Биостратиграфия — это раздел стратиграфии , который фокусируется на сопоставлении и назначении относительного возраста пластов горных пород с использованием ископаемых комплексов, содержащихся в них. [1] Основной целью биостратиграфии является корреляция , демонстрирующая, что определенный горизонт в одном геологическом разрезе представляет тот же период времени, что и другой горизонт в другом разрезе. Ископаемые остатки в этих слоях полезны, поскольку отложения одного и того же возраста могут выглядеть совершенно по-разному из-за локальных изменений в осадочной среде . Например, один разрез может быть составлен из глин и мергелей , в то время как другой имеет больше меловых известняков . Однако, если зарегистрированные ископаемые виды схожи, два осадка, вероятно, были отложены примерно в одно и то же время. В идеале эти ископаемые используются для помощи в идентификации биозон , поскольку они составляют основные единицы биостратиграфии, и определения геологических периодов времени на основе ископаемых видов, обнаруженных в каждом разрезе.
Базовые концепции принципов биостратиграфии были введены много веков назад, еще в начале 1800-х годов. Датский ученый и епископ по имени Николас Стено был одним из первых геологов, осознавших, что слои горных пород коррелируют с законом суперпозиции . С развитием науки и техники к 18 веку стало принято считать, что окаменелости — это останки, оставленные видами, которые вымерли и затем сохранились в летописи горных пород. [2] Метод был хорошо известен до того, как Чарльз Дарвин объяснил механизм, лежащий в его основе — эволюцию . [3] Ученые Уильям Смит , Жорж Кювье и Александр Броньяр пришли к выводу, что окаменелости затем указывают на ряд хронологических событий, устанавливая слои горных пород как некий тип единицы, позже названной биозоной . [4] С этого момента ученые начали связывать изменения в слоях и биозонах с различными геологическими эпохами, устанавливая границы и временные периоды в пределах основных изменений фауны. К концу 18 века кембрийский и каменноугольный периоды были признаны на международном уровне благодаря этим открытиям. В начале 20 века достижения в области технологий дали ученым возможность изучать радиоактивный распад . Используя эту методологию, ученые смогли установить геологическое время, границы различных эпох ( палеозой , мезозой , кайнозой ), а также периоды ( кембрий , ордовик , силур ) с помощью изотопов, обнаруженных в окаменелостях посредством радиоактивного распада. [2] Текущее использование биостратиграфии в 21 веке включает интерпретацию возраста слоев горных пород, которые в основном используются в нефтегазовой промышленности для рабочих процессов бурения и распределения ресурсов. [5]
Традиционно для обозначения продолжительности периодов использовались ископаемые комплексы. Поскольку для того, чтобы ранние стратиграфы создали новый период, требовалось значительное изменение фауны, большинство периодов, которые мы признаем сегодня, заканчиваются крупным вымиранием или сменой фауны.
Стадия — это крупное подразделение слоев, каждый из которых систематически следует за другим и каждый несет уникальный набор ископаемых. Таким образом, стадии можно определить как группу слоев, содержащих одни и те же основные наборы ископаемых. Французскому палеонтологу Альсиду д'Орбиньи приписывают изобретение этой концепции. Он назвал стадии в честь географических местностей с особенно хорошими участками пластов горных пород, которые несут характерные ископаемые, на которых основаны стадии.
В 1856 году немецкий палеонтолог Альберт Оппель ввел понятие зоны (также известной как биозоны или зона Оппеля). Зона включает слои, характеризующиеся перекрывающимся диапазоном ископаемых. Они представляют собой время между появлением видов, выбранных в основании зоны, и появлением других видов, выбранных в основании следующей последующей зоны. Зоны Оппеля названы в честь определенного отличительного вида ископаемых, называемого индексной окаменелостью. Индексные окаменелости являются одним из видов из совокупности видов, характеризующих зону.
Биостратиграфия использует зоны в качестве самой фундаментальной единицы измерения. Толщина и диапазон этих зон могут составлять от нескольких метров до сотен метров. Они также могут варьироваться от локальных до всемирных, поскольку протяженность, которой они могут достичь в горизонтальной плоскости, зависит от тектонических плит и тектонической активности. Два тектонических процесса, которые подвергаются риску изменения диапазонов этих зон, — это метаморфическая складчатость и субдукция . Кроме того, биостратиграфические единицы делятся на шесть основных видов биозон: биозона диапазона таксона , [6] биозона одновременного диапазона, [6] биозона интервала, биозона линии происхождения, биозона комплекса и биозона обилия .
Биозона ареала таксона представляет собой известный стратиграфический и географический диапазон распространения одного таксона. Биозона конкурирующего ареала включает конкурирующую, совпадающую или перекрывающуюся часть ареала двух указанных таксонов. Интервальные биозоны включают слои между двумя определенными биостратиграфическими поверхностями и могут быть основаны на самых низких или самых высоких встречаемости. Биозоны родословной — это слои, содержащие виды, представляющие определенный сегмент эволюционной линии. Биозоны комплексов — это слои, которые содержат уникальную ассоциацию из трех или более таксонов внутри себя. Биозоны обилия — это слои, в которых обилие определенного таксона или группы таксонов значительно больше, чем в смежной части секции.
Индексные окаменелости (также известные как направляющие окаменелости , индикаторные окаменелости или датирующие окаменелости ) — это окаменелые останки или следы определенных растений или животных, характерные для определенного периода геологического времени или среды, и могут использоваться для идентификации и датирования содержащих их пород. Чтобы быть практичными, индексные окаменелости должны иметь ограниченный вертикальный временной диапазон, широкое географическое распространение и быстрые эволюционные тенденции. Таким образом, известно, что скальные образования, разделенные большими расстояниями, но содержащие один и тот же индексный ископаемый вид, оба образовались в течение ограниченного времени, в течение которого существовал вид.
Первоначально индексные окаменелости использовались для определения и идентификации геологических единиц, затем стали основой для определения геологических периодов , а затем — фаунистических стадий и зон.
Аммониты , граптолиты , археоциатиды , иноцерамиды и трилобиты — это группы животных, многие виды которых были идентифицированы как индексные ископаемые , которые широко используются в биостратиграфии. Также часто используются виды микроископаемых, такие как акритархи , хитинозои , конодонты , цисты динофлагеллят , остракоды , пыльца , споры и фораминиферы . Различные ископаемые хорошо подходят для отложений разного возраста; трилобиты, например, особенно полезны для отложений кембрийского возраста. Длинный ряд видов аммонитов и иноцерамид особенно полезен для корреляции экологических событий по всему миру во время супер-парникового эффекта позднего мелового периода . [7] [8]
Чтобы хорошо работать, используемые окаменелости должны быть широко распространены географически, чтобы их можно было найти во многих разных местах. Они также должны быть недолговечными как вид, чтобы период времени, в течение которого они могли быть включены в осадок, был относительно узким. Чем дольше живет вид, тем хуже стратиграфическая точность, поэтому ископаемые, которые быстро развиваются, такие как аммониты, имеют преимущество перед формами, которые развиваются гораздо медленнее, такими как наутилоидеи .
Часто биостратиграфические корреляции основаны на фаунистическом сообществе , а не на отдельном виде — это обеспечивает большую точность, поскольку временной промежуток, в течение которого все виды в сообществе существовали вместе, уже, чем временные промежутки любого из членов. Кроме того, если в образце присутствует только один вид, это может означать, что (1) слои были сформированы в известном диапазоне ископаемых этого организма; или (2) что диапазон ископаемых организма был не полностью известен, и слои расширяют известный диапазон ископаемых. Например, присутствие следа ископаемых Treptichnus pedum использовалось для определения основания кембрийского периода, но с тех пор его находили в более старых слоях. [9] Если ископаемое легко сохранить и легко идентифицировать, возможна более точная оценка времени стратиграфических слоев.
Концепция фаунистического преемственности была теоретически сформулирована в начале 19 века Уильямом Смитом . Когда Смит изучал пласты горных пород, он начал осознавать, что скальные выходы содержат уникальную коллекцию окаменелостей. [10] Идея о том, что эти отдаленные скальные выходы содержат похожие окаменелости, позволила Смиту упорядочить скальные образования по всей Англии. Работая над этими скальными выходами и картографируя Англию, Смит начал замечать, что некоторые пласты горных пород могут содержать в основном похожие виды, однако внутри или между этими группами ископаемых также существуют тонкие различия. Это различие в сообществах, которые поначалу кажутся идентичными, приводит к принципу фаунистического преемственности, где ископаемые организмы сменяют друг друга в определенном и определяемом порядке, и поэтому любой период времени можно классифицировать по его ископаемому объему. [11]