Наука Урала. Пермская система: история изучения в России и перспективы

Пермская система: история изучения в России и перспективы

…В соответствии с одним из определений, стратиграфия (от латинского «стратум» — настил, слой, и греческого «графо» — пишу, черчу, рисую) — наука об определении относительного геологического возраста осадочных горных пород, расчленении их толщ и соотношении различных геологических образований. Для геологов это основа, фундамент, на котором строится значительная часть их работы. Но фундамент этот, как и сами земные недра, не есть что-то застывшее, раз и навсегда утвержденное, он постоянно корректируется, обновляется, новые поколения ученых вносят в него свои поправки. Международная стратиграфическая шкала создавалась усилиями огромного количества исследователей и постоянно развивается. У нее есть своя история, свои герои. Одна из значительных страниц этой истории — создание пермской геологической системы — связана с Россией, конкретно с уральской землей. В нынешнем году исполнилось ровно 170 лет с момента обоснования системы. Этому событию была посвящена научная конференция, прошедшая в сентябре в Перми. Ее организаторами стали Пермский государственный национальный исследовательский университет, точнее — геологический факультет, кафедра региональной и нефтегазовой геологии (зав. кафедрой профессор, доктор геолого-минералогических наук Т.В. Карасева) и Горный институт УрО РАН (директор доктор технических наук А.А. Барях). Финансовую поддержку оказали Российский фонд фундаментальных исследований и Горный институт УрО РАН. Одним из самых авторитетных участников конференции был член-корреспондент РАН Б.И. Чувашов, много лет занимающийся данной темой. Предлагаем вниманию читателей статью Бориса Ивановича об истории и перспективах изучения пермской системы.


ЧТО ТАКОЕ ПЕРМСКАЯ СИСТЕМА
Пермский период (временной аналог системы) с некоторым округлением охватывает время от 300 млн до 250 млн.лет назад, т.е. его продолжительность — 50 млн лет.

Довольно долго пермская система, или в обыденном обращении пермь, подразделялась на две части: нижнюю и верхнюю. В настоящее время система делится на три части — нижнюю пермь, стратотипом которой является Западный Урал, среднюю пермь — стратотипической местностью является юго-запад США, и верхнюю. Типовым разрезом верхней перми определен Южный Китай. Из 50 млн лет — общей длительности пермского периода — 28 млн лет приходится на нижний отдел системы, следовательно, суммарная длительность среднего и верхнего отделов всего 22 млн лет. Нижний отдел делится, в свою очередь, на ярусы (снизу): ассельский (название от реки Ассель в Башкирии), сакмарский (от реки Сакмара на Южном Урале), артинский — от Артинского завода на реке Уфа в Свердловской области и кунгурский — от города Кунгур в Пермском крае.

Пермская система является единственным отрезком геологической истории, который был обоснован на территории России и имеет свои корни в виде стратотипов ярусов, т.е. образцовых разрезов, представляющих последовательность отложений, содержащих разнообразную фауну и флору, а также слои вулканических туфов, позволяющих определение изотопного возраста.

Пермский период был заключительным периодом палеозоя — эры древней жизни. По особенностям палеогеографии пермский отрезок истории Земли называется геократическим. Иначе говоря, планета развивалась с преобладанием на ее поверхности суши, что было следствием тектонической активности, сопровождающейся горообразовательным процессом на всех континентах.

На территории Европейской России период делится на два интервала — отдела: нижняя пермь представлена морскими отложениями, в верхнем отделе преобладают наземные (континентальные) образования. В пермский период сформировалась массовая наземная фауна тетрапод, крупных наземных позвоночных — как травоядных, так и хищных.


ОТКРЫТИЯ МУРЧИСОНА
Основателем пермской системы является английский геолог, шотландец по происхождению Родерик Импи Мурчисон, который ко времени своих двух путешествий по России в 1840 и 1841 гг. уже был соавтором двух новых геологических систем — силурийской и девонской. О жизни и профессиональной деятельности Р. Мурчисона рассказано в немногочисленных статьях (Шатский, 1986; Чувашов, 2010). Беллитризованнный вариант жизнеописания этого геолога предложен в романе пермского геофизика С.И. Ваксмана.

Время установления системы по материалам с территории России обычно определяется по письму Р. Мурчисона, отправленному 26 сентября (8 октября нового стиля) 1841 г. профессору Московского университета Фишеру фон Вальдхейму, в котором он сообщает о своем открытии. На русском языке письмо было опубликовано в Бюллетене Московского общества испытателей природы.

Однако мысль о возможности установления пермской системы зародилась у Мурчисона еще во время первого путешествия в Россию в 1840 г. В своем путевом дневнике того периода он писал: «Во время нашей поездки в Устюг Великий мы случайно обнаружили красные плитняки с окаменелостями. Эти красноцветные породы с гипсами, которые очень похожи на наш (английский — Б.Ч.) новый красный песчаник, мы намереваемся в следующем году сгруппировать под моим новым названием Пермь. На Усть Ваге мы обнаружили прекрасный разрез и нашли много окаменелостей» (Murchison s Wаndering in Russia, 2007, p. 8. Здесь и далее перевод английского текста выполнен автором статьи).

В первом томе итогового издания «Геологии России и хребта Уральского» Мурчисон писал: «Каменноугольная система перекрывается восточнее Волги целой серией слоев мергелей, сланцев, известняков, песчаников и конгломератов, которой я предлагаю дать название «Пермская система», поскольку эта серия представляет, в целом, нижний новый красный песчаник, магнезиальный известняк или цехштейн, которые не могут точно классифицироваться по последовательности слоев или их наполнению с германскими или британскими отложениями этого возраста».

В первоначальном объеме пермской системы, в понимании Мурчисона, весь ее современный нижний отдел относился к карбону. Во время путешествия на Урал Мурчисон с группой сопровождающих пересек восток Русской платформы и Западный Урал от Казани до Перми и далее до Екатеринбурга. В современном понимании от Кунгура до села Киргишаны этот путь проходит по нижнепермским отложениям. Путешественники много раз останавливались и изучали придорожные выходы, собирали окаменелости фауны, большей частью брахиопод, но в дневниковых записях нет ни одного упоминания о том, что они проезжают по пермской системе.

В 1841 г. Э. Вернейль (знаменитый в то время французский палеонтолог) со спутниками на лодках проплыли по реке Уфе от Михайловского завода до Красноуфимска. На этом пути полностью обнажены отложения нижней перми, но опять-таки мы не находим у путешественников никаких замечаний относительно пермской системы.

На карте, сопровождающей монографию Мурчисона и коллег «Геология России и Урала», копия которой является одним из приложений к путевым запискам, восточная граница пермских отложений проходит таким образом, что главное поле распространения нижнепермских отложений отнесено к каменноугольной системе. Следовательно, по Мурчисону пермская система ограничивалась верхним ее отделом при двухчленном делении с добавлением на востоке Европейской России карбонатно-сульфатных образований кунгурского яруса.

Однако в целом, учитывая состояние стратиграфии и геологии на то время, заслуги Мурчисона в геологии надо признать выдающимися. В течение двух полевых сезонов он с небольшим штатом помощников составил первую геологическую карту Европейской России и Урала. Почти полвека представления этого исследователя были основополагающими для российских геологов. Заслуженной наградой Мурчисону стал памятный знак на реке Чусовой у села Чусовое, установленный в его честь по инициативе президента Урало-Шотландского общества Б.С. Петрова в июне 2009 г.

ПРОДОЛЖАТЕЛИ ИЗ РОССИИ
Современный (Западноуральский ) нижний отдел перми фактически был обоснован российскими геологами. А.П. Карпинский ввел для нижнего отдела понятие переходного подразделения — пермокарбона, эквивалентом которого считался артинский ярус (1884). Позже Александр Петрович разделил артинский ярус на две части, основываясь на закономерностях развития головоногих моллюсков — аммоноидей (1891). Нижний комплекс был установлен на р. Сакмара, а верхний — на р. Уфа в районе Артинского завода. Этим были заложены основы двух ярусов — сакмарского и артинского.

А.А. Краснопольский, автор 126-го листа геологической карты Западного Урала (1889), был первым исследователем, который высказал положение, что современный нижний отдел следует относить к пермской системе. Он полагал, что нецелесообразно выделение переходных отложений между системами.

Последующая история изучения «артинского яруса» Карпинского сводилась, главным образом, к его дроблению. В 1890 г. А.А. Штукенберг «отщипнул» от этого яруса верхнюю часть в качестве кунгурского яруса. Первые робкие соображения о сакмарском ярусе принадлежат Г.Н. Фредериксу на базе разреза «нижнего пояса с аммоноидеями» по р. Сакмара у cт. Кондуровка (1918). Этот ярус был также стратиграфическим подразделением без четкого обоснования границ.

М.Э. Ноинский высказал важное для той поры соображение, что карбонатно-терригенные отложения со швагеринами (фораминиферы) должны относится к пермской системе (1922). Эта часть разреза не входила в артинский ярус или пермокарбон Карпинского. Доклад Ноинского был опубликован только в 1934 г. вместе со статьей Н.П. Герасимова, который поддержал идею Ноинского о положении нижней границы системы.

В 1937 г. Н.П. Герасимов (профессор Казанского, а позднее Пермского университетов) опубликовал статью «Уральский отдел пермской системы», где рассмотрел спорные проблемы стратиграфии перми со следующими выводами.

1. Основываясь на находках головоногих моллюсков в карбонатных толщах Стерлитамакских гор-одиночек (рифов), он привел доказательства синхронности известняков западной окраины Предуральского прогиба и терригенных толщ его восточной части. В то время карбонатная нижняя пермь относилась к карбону.

2. С его точки зрения, нижняя граница системы должна проводиться по появлению швагерин, своеобразных и довольно крупных одноклеточных организмов — фораминифер, появление которых произошло почти одновременно на всем земном шаре.

3. Пермская система была подразделена на два отдела: нижний — морской и верхний, с абсолютным преобладанием наземных отложений.

В 50-х — 60-х гг. в результате работы палеонтологов создана серия значительно измененных ярусов с обоснованием их границ. Более обоснованными с позиций биостратиграфии были выделенные В.Е. Руженцевым по аммоноидеям ассельский, сакмарский и артинский ярусы. Артинский ярус в новом объеме явился остаточным звеном от его первоначального содержания (по А.П. Карпинскому) и равнялся его верхнему аммонитовому поясу, типовыми разрезами которого послужили отложения с аммонитами на р. Уфа, обнаженные от Артинского завода до г. Красноуфимск.

Аммонитовые ярусы в терригенных и карбонатно-терригенных отложениях на основании фузулинид (общее название для крупных до 12 см одноклеточных фораминифер) сопоставлялись с карбонатными типами разрезов. Горизонты более уверенно выделялись в карбонатных разрезах по фузулинидам (Раузер — Черноусова, 1939). В результате произошло фациальное разделение разных по значению стратотипов: ярусные стратотипы оказались в сфере распространения, прпимущественно терригенных (обломочных толщ), стратотипы горизонтов в своем большинстве располагались среди карбонатных, в том числе и рифовых массивов.

В ходе нескольких стратиграфических совещаний Всесоюзного и регионального ранга происходила унификация границ, объемов ярусов, биостратиграфических зон. В связи с поисками полезных ископаемых и геологического картирования на всей территории СССР широкое ведение геологических исследований потребовало унификации стратиграфических единиц. Такая работа продолжалась до девяностых годов прошлого века. Последние достижения этого периода по стратиграфии и корреляции пермской системы были зафиксированы в трудах Уральского стратиграфического совещания 1993 г. в Свердловске.

В 1991 г. на Урале, в Перми состоялся Международный конгресс «Пермская система земного шара». В его организации приняли участие сотрудники Института геологии и геохимии и Горного института УрО АН СССР, Института геологии Уфимского филиала АН СССР, Института геологии Коми научного Центра АН СССР, ВНИГНИ (Москва), ВСЕГЕИ, Казанского и Пермского госуниверситетов.

Активное участие в организации Конгресса принял также Институт геологии и минерального сырья при Университете Южная Каролина (США). Президентом конгресса был академик Б.С. Соколов. Организационная работа осуществлялась под руководством двух Генеральных секретарей — автора этой статьи и А. Нейрна (Alan Nairn, Университет штата Южная Каролина). Путеводители экскурсий и последующие труды конгресса, изданные на русском и английском языках, редактировались ими же.

Конгресс сопровождался экскурсиями по разрезам верхней перми Русской платформы и Западного Урала. Проведены следующие экскурсии: Южноуральская, Среднеуральская, Волжская, а также Ленинградская, ориентированная на ознакомление с историей зарождения геологии в России. Изданы путеводители экскурсий на русском и английском языках.

С этого события начинается новый этап биостратиграфических исследований по программе GSSP (Обоснование ярусных границ в едином разрезе). На заседании Международной подкомиссии по стратиграфии пермской системы в г. Пермь было принято решение обеспечить обоснование ярусных границ нижнего отдела системы на материалах западного склона Урала. С этой целью был создана международная рабочая группа во главе с автором этих строк.

Специальная оценка старых ярусных стратотипов показала почти полную их непригодность на уровне элементарных требований, а тем более с позиций программы GSSP. При этом в биостратиграфических исследованиях произошла еще одна важная трансформация: ведущей группой при обосновании нижних ярусных границ стали конодонты — зубы примитивных позвоночных. Внедрение этой группы в обойму биостратиграфии перми Урала произошло ранее — в 1975 г., когда для участия в этой работе были приглашены доктор Хайнц Коцур (Германия) и доктор Е. В. Мовшович, которые уже познакомились с уральским материалом. Первые результаты такого сотрудничества опубликованы в 1989 году.

Кадровые проблемы по этому направлению исследований были окончательно решены с приходом в Институт геологии и геохимии УрО АН СССР В.В. Черных, который и довел конодонтовую биостратиграфию до современного мирового уровня. Наличие серии детально изученных опорных разрезов обеспечило быстрое внедрение этой группы в практику биостратиграфии. Результаты стали основой докторской диссертации В.В. Черных.

К настоящему времени работа по программе GSSP для нижнего отдела пермской системы завершена. В 2007 г. проведен Международный полевой симпозиум с демонстрацией ярусных стратотипов нижнего отдела системы членам Международной подкомиссии по стратиграфии пермской системы. Были практически одобрены стратотипы нижних границ ассельского, сакмарского и артинского ярусов, высказаны пожелания по поводу нижней границы кунгурского яруса о сближении в опорном разрезе артинской и кунгурской конодонтовой границ. В настоящее время все пожелания членов комиссии выполнены, и Международная рабочая группа надеется на утверждение Уральских ярусных стратотипов сакмарского, артинского и кунгурского ярусов.
В процессе обоснования ярусных стратотипов была решена еще одна важная задача: получение изотопных возрастных характеристик нижних границ ярусов нижнего отдела пермской системы. Это стало возможным также на основании находок прослоев вулканических туфов в новых стратотипах ярусных границ (см. таблицу). Изотопные исследования были выполнены в содружестве с сотрудниками Международного института по изучению пермской системы при Государственном университете штата Айдахо в г. Бойсе (США).

К настоящему времени все ярусные стратотипы нижнего отдела пермской системы на основании решения правительства Республики Башкортостан, принятого в 2007 г., являются охраняемыми памятниками природы.

Цифровые характеристики ярусных границ предоставляют реальные возможности сопоставления морских и континентальных отложений при наличии в них вулканических пород или их туфов. Эта возможность очень важна для уточнения корреляции, например, с такими районами России, как северо-восток Азии, а также для обширных полей развития перми на территории южных материков Гондваны (Австралия, Антарктида, Африка, Южная Америка).

Как уже сказано вначале, 170 летний юбилей пермской системы был отмечен 5–9 сентября нынешнего года научной конференцией «Пермская система: стратиграфия, палеонтология, палеогеография, геодинамика и минеральные ресурсы». Материалы конференции представлены в сборнике объемом в 300 страниц, включающем 67 докладов, разделенных на следующие секции: история установления пермской системы и этапы ее изучения; стратиграфия, палеонтология и палеогеография пермской системы; геодинамика и минеральные ресурсы. На конференции уточнены задачи дальнейших исследований в этих областях.

Последующие задачи изучения пермской системы

1. Программа GSSP предусматривает обоснование границ в едином разрезе. Эта работа выполнена российской стороной с участием зарубежных коллег для нижнего отдела. Для каждого яруса обоснован стратотип нижней границы как биостратиграфическим методом, так и методами изотопного датирования. В настоящее время стоит задача проследить эти границы на территории Урала и всей планеты.

2. Изотопное датирование уран-свинцовым методом по цирконам было начато на уральском материале в Австралии в 1995 по инициативе доктора Клинтона Фостера (K. Foster), затем работа продолжена сотрудниками Международного института по изучению пермской системы при Университете Айдахо, США. Обилие прослоев вулканических пеплов в разреза нижней перми на западном склоне Южного Урала дает возможность датировать не только ярусные границы, но и границы горизонтов и биостратиграфических зон, что позволит провести глобальное сопоставление основных фациальных типов как осадочных (морских и наземных) так и магматических пород этого времени.

3. Важнейшей задачей является обоснование верхней границы нижнего отдела и ее корреляция с основанием среднего отдела системы с типовым разрезом отдела на юге США. Решение этой сложной задачи также может быть достигнуто на уральском материале.

4. Накопленный лабораторией стратиграфии и палеонтологии Института геологии и геохимии УрО РАН материал позволяет уже сейчас создать новую стратиграфическую схему пермской системы Западного Урала — как на базе биостратиграфии, так и при использовании комплекса геохимических методов.

5. В конечном итоге усилиями международного коллектива специалистов по изучению пермской системы в результате постановки названных выше исследований может быть создана новая серия палеогеографических карт планеты для пермского периода.

6. Образования пермской системы богаты разнообразными полезными ископаемыми, среди которых прежде всего надо назвать энергетическое сырье — нефть, газ и уголь. Углубленное изучение пермской истории отдельных регионов мира будет содействовать освоению этих богатств.

7. Немалый интерес представляет и изучение всего разнообразного комплекса животных и растений этого столь удаленного от нас времени.

Б.И. ЧУВАШОВ,
член-корреспондент, советник РАН,
председатель Международной рабочей группы
по обоснованию ярусных стратотипов нижнего
отдела пермской системы,
титулярный член Международной подкомиссии
по стратиграфии пермской системы,
председатель Уральской региональной
межведомственной стратиграфической комиссии