Каменноугольная система и период

Под этим именем разумеют в геологии комплекс слоев до 4000 м мощности, сложенный из известняков, серой вакки, песчаников, конгломератов, глинистых сланцев, сланцеватых глин, каменного угля и антрацита, подстилаемый отложениями девонской системы и прикрываемый осадками пермской. Из всех геологических систем К. с издавна представляла особый интерес с промышленной точки зрения, так как заключенные в ней значительные скопления каменного угля, от которого она и получила свое наименование, и антрацита давно уже служили человеку богатейшим источником топлива. В поисках за этим полезным ископаемым, а затем при добыче и разработке невольно обращалось особое внимание на условия залегания его. Потому отложения этой системы являются наиболее изученными и притом в тех странах, где с быстрым развитием промышленности явилась потребность в больших запасах топлива, как, напр., в Англии, Бельгии, Франции и Германии. К поименованным осадочным породам необходимо причислить еще целый ряд сложных кристаллических горных пород, явившихся результатом извержений вулканов в интересующую нас эпоху. В таком случае и общая мощность составляющих К. систему пород должна быть в значительной степени увеличена. Из полезных ископаемых К. системы каменный уголь и антрацит бывают заключены в сланцеватых глинах, подчиненных песчаникам и пескам. Однако каменный уголь известен и в девонской, пермской и триасовой системах, но в гораздо меньшем количестве и встречается гораздо реже. Из др. полезных ископаемых необходимо отметить железные руды в виде глинистых сферосидеритов и угольных железняков. В некоторых странах (напр. в Бельгии) из одной и той же шахты добывается и руда, и необходимое для обращения ее в металл топливо. У нас в Донецком бассейне (см. ниже) также добыча К. угля и антрацита идет параллельно разработке здесь же добываемых железных руд. Далее, в числе полезных ископаемых можно назвать известняк [Храм Спасителя и многие другие здания в Москве построены из К. известняка, обнажающегося в окрестностях самой столицы], доломит, гипс, ангидрит: первые две породы как хороший строительный материал, вторые две — как материал для переработки в алебастр и, наконец, каменная соль. Серный колчедан — почти постоянный спутник каменного угля и притом иногда в таком количестве, что делает его негодным к употреблению (напр. уголь Моск. бассейна; см. ниже). Серный колчедан идет на выработку серной кислоты, из него же путем метаморфизации произошли те железные руды, о которых мы говорили выше. Наконец, серебристый свинцовый блеск (Клаусталь на Гарце) и другие свинцовые руды (Англия, Урал и др. местности) дополняют перечень полезных ископаемых. Многочисленные коллекции ископаемых К. системы дали обширный материал к познанию ее фауны и флоры. На первом месте, следуя зоологической систематике, необходимо отметить обширное развитие корненожек (Foraminifera) из группы простейших животных (Protozoa), вовсе неизвестных из девонских отложений. Из этих животных разные виды Fusulina переполняют известняки, так что, напр., в России часть этих последних долгое время известна была под именем фузулиновых известняков. Кораллы сохранили в общем девонский характер, но принимали большое участие в рифовых постройках. Из таковых особенно интересны Chaetetes radians Fisch., состоящая из узких, но длинных многогранных призм (камеры животного), тесно сплоченных между собой, пользующаяся особым распространением в К. известняках Европейской России. В Зап. Европе, особенно в Бельгии, такую же роль играет Michelinia favosa Kon., состоящая тоже из многогранных призм, но более широких и менее длинных, чем у предыдущей формы, и напоминающая при взгляде на нее сверху медовые соты. Из иглокожих особенного развития достигли морские лилии (Crinoidea), между тем морские ежи сохраняют еще девонский характер. Моллюски, пластинчатожаберные и брюхоногие, пользуются несколько большим развитием, чем в девонскую эпоху. Тут важно отметить факт появления пресноводных и наземных форм. Из пресноводных же пластинчатожаберных находим целый ряд форм из семейства Anthracosidae, весьма близко стоящего к ныне живущему семейству Unionidae. Головоногие и плеченогие, сохранив девонский характер, уже менее богаты видами. Из первых особенным развитием пользуются Orthoceras и Nautilus, из вторых — семейство Productidae. Из ракообразных почти совершенно исчезают трилобиты, которые сохранились еще в виде мелких представителей преимущественно из рода Phillipsia. Особенно характерно для К. эпохи внезапное и быстрое появление наземных представителей членистоногих: скорпионов, многоножек, прямокрылых и жуков. С каждым годом находки этих еще пока мало известных представителей учащаются. Рыбы пользуются большим развитием в К. эпоху и сохранили в общем девонский характер. Исключение составляют панцирные, которые быстро исчезают. Особенного развития достигает класс ганоидных, среди которых выделяется семейство Paleoniscidae, начавшее свое существование с этой эпохи и, без сомнения, родственное ныне живущему семейству Lepidosteidae из костистых рыб. Между прочим, мы в К. системе впервые встречаем пресноводных рыб. Наконец первое появление амфибий относится, насколько известно, к К. эпохе. Относимые к этому классу животные близки, с одной стороны, к двоякодышащим рыбам (Dipnoi), с другой стороны — к наземным и пресноводным ихтиодам, тритонам и саламандрам. Среди них уже встречаются снабженные панцирем ящероподобные амфибии, жившие на деревьях, как, напр., Dendrerpeton, остатки которого найдены в дупле вертикально погребенного ствола Sigillaria.

Наиболее интересной является флора в эту эпоху, в которую благодаря особым физико-географическим условиям (см. ниже) та самая растительность, зачатки которой находятся в более древних системах, успела достигнуть максимума своего развития. Почти вся К. флора составлена из представителей сосудистых тайнобрачных, из которых особенным развитием пользовались каламиты и сигиллярии. Затем идут ликоподиевые, лепидодендроны (близкие к плауновым), достигавшие до 30 м в высоту, и древовидные папоротники, которых одних насчитывается до 250 видов, тогда как общее число ныне живущих всего только около 60. Морская флора не пользуется особым развитием. Из явнобрачных большим распространением пользуются хвойные, которые известны еще и в девонской системе. Сюда же, именно к группе Cycadeae, некоторые геологи относят остатки растений, которые другими геологами причисляются к однодольным — это представители родов Nöggerrathia и Trigonocarpum. При обширности распространения К. флора мало разнообразна: на 800 пока определенных видов растений 700 принадлежат сосудистым тайнобрачным. Теперь можно представить себе картину физико-географических условий К. эпохи. Между тем как в девонскую эпоху море значительно преобладало над сушей, в К. эпоху суша занимала далеко не столь ничтожное пространство земной поверхности. Она обладала извилистыми контурами берегов и представляла большие низменные пространства в виде болот и затопляемых морскими волнами побережий. Эти низменные пространства были покрыты богатой растительностью, которая тут же погребалась и под водой путем разложения отлагалась в виде пластов каменного угля (см. Каменный уголь). Кроме низменных пространств, суша представляла и песчаные континентальные участки, на которых произрастали хвойные. О существовании в континентальных частях суши и гор нельзя сказать ничего положительного. Существование болотистых озеровидных пространств на К. материках доказывается песчано-глинистыми осадками с погребенными в них растениями, пресноводными моллюсками, ракообразными, насекомыми и амфибиями. Как в предыдущие и последующие эпохи, море и в К. эпоху преобладало все же над сушей, отличалось значительной глубиной и отлагало известняки с обильными остатками глубоководной фауны, судя по которой, оно было заселено весьма схожими представителями с таковыми девонской системы. Вблизи от берегов кораллы воздвигали большие рифовые постройки (такой береговой риф, имеющий обширное протяжение, известен у нас по сев.-вост. границе Московского К. бассейна), а на значительных глубинах жило множество корненожек. Однако отношения между сушей и морем не были постоянны. Судя по тому, что в ряду К. осадков мы местами видим чередование глубоководных отложений (т. е. известняков) с прибрежными (пески и глины) и даже наземными, мы должны допустить, что по крайней мере значительные части материков то погружались под уровень моря, то выдвигались. Ни в одной эпохе эти так наз. вековые колебания не происходили так часто и интенсивно, хотя и весьма медленно, как в К. Прибрежные пространства суши, на которых росла и погребалась обильная растительность, погружались, и даже значительно, под уровень моря. Условия постепенно изменялись. На наземные болотистые отложения осаждались пески, а затем и известняки. В других же местах происходили обратные явления. Были и такие пространства, где погружение под уровень океана происходило в течение всей К. эпохи, как, напр., в Московском каменноугольном бассейне (см. ниже), где на прибрежные осадки отлагались известняки из моря, которое все становилось глубже и глубже. Вулканизм продолжал проявлять свою деятельность и в К. эпоху. У нас в России к К. эпохе относят некоторые изверженные породы в Земле Войска Донского, в Херсонской губ. (Кривой Рог), в Тиманском кряже и на Урале. По мнению некоторых ученых, атмосфера в К. эпоху должна была содержать гораздо больше углекислоты, чем теперь, потому что обильная и притом гигантская растительность должна была поглощать значительное количество этого газообразного вещества. Растение себе добывает углерод преимущественно из воздуха (см. Дыхание растений), значит, значительные залежи каменного угля и антрацита — остатки К. флоры — заимствовали весь свой углерод из воздуха. Некоторые ученые допускают даже и то, что необходимая для образования известняка углекислота отчасти заимствована была из атмосферы. Тем не менее, большее количество, чем есть теперь, углекислоты в атмосфере не мешало существованию наземной фауны в виде насекомых, скорпионов и амфибий. Относительно климата силурийской и девонской эпох мы можем только сказать, что он вообще был тропический и притом на всей земной поверхности одинаков. О климате К. эпохи мы можем судить несколько точнее. Всюду, где только найдены К. отложения, эти последние сопутствуются почти совершенно одинаковой фауной и в особенности флорой. Так, на крайнем севере — на Новой Земле, на Медвежьих островах, на Шпицбергене, на крайнем юге — на Огненной Земле, на экваторе — везде существовали или совершенно одинаковые, или весьма близкие друг к другу фауна и флора. Следовательно, климатические условия в эту эпоху на всем земном шаре были одинаковы. Входящие в состав флоры представители ликоподиевых, сигиллярий и древовидных папортников указывают на то, что климат был влажным и жарким. Среднюю температуру в К. эпоху некоторые ученые принимают 20-25° Ц. С точностью можно только сказать, что в ту эпоху морозов вовсе не было.

Исключая Европейской России, всюду нижние горизонты К. системы выражены морскими отложениями, именно известняками, которым иногда, следуя примеру англичан, дают наименование горных, с богатой фауной, состоящей из кораллов, корненожек, морских лилий, плеченогих и др. Известняк, как, напр., в Германии, заменен свитой глинистого и кремнистого сланца, сланцеватого известняка и серой вакки, известной под именем кульма, тоже с морской фауной, состоящей преимущественно из двустворчатых и головоногих. Это мелководная фация предыдущей. Верхние горизонты образованы обыкновенно песками и сланцеватыми глинами, которые иногда несколько раз переслаиваются между собой. В сланцеватых глинах и заключен каменный уголь, количество пластов или флёцов которого иногда весьма значительно. Угленосные песчано-глинистые слои известны нередко под именем продуктивного отдела К. системы. В Европейской России (в Московском бассейне) имеется совершенно противоположное. Там продуктивный отдел составляет нижние горизонты, а горный известняк — верхние горизонты К. системы. Во всей Зап. Европе К. пласты сильно выведены из горизонтального положения и претерпели сдвиги, сбросы и т. д.

В Англии осадки К. системы занимают пространство в 480 кв. миль и покоятся отчасти на архейских, отчасти на девонских отложениях. По характеру петрографических изменений в нижнем отделе осадки К. системы разбиваются здесь на 3 группы: отложения Сев. Шотландии, отложения Южной Шотландии, Сев. и Средней Англии и, наконец, Южн. Валлис и Девоншир. Морские отложения выражены здесь горным известняком — нижний ярус нижнего отдела, и жерновым песчаником — верхний ярус нижнего отдела. Для них характерны формы Spirifer striatus, Productus giganteus и др. Верхний отдел образован песчаниками и сланцеватыми глинами с углем и антрацитом и заключает характерную для него форму Stigmaria, представляющую собой корни сигиллярий. На материке обширный каменноугольный бассейн занимает сев.-вост. часть Франции, Бельгию, откуда переходит в Германию. Нижний отдел выражен здесь сплошь известняками, которые, согласно геологу Дюмону, подразделяют на три яруса, начиная снизу: известняк с криноидеями, далее доломит и, наконец, известняк с Productus. Первые два яруса известны под именем известняка Турнэ, третий — известняка Визэ. Продуктивный отдел выражен твердым песчаником и сланцеватыми глинами с углем. Пласты его сильно изогнуты, сдвинуты и заполняют котловины нижнего отдела.

В Германии горный известняк известен только по Рейну, в других же местностях он заменен мощною группой глинистого и кремнистого сланца, сланцеватого известняка и серой вакки, получившей наименование кульма и заключающей характерные ископаемые, преимущественно из группы пластинчатожаберных моллюсков (Posidomya Becheri) и головоногих (Goniatites sphaericus). Продуктивный отдел, и здесь состоящий из песчано-глинистых отложений, отличается большой мощностью и богатством каменного угля. По южному склону Гунсрюка расположен известный Саарбрюккенский бассейн. Согласно геологу Вейссу, весь этот бассейн подразделяется на 2 яруса: нижний — саарбрюккенские слои, богатые углем, и отвейлерские — бедные углем. В Силезии известны в нижнем отделе обе фации — горный известняк и кульм.

В Австро-Венгрии и Америке известны также большие площади К. осадков, в общем напоминающих вышеописанные.

В России К. отложения принадлежат 4 бассейнам и занимают громадную площадь. Московский К. бассейн, начинающийся у берегов Белого моря (от Канинского полуо-ва) сперва узкой полосой, постепенно расширяющейся к Ю. по губерниям: Архангельской, Олонецкой и Новгородской и обнимающий почти всю Тверскую, Московскую, Рязанскую и части Ярославской, Тульской и Калужской губ. Южной границей его служит центральная девонская ось, северо-зап. же — Валдайская возвышенность. Площадь, занимаемая этим бассейном, не менее 310000 кв. км. Если провести геологический разрез от Валдайских гор по направленно к г. Калуге и далее до пересечения с центральной девонской площадью, то профиль укажет нам, что К. осадки отложились здесь в котловине, которая образовалась благодаря динамометаморфизму в подстилающих их девонских известняках. Нижним отделом К. системы являются здесь песчано-глинистые осадки, содержащие каменный уголь, т. е. продуктивный отдел Западной Европы. Он покоится здесь на отложениях Малевко-Мураевнинского яруса, служащего переходом между девонской и К. системами. Верхний же отдел образован известняками. Итак, в Зап. Европе продуктивный отдел залегает на горном известняке, здесь же — под горным известняком. Значит, когда в Зап. Европе было глубокое море, в Европейской России море было весьма мелкое, дно которого, однако же, постепенно опускалось, так как на песчано-глинистые слои стал осаждаться известняк с фауной, составленной преимущественно из плеченогих и корненожек. Таким образом К. море, постепенно отступавшее на С.В. в конце девонского и начале К. периода, снова начало постепенно наступать во время отложения нижних известняковых толщ, чтобы затем снова начать отступление ко времени отложения верхних горизонтов. Верхний отдел, образованный известняками, издавна подразделялся разными учеными то на три, то на два яруса. Не имея возможности вдаваться здесь в подробности подразделений (интересующиеся найдут их в учебниках и специальных работах Щуровского, Иностранцева, Меллера и Струве), изложим здесь последнее подразделение, данное Никитиными Нижний отдел слагается: 1) продуктивным ярусом и 2) известняком с Productus giganteus Mart. Затем между нижним и верхним отделом лежит подъярус с Spirifer Kleini Fisch., или Серпуховский ярус, образованный доломитизированными известняками. Верхний отдел образован, начиная снизу: 1) Московским ярусом с Spirifer Mosquensis Fisch. (белые известняки) и 2) Гжельским ярусом с Chonetes uralica Möll. (доломиты). По направлению к В. К. отложения Московского бассейна скрываются под более новыми отложениями и снова выступают по Волге, в губерниях Симбирской, Саратовской и Самарской. Донецкий К. бассейн распространяется отчасти по Екатеринославской губ., отчасти по Земле Войска Донского и занимает площадь не менее 19000 кв. в. Прикрытые с С., В. и З. более новыми отложениями К. отложения этого бассейна имеют еще гораздо большее подземное протяжение. Осадки К. системы образованы здесь преимущественно слюдистыми песчаниками с характером аркоз и псаммитов, с подчиненными им сланцеватыми глинами, заключающими превосходного качества К. уголь и антрацит, и известняками. Пласты перечисленных пород выведены из горизонтального положения и изобилуют складчатостью и сдвигами, причем местами угол падения пластов достигает 60°. Судя по породам, слагающим здесь К. отложения, в данной местности были частые колебания морского дна, результатом которого и была несколько раз повторявшаяся смена мелководной фации глубоководной с преобладанием первой. Донецкий бассейн соединялся с Московским на В. по бассейну р. Волги, где было открытое и глубокое К. море. Преобладание песчанистых осадков, с одной стороны, и взгляд на карту реставрировки материков и морей той эпохи, с другой — убеждают нас уже в том, что Донецкий бассейн был неглубоким заливом русского К. моря, в котором погребались растения, успевшие заселить топкие прибрежные пространства, выдвинутые из-под уровня моря. Этот залив по направлению к В. становился глубже, на что указывает уже преобладание там известняков. Подразделение и параллелизация отложений Донецкого бассейна представляли предмет занятий многих ученых, как то: Ле-Пле, Мурчисона, Гурова и др. Не имея возможности входить в детальное рассмотрение каждой из схематизации, мы остановимся только на самой последней, принадлежащей Чернышеву, Лебедеву и Лутугину. По их наблюдениям, Донецкий бассейн удобно разделяется на две площади: на Калмиусскую по р. Калмиусу и на Лисичанскую, более сев.-восточную. В первой развиты нижний и часть среднего яруса, во второй — только верхний ярус. Нижний ярус с Productus giganteus подразделяется на 7 горизонтов, сложенных то известняками, то песчаниками с подчиненными им сланцеватыми глинами, антрацитом и К. углем. Средний ярус выражен теми же породами, но с характерной формой Spirifer Mosquensis. Уголь и антрацит встречаются и здесь, но с присоединением еще обильных железных руд. Верхний ярус отождествлен с верхним же ярусом каменноугольной системы Урала и Тимана (о котором см. ниже) и образован известняками и песчано-глинистыми осадками. Необходимо еще добавить, что в Донецком бассейне К. отложения покоятся отчасти на девонских известняках, отчасти же на кристаллических архейских породах. Кверху же они постепенно через Дружковский ярус переходят в пермские осадки.

Тиманский кряж и Урал представляют один тип К. отложений. В Тиманском кряже эти последние являются в виде двух полос, окаймляющих кряж с зап. и вост. сторон. Здесь мы имеем лишь средний и верхний яруса, выраженные известняками и доломитами с Spirifer mosquensis, прикрытыми таковыми же породами с фузулинами. Вдоль Уральского хребта тянутся также две полосы К. отложений, сложенных внизу песчаниками, глинами и конгломератами, содержащими на восточном склоне каменный уголь (нижний ярус нижнего отдела) и темными известняками с Productus giganteus (верхний ярус нижнего отдела); на этих породах залегают кварцевые, иногда слюдистые песчаники и сланцеватые глины с углем и железными рудами (нижний ярус верхнего отдела) и известняки с фузулинами (верхний ярус верхнего отдела). На восточном склоне Урала замечается в последовательности осадков некоторое отличие. Так, К. осадки здесь можно подразделить на три яруса: нижний, сложенный песчаниками и сланцеватыми глинами с К. углем, затем следуют известняки с Productus giganteus и Spirifer Mosquensis (средний ярус), прикрываемые конгломератами, сланцами и песчаниками с подчиненными им известняками. Через Артинский ярус (см. Пермско-каменноугольный ярус) К. отложения Урала постепенно переходит в пермские.

К. отложения в Польше, именно в Петроковской и смежных губерниях, принадлежат Силезскому бассейну, и продуктивный отдел здесь залегает на известняках. Пласты здесь выведены из горизонтального положения и образуют ряд котловин, из которых наиболее исследована котловина у Домброва, где на продуктивном отделе покоятся триасовые известняки. Польша, несмотря на небольшое протяжение К. пластов, весьма богата К. углем. В ней известно до 30 копей, разрабатывающих около 103 млн. пд. хорошего качества угля (1884).

Г. Петц.