Metodologia stratygrafii

Oprac. DK

Historia badań.

Stratygrafia – w XVII-XIX w.: nauka opisowa o warstwach. Obecnie: nauka o wieku warstw, relacjach czasowych i przestrzennych skał osadowych/wszystkie informacje związane z określaniem wieku warstw, architekturą depozycyjną, środowiskiem powstawania (facja) oraz ich wzajemnym ułożeniu.

W latach 60. XX wieku: pierwsze kodeksy stratygraficzne (najpierw międzynarodowy) i ujednolicenie terminologii.

2 koncepcje podziału:

• Hoenningsmen: jednostki bio- i litostratygraficzne, proto- [skała, w której zawarta jest dana cecha] i chronostratygraficzne oraz ich kombinacje

• Hedberg: jednostki bio-, lito- i chronostratygraficzne

Zadania stratygrafii:

• określić wiek skały

• stworzyć skalę czasową

• korelacja warstw (niezależnie od skali czasowej)

• określenie relacji przestrzennych

Gradualizm	Punktuacjonizm
Zapis ciągły, stopniowe zmiany	Okresy zdarzeń przerywane ich brakiem
Cyklostratygrafia, stratygrafia sejsmiczna i sekwencyjna, cz. biostratygrafia	Magnetostratygrafia, chemostratygrafia, stratygrafia zdarzeń, cz. biostratygrafia

Historia myśli geologicznej

Steno (XVII w.) – prawo superpozycji, zasada pierwotnej horyzontalności, prawo obocznej ciągłości lateralnej

Arduino – neptunista; pierwszo-, drugo-, trzecio- i czwartorzęd; przekrój geol. przez Toskanię

J. G. Lehmann – wyróżnienie formacji; geognozja

A. G. Werner – neptunizm – serie osadowe jako efekt uspokajania wód oceanicznych:

• serie pierwiastkowe (skały ogniowe/magmowe)

• przejściowe (gnejsy, łupki, szarogłazy)

• warstwowe (wapienie, piaskowce – erozja gór wyniesionych ponad poziom oceanu)

• napływowe (piaski, żwiry, gliny)

• wulkaniczne (melafiry, tufy, ale nie bazalty; w wyniku przetopienia skał osadowych podgrzanych płonącym węglem)

S. Staszic – uczeń Wernera, autor „O ziemiorództwie Karpat i innych gór i równin Polski”, pierwsza mapa geologiczna Polski; twórca okręgu staropolskiego (świętok., małop., łódz.); podział gór analogicznie do tego z prac Wernera (pierworodne, ościenne, przewodowe, podmorskie, osepowe)

G. Cuvier – neptunista, działał w basenie paryskim, ponadto rozwinął katastrofizm

W. Smith – pierwsza mapa geologiczna Wielkiej Brytanii (1815); powiązał zespoły skamieniałości z typami litologicznymi

J. Hutton – autor „Teorii Ziemi” (1795); niezgodność w Siccar Point; założenia plutonizmu:

• zasada dyskordancji

• prawo inkluzji (dotyczy zlepieńców)

• granity i bazalty tworzą ciała dystroficzne

• góry powstają w wyniku działalności tektonicznej

Ch. Lyell – „Zasady geologii” (1830); podzielił trzeciorzęd na podstawie podobieństw skamieniałości (% liczby podobnych do dzisiejszych gatunków); aktualizm geologiczny (uniformitaryzm) – czyli podejście gradualistyczne

W XIX w. nastąpił gwałtowny rozwój nauki: przyrządy do nauczania geologii, podręczniki

Wydzielenia stratygraficzne dawniej…	…i dziś
Duży kontrast facjalny	Brak kontrastu facjalnego
Na granicy typów litologicznych	W obrębie tego samego typu litologicznego
Może być duża zmiana zespołu skamieniałości	Niewielkie zmiany zespołu skamieniałości
Niezgodność	Brak niezgodności

Stratotyp – cechy:

• ciągłość sedymentacji

• niezmienność facji

• obfitość i różnorodność skamieniałości

• łatwa dostępność

Kondensacja stratygraficzna.

Profil skondensowany – ciało o wyraźnie zredukowanej miąższości w stosunku do innych ciał tego samego wieku, którego powstanie jest produktem minimalnej sedymentacji netto.

Kondensacja sensu lato: następstwo warstw jedna po drugiej, bez wymieszania warstw. Sensu stricto: wszystko wymieszane.

Cechy osadów skondensowanych:

• Odmienna barwa od reszty profilu (czerwone, szare, zielone)

• Wzbogacone w dobrze zachowane okazy

• Powłoki manganowe, konkrecje żelazisto-fosforanowe

• Sfosfatyzowane kalcytowe fragmenty skamieniałości, fosforanowe ośródki

• Nieznaczna miąższość

• Wymieszana fauna z różnych zon (ekologicznych/stratygraficznych)

Przyczyny kondensacji:

• Wolne tempo powstawania osadów (obszary pelagiczne, zimne wody)

• Rozpuszczanie osadów (głębie oceaniczne, zimne wody arktyczne)

• Wynoszenie oceanu (prądy przybrzeżne, falowanie sztormowe, podmorskie góry)

Przykłady kondensacji:

• Kamieniołom Ostrówka w HCM (D/C): cienka warstwa wapieni organodetrytycznych wapieni famenu zalega niezgodnie na wapieniach franu; sztormy powodowały zrzucanie goniatytów i krynoidów na niższe bloki, powodując uziarnienie frakcjonalne (lekkie muszle goniatytowe opadały jako ostatnie) -> pierwszy etap zatapiania platformy węglanowej, poprzedzony wyniesieniem i wychyleniem lokalnych bloków (k. sensu lato)

• Nasiłów, Annopol nad Wisłą (K – alb): początek wielkiej transgresji z NW, tworzenie się strefy intensywnych prądów; wyniesione miejsca faworyzowały kondensację, powstało twarde dno, tj. z którego miękki materiał zabrało morze; fauna wymieszana (k. sensu stricto); sfosfatyzowane amonity

• Tatry – fosfatyzacja oznaką kondensacji

• Mójcza w HCM (Or): śródszelfowe wyniesienie podmorskie, stanowiące podstawę dla chłodnowodnej, eutroficznej platformy węglanowej; wody chłodne -> mała produkcja osadu i ciągłe przemywanie powierzchni dna -> kondensacja stratygraficzna sensu lato, bez wymieszania fauny

Warstwy charakterystyczne.

• Warstwy o szczególnej litologii

  • (-) warstwa bulasta między Tatrami a Częstochową (pierwotnie sądzono, że spowodował ją impakt, potem okazało się warstwa nie jest izochroniczna, czyli gwałtowne zdarzenie typu impakt odpada)

  • (+) wapienie tylawskie w obrębie fliszu, eoc-ol, laminowane i zbudowane z kokkolitów; gwałtowne zakwity kokkolitów - uczta dla widłonogów -> kokkolity w postaci grudek kałowych sprowadzane na dno zbiornika (same kokkolity by się na zachowały, tzw. fecal express) [obca sekwencja, natychmiastowa i o szczególnej litologii]

  • wapień crenistria z RGŁ; facja węglanowa z goniatytem Crenistria oraz kulm (kiepski do korelacji) z dużą zawartością manganu; przyczyna powstania nieznana

• Warstwy obce sekwencji

  • (-) wapień węglowy Gałęzic – duże warstwy mikrytowe w kulmie efektem zrzucania brekcji z platformy węglanowej do głębszego basenu; brak jednoznacznego dowodu na izochronizm, ale i na diachronizm też (stożki nie nakładają się na siebie)

  • (+) wapienie stromatoporoidowe syluru na Podolu – pas bioherm rozmywany w czasie sztormów (tsunami?), pakiety wapieni wrzucone od strony otwartego morza

• Warstwy natychmiastowe

  • tempestyty (na skutek sztormów)

  • inundyty (z powodzi)

  • tufity -> tefrostratygrafia

    • kreda Ameryki Północnej – obszar zalewany płytkim morzem; nasilenie zjawisk wulkanicznych doprowadziło do utworzenia Kordylierów i utworzenia warstw tufitowych ciągnących się przez setki kilometrów

    • dolny karbon Polski – sukcesje oolitów w kulmie z interwałami tufitowymi (trudne do korelacji ze względu na wielokrotne akty depozycyjne i rozmywanie materiału oolitowego)

• Horyzonty erozji, niedepozycji i pedogenezy

  • Mogą stanowić izochronę, ale są ograniczone; korelacja w lessach dobra

  • Inicjalne regolity w kłm Jaworznia – dewon, złe do korelacji, gruzłowate klasty wapienne w ile

Stratygrafia zdarzeń (event stratigraphy).

Zdarzenie – krótkotrwały epizod wyjątkowych warunków środowiskowych, panujących w skali regionalnej lub globalnej, pozostawiający trwały zapis w postaci anomalii sedymentacyjnych, geochemicznych, faunistycznych lub innych.

Nurt sedymentologiczny

Turbidyty, tempestyty, sejsmity, przepływy katastroficzne (np. jokulhlapy, czyli roztopy lodowców spowodowane przez wylewy lawy)

• Wypływ z jeziora Missoula – rzeka trafiła na tamę lodową, zahamowany odpływ -> wielkie jezioro -> tama pękła, a wody gwałtownie spłynęły do Pacyfiku, dając erozyjną rzeźbę, kanały w bazalcie i wielkie ripplemarki

Nurt paleooceanograficzny

Zdarzenia euksyniczne, geochemiczne i ewaporacyjne

• Zdarzenie euksyniczne Kellwasser – Df/f, ciemne bitumiczne wapienie z goniatytami; profile marokańskie oraz Płucki k. Łagowa; ponadto zdarzenia: Hangenberg (D/C), Kacak (De/g), Daleje (Dm)

• Zdarzenia geochemiczne związane np. z gwałtownym zakwitem fitoplanktonu (ocean syty, produktywny), które mają zapis izotopowy – informacje z organizmów morskich, które inkorporują ¹²C do swoich skorupek, co powoduje wzrost ¹³C. Zdarzenie Lau w sylurze Gotlandii, Australii, Masywu Czeskiego – kryzys graptolitów i konodontów i przyspieszone wymieranie w wielu grupach bezkręgowców, potem radiacja i wzrost ¹³C oraz pojawienie się facji „anachronicznych” (mikrobiality, utwory laminowane, stromatolity – podobne do pCm); w Polsce – profil Rzepin (?), Mielnik nad Bugiem – niszczenie dolomitów przy zmianie klimatu, osuszenie obszarów płytkowodnych, mało roślinności („zakurzenie świata”)

• Kryzys messyński

Nurt paleobiologiczny

Biohoryzonty (przepełnione skamieniałościami warstwy), wielkie wymierania, wielkie zakwity, wielkie zmiany

• Biohoryzont amonitowo-belemnitowo-jeżowcowo-inoceramowy w kredzie Niemiec

• Wielkie wymierania: Or, Df/f, C₁/C₂, P/T, T/J, K/Pg

• Wielkie zakwity np. kokkolitów w wapieniach jasielskich (tylawskich) lub glon Calciforium okense w morzach tropikalnych, wyznacza granicę wizen/serpuchow po brzegu Laurusji

• Treptichnus pedum wyznacza granicę pCm/Cm (początki drapieżnictwa)

Cyklostratygrafia (eustatostratygrafia).

E. Suess – zajmował się transgresją cenomanu i ruchami eustatycznymi, autor „Oblicza Ziemi” (1888)

Celsjusz – zaobserwował zmiany poziomu Bałtyku (jak wykazał Nansen, przyczyną było izostatyczne podnoszenie Skandynawii

Ch. Lyell – w jego „Zasadach geologii” znalazł się rysunek kolumn w Serapis koło Neapolu – świadectwo podnoszenia się i opadania morza (ale tu akurat podnosił się poziom gruntu, gdyż Neapol znajduje się nad ogniskiem magmowym; przy wzroście jego ciśnienia poziom gruntu się podnosi)

L. Agassiz – analizując wystąpienia skał magmowych na przedpolu Alp stwierdził, że to lądolód przywlókł te skały

Ch. MacLaren (1842) - o ile obniży się poziom oceanu przy maks. zlodowaceniu (120 m)

M. Milankovic – wytłumaczenie zmian klimatycznych cyklicznością

Mitchum et al. – „wielkie sekwencje są synchroniczne w skali światowej, ponieważ powstały w czasie cykli eustatycznych”

Jak mierzyć poziom morza?

• Poziom morza nie jest gładką powierzchnią i zależy od oddziaływania sił grawitacyjnych

• Wodowskazy nad brzegiem morza (mareografy)

• W zapisie kopalnym zmiany poziomu morza są widoczne lepiej niż obecne

• Problem: czy to poziom morza się podnosi, czy to ląd się obniża?

Czy istnieją przyczyny ogólnoświatowych zmian poziomu morza?

• Pulsacja Ziemi (?) – powiększanie i zmniejszanie Ziemi; teoria jednak nie tłumaczy powstawania gór

• Zlodowacenia (Or, C/P, Plej) – lądolód czerpie wodę z obiegu ziemskiego

• Cykle Milankovicia – 1. precesyjny (ruch osi) – 19-23 tys. lat; 2. skośności osi (nachylenie osi) – 41 tys. lat; 3. ekscentryczności orbity (zmiana osi w płaszczyźnie ekliptyki) – 100-400 tys. lat

• Zmiany temperatury wód oceanicznych - u otwornicy Globorotaria stwierdzono lewo- lub prawoskrętność zależnie od temperatury wody; naprzemianległe występowanie w profilach; ponadto zlodowacenia C/P

• Tempo spreadingu dna oceanicznego – szybki spreading -> poziom morza wzrasta, wolny spreading -> poziom morza obniża się

• Wysychanie zbiorników śródlądowych – np. kryzys messyński (5,59-5,33 Ma), podczas którego Morze Śródziemne wyschło 11 razy i spowodowało to obniżenie bazy erozyjnej (stabilne podłoże położone na dużej głębokości), zaś woda z parowania weszła do obiegu hydrologicznego i poziom morza podniósł się w innych miejscach; trudno ocenić, czy takie kryzysy mogą się powtarzać, ale faktem jest, że od kambru w każdym okresie tworzyły się pokłady soli w różnych miejscach kuli ziemskiej

Przykłady zmian eustatycznych

• Bukowa Góra (D₁) – p-ce spiriferowe (przybrzeżna strefa, wysoka energia środowiska, na nich fm łupków z Bukowej Góry z licznymi skamieniałościami, wyżej formacja kapkazka (środowisko pływowe) -> początkowy etap transgresji dewońskiej w regionie łysogórskim

• Skały (D₂) – fm wojciechowicka (wapienie, dolomity) i skalska, cyklotemy środowisk pływowych -> transgresji ciąg dalszy, zalewanie szelfu Euroameryki

• LZW (C) – wczesnokarbońskie wahania eustatyczne; 4 cyklotemy związane z autocyklicznością – korelacja z angielskimi profilami facji Yoredale, a także z basenem Illinois

• Późnokredowy wznios morza w ciągu 35 Ma o ok. 300 metrów (najpierw twierdzono, że 600 m, ale dokonano poprawek izostatycznych)

• Zmiany Pg/Ng i ich rejestracja metodami stratygrafii sekwencyjnej na pasywnych wybrzeżach oceanicznych; refleksy są jednoczasowe

Magnetostratygrafia.

Na czym opierają się metody magnetostratygraficzne?

• Pozorna wędrówka bieguna

• Rewersja bieguna magnetycznego (terminologia: super-, magnetozona, sub-, mikro-, ob. magnetozona Brunhes – normalne namagnesowanie)

• Zmiany podatności magnetycznej

Χ < 0 diamagnetyki

Χ = 0 paramagnetyki

Χ > 0 ferromagnetyki

Metoda dobra tam, gdzie brakuje cykliczności, skamieniałości, zmian klimatu, ale nie rozwiąże wszystkich problemów stratygrafii (korelacja poziomów Kellwasser; Kowala – Antyatlas; missisip i pensylwan w amerykańskich profilach).

Minerały ilaste -> zapis zmian klimatycznych.

Mankamenty magnetostratygrafii

• Trudności w przejściu ze skali miąższościowej na czasową

• Wiek magnetyzacji pierwotny lub wtórny

• Wielokrotność namagnesowań

• Mała czytelność zapisu w skałach osadowych

Chemostratygrafia.

Strontium Isotope Stratigraphy – do skał osadowych; izotopy strontu pochodzą z wietrzenia skał lądowych i oceanicznych; wysoki stosunek ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr jest typowy dla skał lądowych, natomiast niski na wyspach oceanicznych i wulkanach; dostawy z obu źródeł zmieniają się z biegiem czasu, a za tym idzie zmiana proporcji izotopów strontu w wodzie morskiej; ponieważ woda w oceanie jest dobrze wymieszana, to proporcje wszędzie są takie same. Wykreślona krzywa dla stosunku izotopów strontu jest przydatna, gdy jest mocno nachylona i jednoznacznie rośnie lub spada. W ciągu ostatnich 40 Ma krzywa wzrasta na skutek fałdowania i intensywnej działalności erozyjnej, duża ilość strontu-87 jest transportowana do basenów morskich.

Zmiana delty tlenowej – ¹⁸O/¹⁶O jako wskaźnik zmian temperaturowych np. w plejstocenie. Nośnikiem tlenu może być kalcyt w skorupkach organizmów morskich (termometry tlenowe) czy powietrze w lodzie. Żyjący organizm pobiera obydwa izotopy w takiej proporcji, jaka jest w wodzie – gdy obumrze, stosunek ten zostanie zachowany i można go pomierzyć. Otrzymane wyniki porównuje się z wzorcami (PDB, SMOW). Zmiany temperatury mogą odzwierciedlać także rudysty (a w strefach umiarkowanych – otolity). Lżejszy izotop odparuje łatwiej niż cięższy, ale w czasie zlodowacenia woda, która ma odparować z mórz (i do niej wrócić wskutek obiegu), zostaje uwięziona z nadmiarem ¹⁶O, zaś morza są wzbogacone o cięższy izotop. W interglacjale lżejszy izotop może powrócić do morza i wyrównać proporcje ¹⁸O/¹⁶O. Badania doprowadziły do wyróżnienia pięter tlenowych dla mórz Q, określane jako OIS (Oxygen Isotope Stage, na podstawie rdzeni lodowych) i MIS (Marine Isotope Stage, tlen w skorupkach otwornic z głębin). Ok. 100 pięter izotopowych dla Q.

Stratygrafia sekwencji.

• Obejmuje wiele metod stratygraficznych

• Jej początki sięgają l. 60. XX wieku, gdy badano Morze Północne, a firma Exxon wkrótce ujawniła wyniki, a także badania L. Slossa w 1963 (sukcesje osadowe na wybrzeżach USA, akty niedepozycji i erozji w centrum kontynentu)

• H. Wheeler (1964): sekwencje podzielone na parasekwencje, oddzielone nieciągłościami (niedepozycja lub erozja zapisane w czasie); linie czasowe odpowiadają refleksom sejsmicznym na przekrojach sejsmicznych

• Dwie prace (1977 i 1988) wydane przez „exxonowców”, w Polsce Krzywiec (1993) i Porębski (1996)

Założenia:

• Eustatyczne wahania poziomu morza są stałym elementem historii geologicznej Ziemi

• Są miejsca na Ziemi, gdzie eustatyka > sedymentacja + tektonika (konkretnie to pasywne brzegi kontynentów)

• Architektura kompleksów osadowych pasywnych szelfów jest czytelna na przekrojach sejsmicznych

Zasady:

• Osadowa powłoka skorupy ziemskiej składa się z sekwencji, czyli jednostek ograniczonych powierzchniami nieciągłości

• Powierzchnie ograniczające sekwencje (parasekwencje) zapisują refleksy sejsmiczne i są izochroniczne

• Powstanie powierzchni zależy od trzech czynników: tempa zmian eustatycznych, tempa sedymentacji i tempa subsydencji

• Możliwe jest przejście z przekroju sejsmicznego na przekrój chronostratygraficzny i określenie w ten sposób zmian względnego poziomu morza

• W konsekwencji można określić zmiany bezwzględne poziomu morza w korelacji z zapisem chronostratygraficznym

Sekwencja – jednostka stratygraficzna złożona ze stosunkowo zgodnej sukcesji skalnej genetycznie ze sobą powiązanych warstw, ograniczona przez niezgodności bądź korelatywną zgodność (niezgodność stopniowo przechodzi w ciągłość).

Niezgodności:

• Nonconformity – kontakt różnych genetycznie skał (magmowe/osadowe)

• Unconformity – niezgodność kątowa (osadowe)

• Disconformity – niezgodność erozyjna (wspólny styl tektoniczny, ale widać luki sedymentacyjne)

• Paraconformity – prawie-zgodność (luka stratygraficzna bez cech erozji)

LST (ciąg systemów niskiego stanu): wcięcia dolinne, kaniony, sedymentacja stożka osadów niskiego poziomu morza (częste turbidyty, debris flow), przykrycie klinem osadów deltowych (pryzma osadów niskiego poziomu morza, granica I typu); szybki wzrost przestrzeni akomodacyjnej

TST (ciąg systemów transgresywnych): prawie nie widać na przekroju; kontakty typu onlap; następstwo retrogradacyjne, mała miąższość; utwory skondensowane na dystalnym przedpolu morskim

HST (ciąg systemów wysokiego stanu): następstwo progradacyjne, kontakt typu toplap i downlap, bypassing (transfer) osadów litoralnych – rozwój równi pływowych, deltowych; regresja przy stałym poziomie morza

SMST (shelf margin system tract): rozwój płytkiego szelfu, granica sekwencji II typu (między toplap i onlap)

Rodzaje sekwencji:

- depozycyjna (exxonowska): granicami są niezgodności subaeralne

- genetyczna (Gallowaya): granicami są powierzchnie maksymalnego zalewu (mfs)

mfs – reprezentuje ciągłe następstwo (a nie przerwę w sedymentacji), zawiera faunę, zwykle możliwa do wychwycenia geofizyką otworową (piki minerałów radioaktywnych w skondensowanym osadzie)

Zastrzeżenia:

• Szczególna pozycja modelowych profili

• Pomija lokalne uwarunkowania (np. tektonikę blokową)

• Tylko pasywne brzegi i duży obszar

• Zakłada regularne i permanentne wahania poziomu morza, choć brak dowodów

Aplikacje w sekwencjach polskich:

• Cechsztyn: zdenudowane równiny z rzekami roztokowymi niosącymi materiał; biały spągowiec LST, łupek miedzionośny TST, wapienie HST (w nich koniec cyklu), wytrącenie solanek LST, “rozbełtane” ewaporaty TST, potem HST

• Dolna jura basenu polsko-niemieckiego: z charakterystycznym warstwami węgla, np. Sołtyków koło Stąporkowa i kamieniołom Podole

• Karbon lubelski: w utworach paralicznych; ruchy eustatyczne na szelfie Laurusji

• Baden zapadliska przedkarpackiego: środowisko depozycyjne serii nadewaporatowej w rejonie Kraków-Brzesko; Morze Paratetydy – klastyki blisko zapadliska, na N wapienie litotamniowe, spłycenie zbiornika – gipsy; sypiące się utwory w postaci sarmatu detrytycznego

Biostratygrafia.

Przedmiotem biostratygrafii są taksony (w ujęciu paleontologicznym), a najważniejszą jednostką jest gatunek. Według biologów gatunek to grupa naturalnych, krzyżujących się populacji, rozrodczo izolowanych od innych grup. Typologicznie (w paleontologii) to populacja osobników podobnych do okazu wzorcowego (holotypu).

Problemy:

• Niejednorodność morfologiczna (zmienność osobnicza, polimorfizm i dymorfizm płciowy)

• Niekompletność zapisu (np. u diplopor)

• Fragmentaryczność organizmu (konodonty) -> trzeba ratować się analizą statystyczną i szczęśliwymi znaleziskami

• Subiektywizm taksonomii (model powstawania gatunków wg gradualizmu i punktuacjonizmu)

• Stratygrafia – kiedy FAD i LAD, czas trwania gatunku (małże J-K 0,5-5 Ma, inoceramy 0,43 Ma)

• Szybkość rozprzestrzeniania się gatunku (w czasie geologicznym praktycznie izochroniczna), zależna m.in. od środowiska i barier ekologicznych (które prowadzą do bioprowincjonalizmu)

Cechy taksonów przydatnych dla biostratygrafii:

• Szybkie tempo ewolucji

• Rozległe rozprzestrzenienie biogeograficzne i mechanizm rozprzestrzeniania

• Znaczna częstość występowania

• Wyrazistość cech morfologicznych

• Umiarkowana tolerancja na środowisko (nie za duża, bo byłyby długowieczne)