История стратиграфии

Развитие стратиграфии, в первую очередь - биостратиграфии - началось с понимания природы окаменелостей, признания изменений органического мира во времени и выявления зависимости между составом окаменелостей и последовательностью напластования.

Первый шаг был сделан античными авторами и затем в XV в. Леонардо да Винчи. В 1668 г. Николай Стенон (Нильс Стенсен), датский естествоиспытатель, считающийся основателем стратиграфии, в своём трактате «О твёрдом, естественно содержащемся в твёрдом» (De solido intra solidum naturaliter contento) сформулировал, среди прочего, принцип соответствия последовательности напластования относительному возрасту слоев. То есть, иными словами, он утверждал, что нижележащий слой (Стенон считал, что каждый слой отлагается одновременно по всей Земле) при не нарушенном залегании более древний, чем вышележащий и мы можем получать представления о возрасте слоёв, исходя из положения в пространстве.

Он отмечал, что в древнейших отложениях окаменелостей нет, они появляются в более поздних слоях и указывают на пресноводную или морскую обстановку осадконакопления. Надо сказать, что эти соображения были высказаны в то время, когда многие натуралисты рассматривали окаменелости в качестве «игры природы»; считалось, что окаменелости могли упасть с луны или что они растут внутри камней.

Становление геологии как науки связано прежде вceгo с именами  Ж. Бюффона и М. В. Ломоносова, в работах которых утверждались идеи о развитии мира, длительности истории Земли и о тех многократных изменениях, которые испытала ее поверхность на протяжении своей истории.  В работе М.В.Ломоносова «О слоях земных» можно найти не только описания конкретных разрезов с приведением их литологической и палеонтологической характеристики отдельных слоёв, но и соображения о способах образования слоистых горных пород.

М. В. Ломоносов объяснял их происхождение осаждением в водных бассейнах и обосновывал это нахождением ископаемых раковин «черепокожных», т. е. моллюсков, литологическим составом и наблюдением над  современными образованиями. Он выдвинул идею о геологическом времени, длительность котopoгo неизмеримо превышает историю человечества. Для объяснения нахождения ископаемых остатков слонов (мамонтов) и тропических растений («трав индейских») в Сибири М.В.Ломоносов прибег к допущению существования здесь в древние времена жаркого климата.

В теоретической геологии XVIII в., как и в биологии, противостояли друг другу концепции прерывистого и непрерывного развития. Первую развивали нептунисты. Решающую роль в формировании осадочной оболочки они отводили библейскому потопу — явлению эпизодическому и в то же время глобальному. По их представлениям, земная кора состоит из небольшого числа дискретных формаций, повсеместно сохраняющих постоянный минералогический состав. Их идейные противники — плутонисты настаивали на длительности существования Земли, непрерывности развития земной коры и принципиальном сходстве геологических процессов в прошлом и настоящем.

Эти идеи были выдвинуты в середине XVIII в. Ломоносовым и Фюкселем и получили дальнейшее развитие в трудах Джеймса Хаттона, Гоффа и других ученых. Хаттон опирался на учение Аристотеля о постоянстве законов природы и не признавал скачков. Стратиграфия в XVIII в. развивалась под знаком нептунизма. Первая стратиграфическая классификация была предложена Леманном (Lehmann, 1756) в работе ««Опыт восстановления история флёцевых гор». Он выделял неслоистые первичные породы (Ganggebirge), слоистые отложения потопа (Flotzgebirge) и неконсолидированные осадки, накопившиеся после потопа, в которых он выделил 30 слоёв (по современным представлениям эти породы отвечают карбону-перми)

Несколькими годами позднее Джованни Ардуино предложил деление осадочных пород Венецианских Альп на первичные, вторичные и третичные. Эта классификация была в основном геоморфологической с учетом литологии (сильно смятые породы без окаменелостей - первичные, слоистые известняки и глины с окаменелостями - вторичные, гравийно-песчаные и вулканогенные - третичные, перекрытых аллювием).

Г.Х.Фюксель, примерно тогда же (1762) в работе «История земли и моря, установленная по истории Тюринских гор» впервые предложил иерархическую классификацию для стратиграфических подразделений. Он же был первым, кто предложил разделить термины, обозначающие породы и отвечающее им время. Он выделил серии (породы), а отвечающие им интервалы времени – секулы и более мелкие сатумены (порода) – луструмы (время).

Карл Линней в 1732–1749 гг. и затем Торберн Бергман в 1766 г. писали о постепенном отступании моря и увеличении площади континентов, рассматривая библейский потоп как эпизод позднейшей истории Земли. Бергман модифицировал схему Леманна, различая первичные, слоистые, смешанные и вулканические отложения.

Вскоре на длительное время главным авторитетом в Европе стал А.Г.Вернер. Он выделял следующие породы: первозданные (Urgebirge, т.е. по нынешней версии изверженные – Вернер был одним из главных нептунистов и считал эти породы накапливающимися в первичном океане, где ещё не было жизни); переходные (Ubergangsgebirge, в основном отвечающие палеозою); флёцевые или слоистые (поздний палеозой-мезозой, Flotzgebirge); намывные, или дилювий (четвертичные, Aufgeschwammtegebirge). Ученики Вернера (среди которых был основатель Московского общества испытателей природы Г.И. Фишер фон Вальдгейм) стремились распознать эту типичную последовательность формаций во многих странах.

Большинство палеонтологов в то время связывали происхождение окаменелостей с библейским потопом, во время которого Ной спас по паре организмов каждого вида и тем самым ликвидировал биостратиграфические последствия катастрофы.

В 1719–1725 гг. английский геолог Джон Стрейчи, описывая разрезы шахтных полей, указывал стратиграфическую приуроченность окаменелостей. Бюффон в «Эпохах природы» (1779) предложил первое каузальное объяснение эволюции, связывая ее с прогрессирующим охлаждением Земли, изменением климата и горообразованием. В 1780 году аббат Жиро-Сулави в своей книге «Естественная история Южной Франции»  опубликовал первую биостратиграфическую схему из пяти «веков»: первый — с остатками исключительно вымерших животных; второй — со «смешанной» морской фауной, содержащей вымершие и ныне живущие виды; третий — с моллюсками современного облика; четвертый — с остатками растений и пятый — с млекопитающими.

Видимо, он первым заметил, что толщи, залегающие на разных глубинах, различаются по содержащимся в них окаменелостям и что благодаря последним толщи можно прослеживать на обширных территориях.

Преемник Стрейчи Уильям Смит (1769-1839), работавший над проектированием каналов,  сформулировал в 1796 г. свой знаменитый принцип «природа отвела каждому классу (организмов) свой собственный слой». К 1799 г. он располагал списками руководящих форм и в 1815 г. составил первую геологическую карту на биостратиграфической основе.

Он считается основоположником стратиграфии (Смит предложил этот термин в работе 1817 г.) и палеонтологического метода. Смит был последователем Вернера и полагал, что каждый слой имеет глобальное распространение. Поэтому своей задачей он считал не корреляцию, а идентификацию слоев. Во Франции Жорж Кювье и Александр Броньяр, изучая разрезы морских и континентальных отложений Парижского бассейна, пришли к тем же выводам, что и Смит.

В поисках объяснения смены остатков морских и наземных организмов Кювье предложил теорию множественных потопов, частично заимствованную у преформиста Боннэ, писавшего в середине XVIII в. о катастрофах, после которых уцелевшие зачатки дают начало более совершенным организмам. Последователи Кювье дополнили теорию множественных катастроф креационизмом (множественными актами творения) и прогрессионизмом (созданием в последовательных актах творения все более совершенных организмов).

Прогрессионистами были ведущие геологи и палеонтологи середины XIX в. — Агассис, Седжвик, Мурчисон и др. Они наметили контуры современной международной стратиграфической классификации. В 1822 году в Англии Конибир и Филлипс (1822) в работе «Геологический очерк Англии и Уэльса» сформулировали понятие геологической системы и выделили каменноугольную систему. В 1838 г. Седжвик и Мурчисон предложили термин палеозой, а в 1840 г. Филлипс выделил мезозой и кайнозой, в который вошли третичные слои Ардуино. Стратиграфическая классификация приобретала иерархическую форму.

В 1831 г. Омалиус Д"Аллуа ввел представление о ярусе — основной единице стратиграфической классификации в работах Альсида Д"Орбиньи (1842–1849). Границы ярусов (их объем варьировал в широких пределах — от современной системы или отдела до современного яруса) Д"Орбиньи проводил по резкой смене фаций и комплексов окаменелостей. В это же время Ф.Квенштедт, выдвигавший эволюционные идеи, пытался использовать для корреляции полные диапазоны вертикального распространения видов (предельные зоны, по современной терминологии), получаемые суммированием диапазонов в конкретных разрезах. Его ученик Альберт Оппель в 1856–1858 гг. уточнил определение зоны (само понятие зоны было предложено Д"Орбиньи) - слоев с постоянным набором диагностических видов.

Основным оппонентом кювьерианцев был Чарлз Ляйель, который дополнил униформизм Хаттона представлением о постоянной скорости геологических процессов и использовал его в борьбе с катастрофизмом. До 1856 г. Ляйель был креационистом, но в отличие от катастрофистов допускал не периодические акты творения, а непрерывное божественное вмешательство, в ходе которого одни виды постепенно заменялись другими. Успех «Основ геологии» Ляйеля, по-видимому, объясняется последовательным проведением логического принципа наиболее простого решения (известного так же как принцип Оккама, или «бритва» Оккама).

В исторической геологии попытка объяснения явлений прошлого путем сопоставления с аналогичными современными явлениями и введение поправок или дополнительных гипотез лишь в том случае, если такое объяснение окажется неудовлетворительным, соответствует принципу Оккама. Именно в этом, а не в постоянстве скорости геологических процессов, на котором настаивал Ляйель, состоит методологическое значение актуализма. Между первичными и вторичными он выделял широкую переходную зону, включающую кембрий и силур. Ляйель предложил деление третичных отложений, основанное на изменении процентного содержания современных видов. Его, таким образом, можно считать автором статистического метода, противостоящего типологической биостратиграфии Смита.

В теоретическом плане «Основы геологии» Ляйеля знаменовали отрыв истории органического мира, трактуемой как последовательное усовершенствование, от истории земной коры, не имеющей определенной направленности. Это был радикальный шаг, так как, по существу, все предшественники Ляйеля — делювианисты, катастрофисты, бюффонисты, креационисты, прогрессисты — постулировали прямую связь между геологическими и биологическими изменениями. Ляйель превратил прогресс жизни во внешнеотсчетную систему по отношению к геологической истории. Дарвин сделал следующий шаг в том же направлении.

Во время путешествия на «Бигле» Чарлз Дарвин завершил свое геологическое образование по «Основам геологии» Ляйеля и воспринял концепцию униформизма. В основном труде Дарвина — «Происхождение видов» — стратиграфическим проблемам посвящены главы десятая «О несовершенстве геологической летописи» (по объему она вдвое больше четвертой главы «Естественный отбор или выживание наиболее приспособленных»), одиннадцатая «Геологическая последовательность органических форм» и ряд страниц в других главах.

Принято думать, что Дарвин продемонстрировал несовершенство (неполноту) палеонтологической летописи. В действительности Дарвин признавал, что тезис о несовершенстве летописи носит чисто умозрительный характер и выдвинут им в противовес представлениям Кювье, Агассиса, Барранда, Фолкнера, Форбса и других катастрофистов об отсутствии связующих звеньев и одновременном изменении органического мира на всем земном шаре.

Дарвин считает эти представления иллюзорными и объясняет их тем, что перерывы между осадочными толщами по продолжительности во много раз превышают сохранившиеся обрывки летописи. К тому же большая часть земного шара геологически не изучена, многие захоронения скрыты под водами океанов или уничтожены метаморфизмом. Новые формы в момент возникновения имели ограниченное распространение и численность, шансы их захоронения невелики. В силу этого начальные стадии эволюционных преобразований не оставили следов в летописи.

Появление нового вида в конкретном разрезе — чаще всего результат иммиграции, что вполне объясняет отсутствие промежуточных форм. Иллюзия одновременных смен организмов в различных странах объясняется ошибками стратиграфической корреляции: некоторые современные виды Северной Америки ближе к плиоценовым, чем к ныне живущим европейским видам. Параллелизм смен отражает расселение новых прогрессивных форм и вытеснение ими примитивных, которые в силу общего несовершенства организации вымирают почти одновременно. Дарвин заключает пророчеством упадка «благородной науки» геологии из-за удручающего несовершенства геологической летописи.

«Я смотрю на геологическую летопись как на историю мира, изложенную неполно, на неустойчивом диалекте и косноязычно; мы имеем лишь последний том этой истории, посвященный двум или трем странам. В нем уцелели лишь короткие главы и на каждой странице — лишь несколько строк» (здесь и далее перевод автора). За теми, кто считает геологическую летопись более полной, Дарвин признавал право отвергнуть теорию эволюции.

Как и его предшественники, Дарвин считал смену органических форм основой стратиграфической последовательности, но вслед за Ляйелем отрицал причинную связь между геологическими и биологическими процессами. По Дарвину, они развивались параллельно, независимо друг от друга.

Автономность, непрерывность и необратимость эволюции организмов позволяет использовать ее для хронометрии геологической истории: «Поскольку наиболее важная причина эволюции органического мира, почти не зависящая от изменения (возможно, внезапного) физических условий, заключается во взаимодействии организмов — усовершенствование одного ведет к усовершенствованию или вытеснению другого — суммарное изменение окаменелостей последовательных формаций, очевидно, служит хорошей мерой относительного (но не действительного) временного интервала между ними». Обобщая накопленный к тому времени опыт палеонтологических исследований, Дарвин высказывает ряд соображений, оказавших большое влияние на развитие биостратиграфии:

1. появление и вымирание видов не было повсеместно одновременным;
2. виды разных родов и классов изменялись с различной скоростью и в различной степени (силурийская Lingula мало отличается от современных видов этого рода, тогда как другие близкие формы значительно изменились);
3. темпы эволюции на суше были более высокими, чем в море;
4. высшие организмы, за редкими исключениями, эволюционировали быстрее низших, что объясняется их более сложными связями со средой (принцип ускорения эволюции);
5. если вид исчез с лица земли, нет оснований ожидать, что точно такой же вид появится снова при восстановлении прежних условий существования (эта формулировка необратимости эволюции предвосхищает принцип Долло);
6. из-за длительного переживания древних специализированных форм в рефугиумах (убежищах) вымирание происходит медленнее, чем зарождение и расселение новых видов;
7. корреляция морских отложений более точна, чем континентальных, так как разнообразие условий на суше препятствует быстрому расселению новых форм.

 
Параллелизм смен доминирующих типов животных в различных странах был в то время уже хорошо известен, и Дарвин квалифицирует его как величайшее завоевание палеонтологии («едва ли какое-либо из палеонтологических открытий впечатляет больше, чем факт почти одновременного изменения форм жизни во всем мире» и далее: «этот великий факт параллельной смены форм жизни»). Он ссылается на работы Ляйеля, Вернейля, д"Аршиака, Барранда, Прествича, продемонстрировавших параллелизм палеозойских и третичных смен в Чехии и Скандинавии, Англии и Франции, Европе и Северной Америке.

Принцип параллелизма позволил распознать меловые отложения в Северной Америке, Индии, на мысе Доброй Надежды и Огненной Земле, хотя в этих странах нет писчего мела и европейских меловых видов. Дарвин полагал, что смены почти одновременны на обширных территориях, так как новые виды происходят от доминирующих видов, изначально широко расселены и повсеместно вытесняют родительские виды.

Вместе с тем он возражал против строгой синхронизации смен, так как процесс замещения прежних доминантов новыми мог протекать с различной скоростью в зависимости от локальных условий. Такие несовпадения остаются, по мнению Дарвина, незамеченными из-за малой разрешающей способности биостратиграфического метода. Томас Хаксли назвал параллелизм смен гомотаксисом и высказал в более радикальной форме мысль о разновозрастности гомотаксальных (занимающих одинаковое положение в параллельных сукцессионных рядах) фаун и флор.

Под влиянием Дарвина геологи и палеонтологи, стоявшие на позициях креационизма, быстро рекрутировались в ряды эволюционистов. Несмотря на предостережения Дарвина относительно неполноты геологической летописи, возникла надежда, что последовательность эволюционных стадий может стать основой стратиграфических построений. Первые эволюционные ряды были описаны для беспозвоночных Ваагеном, Неймайром, Павловым, Карпинским, а для позвоночных — Томасом Хаксли и В. О. Ковалевским, которого по праву считают основателем палеоэкологии («палеобиологии»).

В этой области плодотворно работали Луи Долло, Абель, положивший начало палеосинэкологическим реконструкциям, А. А. Борисяк и другие палеонтологи. В 1883 г. М. Неймар предложил биогеографическую классификацию юрской биоты и наметил положение климатических зон (хотя ещё ранее Ж.Марку составил по комплексу фауны первую для юры схему районирования акваторий в северном полушарии, выделив 8 фаунистических провинций (Янин, 2005))

Поскольку в геологическом развитии отдельных регионов было мало общего, ни европейская, ни какая-либо иная региональная шкала не может претендовать на универсальное значение. К тому же в каждом районе можно построить множество независимых классификаций, используя различные категории стратиграфических признаков (литологические, палеонтологические, геохимические, палеомагнитные и т. д.). Интеграция частных шкал осуществляется их калибровкой относительно системы строго фиксированных точек отсчета геологического времени — геохронологических уровней, составляющих хроностратиграфическую шкалу.

В отношении выбора таких точек отсчета мнения расходятся. Одни предлагают использовать для этой цели этапы эволюции какой-либо архистратиграфической группы организмов, другие — апробированные международными соглашениями опорные уровни (точки глобального стратотипа границы, ТГСГ (Global Stratotype Section & Point, GSSP)), однозначно определяющие положение геохронологического уровня, прослеживаемого всеми доступными средствами.

Разработка Международной стратиграфической шкалы началась с 1 сессии Международного геологического конгресса (МГК) 1878 г. в Париже. На этой и последующих сессиях МГК была принята основа шкалы, включающая названия многих систем (и отвечающих им периодов), а также, частично, более дробных подразделений. С 1960 г. организацию МГК и, в частности, обсуждения на них стратиграфических и  геохронологических проблем ведет Международный союз геологических наук (МСГН). Его органами являются комиссия по стратиграфии (International Commission on Stratigraphy, подкомиссии по отдельным системам или отдельным направлениям, а также создаваемые для выработки тех или иных решений рабочие группы.

Решение по структуре Международной стратиграфической шкалы принимает МСГН по докладу стратиграфической комиссии. В последние 30 лет сложился порядок работы, согласно которому рабочая группа изучает корреляцию местных разрезов и их подразделений, различные варианты проведения в них спорной границы, варианты наименований для подразделений международной шкалы и в конце концов выбирает конкретный уровень границы (лимитотип) в опорном разрезе (ТГСГ).

Процедура выбора лимитотипа подошвы подразделения МСШ, как необходимого условия применения данного стратона в дальнейшем, утверждена МСГН в 1996 г. В 1998 г: Й. Ремане опубликовал проект новой МСШ, основанный на последовательности лимитотипов и одобренный как Международной стратиграфической комиссией, так и Международной комиссией по составлению геологической карты мира.

Начиная с 50х годов ХХ века Комиссия по стратиграфической классификации начала работу по составлению Международного стратиграфического кодекса (наподобие Кодекса зоологической номенклатуры). Однако почти сразу выяснилось, что существует два принципиально различающихся подхода к стратиграфии, которые можно назвать «европейским» и «американским». Поэтому вместо кодекса в 1976 г. вышел в свет «Международный стратиграфический справочник» (International Stratigraphic Guide, 1976) под редакцией проф. X. Хедберга, через два года переведённый на русский язык (Международный стратиграфический справочник, 1978).

Появление этого «Справочни­ка» или «Руководства» совпало с завершением первого этапа послевоенной деятельности Международной подкомиссии по стратиграфической классификации (МПСК), работавшей четверть века под руководством X.Хедберга. Хотя Международная стратиграфическая комиссия рекомендовала этот Справочник к публи­кации, но в качестве «Кодекса» он принят не был из-за его определенной односторонности и возражений со стороны некоторых членов комиссии. Почти одновременно со «Справочником» (в 1977 году) был опубликован «Стратиграфический кодекс СССР».

Через 18 лет, в 1994 г., было подготовлено второе издание «Руководства» (International Stratigraphic Guide, 1994) под редакцией проф. А. Сальвадора. Хотя основная идейная база этого документа в целом не изменилась по сравнению с первым изданием, в него были внесены некоторые дополнения и важные кор­рективы.

Недавно в журнале «Эпизоды» (Episodes, 1999, vol. 22, no. 4) была представлена краткая версия «Справочника» второго издания, подготовленная МПСК под редакцией М. Мёрфи и А. Сальвадора (International Stratigraphic Guide—An abridged version). Несколькими годами позже был осуществлён  его перевод на русский язык (Гладенков, 2002).

В 2006-м году вышло третье издание Стратиграфического кодекса России, основанное на тех же принципах, на которых были построены отечественные Стратиграфические кодексы 1977 и 1992 гг. с учетом тех изменений в требованиях, которые были обусловлены геологической практикой последнего десятилетия. В Кодексе сокращено число приложений и статей, исключены необязательные советы, примечания, примеры и др.

Кодекс дополнен современной Шкалой геологического времени для докембрия, фанерозоя и отдельно для четвертичной системы; морфолито- и биостратиграфическими подразделениями; уточнены некоторые формулировки и определения. Стратиграфический кодекс утвержден Межведомственным стратиграфическим комитетом и выполнение его требований обязательно при проведении геологических работ всеми ведомствами на территории Российской Федерации.