения текстурно-структурных особенностей и вещественного состава литофаций. Установить преобладающий тип седиментации и сопутствующий ему характер ориктоценозов. 8. Провести внутри региональную и межрегиональную корреляцию установленных одновозрастных и отвечающих одной из фаз трансгрессивно-регрессивного этапа (или одному из этапов) частей разреза осадочных пластин с последующим установлением разноранговых изохронных уровней, отражающих глобальные или региональные события эволюции Казахстанского бассейна. 9. Построить литофациальные схемы и схемы палеобиогеографической реконструкции для каждого стратиграфического уровня, ограниченного одномасштабными изохронными реперами, с целью установления важных для эволюции палеобассейна трансформаций абиотического и биотического характера. 10. Обосновать положение стратиграфических границ подразделений планетарной и региональной стратиграфических шкал на основе установленного тренда эволюции Казахстанского бассейна, отражающего направленность и последовательность биотических и абиотических изменений в течение каменноугольного периода. 11. Построить и обосновать брахиоподовую зональную шкалу и проследить выявленные биозоны в каждом районе Казахстанского палеобассейна.
Научная новизна. Впервые при применении комплексного метода стратиграфических исследований эмпирическим путем был выбран новый базовый репер – совпадение максимума трансгрессии и экологического оптимума, позволяющий с равной степенью возможности использовать данные двух основных методов стратиграфии био- и литостратиграфического. Последовательное чередование экологических оптимумов (максимумов трансгрессий) через поверхности стратиграфических перерывов (максимумы регрессий) позволило установить оптимальные изохронные корреляционные уровни (естественные рубежи), отражающие разномасштабные события эволюции Казахстанского бассейна. С их помощью была проведена последующая прямая корреляция, заключенных между ними разнофациальных разрезов. При биостратиграфических исследованиях каменноугольных отложений, впервые для Казахстана, изучались не только экологический тип и ассоциации населявшей бассейн биоты, но, что наиболее важно, характер посмертного распределения фоссилий, который наряду с вещественным составом литофаций отражает существовавшую на тот момент геодинамическую обстановку и, в последствие, может быть использован при ее моделировании. Определены части разрезов соответствующие двум глобальным (связанным с эвстатическими колебаниями уровня мирового океана) и четырем региональным (связанным с изменениями тектонического режима геодинамической системы Казахстана) рубежам, которые можно рассматривать как изохронные уровни, лежащие в основе границ стратиграфических подразделений. Впервые для каменноугольных отложений Казахстана построена зональная брахиоподовая шкала с прослеживанием каждой зоны по всему региону, что в несколько раз повышает степень внутрибассейновой корреляции.
Практическая значимость. Впервые обоснована необходимость деления каменноугольной системы в Казахстане на две подсистемы, которые отвечают соответственно региональной трансгрессивной и региональной регрессивной фазам фамен-каменноугольной трансгрессии, продолжительность проявления которых связана с геодинамической эволюцией Казахстанской тектонической структуры. Впервые на конкретных разрезах разных районов Казахстана показана последовательность проявления средневизейского регионального события и определены его седиментационные, тектонические и биостратиграфические маркеры, что подтверждает необходимость деления визейского яруса в Казахстане на два подъяруса, а не на три, как принято в настоящее время. Впервые в общей трансгрессивно-регрессивной последовательности фамен-каменноугольной трансгрессии определены четыре самостоятельных трансгрессии (среднетурнейская, поздневизейская, позднебашкирская и среднепенсильванская), отвечающие эвстатическим колебаниям уровня мирового океана в периоды тектонических пауз и, к максимумам которых, приурочены бесспорные биостратиграфические границы. Впервые для каменноугольных отложений Казахстана установлены тринадцать естественных изохронных рубежей, которые используются в качестве разномасштабных корреляционных уровней и лежат в основе границ стратиграфических подразделений. Это позволило значительно повысить точность внутрибассейновой корреляции, обосновать и уточнить границы региональной и планетарной стратиграфических шкал на территории Казахстана.
Публикации и апробация работы. Материалы диссертации вошли в шесть основных и несколько промежуточных научных и производственных отчетов. По теме диссертации опубликовано 35 статей в отечественных и зарубежных изданиях; сделано четыре доклада на Международных совещаниях и конференциях. Отдельные положения работы докладывались: на Уральском межведомственном стратиграфическом совещании по карбону и перми (Сыктывкар, 1989г.); на заседании Казахстанского отделения ВПО в Институте геологических наук им. К.И. Сатпаева АН РК (Алматы, 1997г.); на Международном симпозиуме «Биостратиграфическое обоснование ярусных границ каменноугольной системы Восточной Европы» (Екатеринбург, август 2002г.); на Международном совещании «Состояние, перспективы и задачи стратиграфии Казахстана» (Алматы, октябрь 2002г.); на Международной конференции «Инженерное образование и наука в XXI веке» посвященной 70 летию Казахского национального технического университета им К.И. Сатпаева (Алматы, сентябрь 2004г.); на Уральском литологическом совещании «Карбонатные осадочные последовательности Урала и сопредельных территорий: седименто- и литогенез, минерагения» (Екатеринбург, октябрь 2004г.); на Международной конференции «Девонские наземные и морские обстановки: от континента к шельфу» (Новосибирск, август 2005г).
Фактический материал. В основе исследования лежат послойные разрезы (с описанием лито- и биофаций, определением обстановок седиментации, послойным отбором брахиопод и последующим монографическим описанием основных таксонов) составленные автором в процессе полевых работ с 1987 по 2003 годы в районах: Большой и Малый Каратау, Угам, Жезказганская впадина, Северное Прибалхашье, Шингиз и Северное Предчингизье, Жунгария, Кетмень. Изучено более 300 разнофациальных ориктоценозов. Использованы авторские определения брахиопод из Шу-Бетпакдалинского (в том числе и керновый материал), Западно-Прибалхашского, Кыргызского и Кунгейского районов и материалы по съемочным маршрутам выполняемым в процессе геолого-съемочных работ и доизучения масштаба 1 : 50 000 и 1 : 200 000, в которых автор принимал участие в разные годы с 1976 по 1997 год. Авторские интерпретации полевых материалов получили графическое выражение в десятках геологических разрезов масштаба 1 : 10 000 и крупнее, стратолитофациальных колонках с естественными рубежами смены брахиоподовых комплексов и кривыми относительных колебаний уровня моря, в разноплановых корреляционных, литофациальных и палеобиогеографических схемах, в геодинамических моделях отдельных частей Казахстанского палеобассейна. В процессе написания работы в той или иной степени использованы материалы предшественников и определения органических остатков более чем из 30 производственных отчетов по разным районам Казахстана.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов основной части, включающих двенадцать подразделов, шестнадцать пунктов, заключения и списка использованных источников (264 наименования, в том числе 23 на иностранном языке). Общий объем работы 412 стр., из них 292 стр. компьютерного текста и 120 стр. приложения; 31 рисунок и 27 таблиц, выполненных в программах Corel DRAW и Map in fore, 50 иллюстрирующих фотографий. Приложений «А» и «Б». Приложение «А» состоит из 41 фотографии наблюдаемых в разрезах литотипов пород и биофаций. Приложение «Б» – из 16 палеонтологических таблиц и объяснений к ним, монографического описания некоторых основных таксонов. Во «Введении» содержатся основные сведения о работе, ее актуальности и практической значимости, сформулированы цели и задачи настоящего исследования, определены защищаемые положения. В разделе 1 подробно изложены методические приемы, с помощью которых была выполнена данная работа. В разделе 2 на конкретных разрезах разных районов Казахстанского бассейна рассмотрены проявления глобальных и региональных событий, доказана необходимость использования палеонтологического метода в комплексе с изучением обстановок седиментации и общей эволюции палеобассейна. Раздел 3 посвящен изложению фактического материала доказывающего, что в каменноугольном периоде Казахстанский морской бассейн эволюционировал в качестве единого карбонатного, а не состоял из серии самостоятельных терригенных и карбонатных бассейнов. Скорость осаждения карбонатов определялась в основном существующей геодинамической обстановкой отдельных его частей. В разделе 4 рассматриваются части разрезов сложенные трансгрессивными последовательностями, отражающими отдельные этапы фамен-каменноугольной трансгрессии (фаменская, среднетурнейская, поздневизейская, позднебашкирская, среднепенсильванская трансгрессии). На примере конкретных разрезов прослежены био- и литостратиграфические рубежи, отражающие границы планетарной и региональной шкал на территории Казахстана. В разделе 5 рассмотрена предлагаемая брахиоподовая зональность, где с учетом всех вышеизложенных разделов видно, что наиболее легко прослежены биозоны, отвечающие максимумам трансгрессий, при которых все абиотические факторы палеобассейна находились в стадии равновесия, тем самым, обеспечивая наилучшие условия для существования фауны. Раздел 6 посвящен региональным горизонтам нижнего отдела карбона Казахстана. На конкретных примерах доказывается, что выделение свит в объеме регионального горизонта или регионального горизонта в объеме свиты противоречит положениям Стратиграфического кодекса, так как ни одна свита не может иметь полную палеонтологическую характеристику горизонта. В «Заключении» приводятся краткие выводы по результатам диссертационных исследований.