Геология четвертичных отложений / КУРС ЛЕКЦИЙ / QUARTER LAST

1.ПРЕДМЕТ, ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ИСТОРИЯ НАУКИ

1.1. Предмет, цели и задачи геологии четвертичных отложений

Геология четвертичных отложений – раздел исторической геологии,

который изучает завершающий и самый короткий период развития Земли – четвертичный (квартер). Объектом изучения науки служит самый верхний слой земной коры. С этим связаны две, кажущиеся парадоксальными, осо- бенности науки. Хотя объект исследований находится буквально под ногами, ученые заинтересовались им позднее, чем более древними, глубоко залегающими отложениями. Более того, невзирая на огромный объем собранной информации, геология четвертичных отложений остается одной из самых дискуссионных геологических дисциплин.

Теоретические и прикладные цели данной науки взаимосвязаны. Первая теоретическая цель – установить закономерности и историческую последовательность развития природных процессов в четвертичном периоде. Из нее вытекает практическая цель: дать прогноз развития природных процессов на будущее. Вторая теоретическая цель – определение генезиса четвертичных отложений. С ней связаны утилитарные цели: выявить размещение и запасы полезных ископаемых, дать заключение о возможности строительства на конкретной территории.

Достижению этих целей способствует решение следующих задач.

∙Выявить особенности состава, залегания и распространения четвертичных накоплений.

∙Реконструировать условия и характер работы геологических сил, сформировавших эти отложения.

∙Исследовать динамику климатических процессов, развитие растительного и животного мира.

∙Произвести стратиграфическое расчленение четвертичной толщи.

∙Установить и стратиграфически обосновать нижнюю возрастную границу четвертичного периода.

Выполнение перечисленных задач должно вестись комплексно, как в региональном, так и в глобальном масштабе. Специфика дисциплины определяется особенностями четвертичных отложений, которые сформировались своеобразными, но закономерными природными процессами.

В предлагаемой работе сделан акцент на исследования, проведенные белорусскими учеными. Мелким шрифтом набрана дополнительная информация, а также, в разделах с 9 по 18 – характеристика четвертичных образований, отсутствующих в пределах Беларуси.

3

1. 2. Закономерности развития природы и особенности четвертичных отложений

В четвертичных отложениях запечатлена история развития планеты за последние 1,76 млн. лет. Это время ознаменовалось глобальными и многократными климатическими перестройками: от сухих и морозных условий ледниковых этапов до влажных и теплых межледниковых. Изменения климата влекли смену геологических процессов, и на поверхности суши накопился пестрый чехол осадков, отличающихся генезисом и составом, возникли разнообразные типы и формы рельефа.

Главная особенность четвертичного периода заключается в резком по-

холодании – только в квартере на просторы умеренных широт распространились условия, аналогичные нынешним антарктическому и арктическому поясам. Именно по этой особенности квартер выделяют в составе кайнозойской эры.

Четвертичные отложения покрывают почти всю поверхность планеты. Их мощность колеблется от нескольких сот метров до нескольких санти-

метров. Главная особенность генезиса четвертичных отложений суши за-

ключается в том, что на суше они представлены континентальными разностями – масштабных морских трансгрессий в квартере не происходило. Лишь на прибрежных низменностях переслаиваются морские и континентальные четвертичные образования.

Авторы классического труда “Четвертичный период (ледниковый период – антропогеновый период)” указывают на четыре главных законо- мерности развития природы в четвертичное время: глобальность, направленность, ритмичность и провинциальность [27].

Глобальность – климатические изменения носили общепланетарный характер, в наибольшей степени проявляясь в высоких и умеренных широтах Земли. Трансформациям подвергались все природные компоненты. Климатические метаморфозы немедленно отражались на растительности и животных. Их реакцией были вынужденные и массовые миграции, видоизменения в попытках приспособиться и гибель тех, кто не успевал в этой гонке за жизнью. В итоге, на месте одних природных зон возникали другие, с совершенно новым набором обитателей. В пределах суши климатический калейдоскоп поочередно вызывал то господство флювиальных процессов, то ледниковых и мерзлотных. В теплых и влажных условиях межледниковий главным геологическим агентом являлась вода. В холодные этапы господствовала деятельность покровных ледников и мерзлотных процессов.

4

Провинциальность природных изменений обусловлена климатическими и тектоническими факторами. Амплитуда климатических изменений нарастала от тропических широт к полярным. Климат межледниковых и ледниковых эпох на окраинах материков отличался температурами, а в центре континентов – влажностью. Геологические процессы отличались на территориях ледниковых и внеледниковых, на равнинах платформ и в горноскладчатых поясах, по-разному протекали они как на удаленных, так и, нередко, на смежных площадях. Поэтому абсолютно непохожие по составу и происхождению отложения могут характеризовать один и то же отрезок времени в пределах Белорусского Поозерья и Полесья.

Направленность природных процессов обусловлена ростом суровости климата. Тенденция к похолоданию и иссушению климата началась в неогене и достигла пика в квартере – до половины площади Земли сковали ледовые поля. Возникли зоны, не имевшие аналогов в прошлом: тундры, лесотундры и тайги, а в ледниковые этапы формировалась уникальная зона – перигляциальная. Апогей похолодания наступил в позднеледниковье – на северное полушарие обрушилась небывалая стужа, и многолетняя мерзлота простерлась почти до Черного моря.

Ритмичность (стадийность) природных процессов заключается в существовании ритмов ледниковых и межледниковых, каждый из которых делится на более мелкие – каждая волна тепла и холода включала этапы, отличавшиеся тенденциями климатических изменений. Ранг ритмов определяется амплитудой изменений климата и природных процессов. Например, если в межледниковья природные процессы полностью перестраивались, то во время интерстадиалов они лишь несколько корректировались. Многократное чередование холодных и теплых этапов привело к тому, что разрез четвертичной толщи подобен слоеному торту – снизу вверх друг друга сменяют закономерно построенные пары слоев. В каждой паре один слой соответствует ледниковому этапу развития, а второй – межледниковому. К сожалению, такая схема слишком красива, чтобы встречаться часто – иначе не было бы вековых споров о количестве оледенений и межледниковий, стадий и интерстадиалов, да и в целом о продолжительности квартера.

По мнению белорусских ученых, одной из главных закономерностей является унаследованность четвертичного осадконакопления и рельефообразования.

Унаследованность проявляется в следующем. На конкретной территории, испытавшей многократные оледенения, в каждую ледниковую эпоху накапливались сходные отложения, формировался однородный рельеф. В

5

каждую межледниковую эпоху возникали иные, но также однородные отложения и формы рельефа. Иными словами, каждый последующий ледник формировал конечно-моренные гряды на тех же территориях, где и предыдущий; молодые речные долины возникали примерно там же, где ранее существовали долины древние.

В завершение остановимся на главных особенностях четвертичных отложений.

∙Континентальное происхождение – четвертичные отложения суши являются преимущественно континентальными по генезису.

∙Огромная мощность – в осадочном чехле нет толщ континентальных отложений, сопоставимых по мощности с четвертичными.

∙Короткий срок накопления – мощнейшие образования четвертичной системы соответствуют самому непродолжительному из периодов.

∙Повсеместность распространения – четвертичные отложения пред-

ставлены на всех гипсометрических уровнях земной поверхности и даже под нею – в пещерах, горных выработках.

∙Чрезвычайная пестрота генезиса и состава – эта особенность связа-

на с первой, ведь накопления других систем являются преимущественно морскими.

∙Быстрая смена генетических типов по простиранию и вниз по разре-

зу – обусловлена спецификой континентальных процессов разрушения и седиментации.

∙Тесная связь отложений с рельефом – каждый генетический тип чет-

вертичных отложений образует определенные формы рельефа. Иными словами, результаты работы конкретного экзогенного агента четко проявляются в строении рельефа.

Особого внимания заслуживают особенности четвертичных отложений, связанные с их практическим использованием.

∙Почвообразующая роль – четвертичные осадки являются материнскими породами, следовательно, определяют минеральный состав и водновоздушные свойства современных почв.

∙Полезные ископаемые – четвертичные образования содержат россыпи драгоценных камней и металлов; несут в себе запасы подземных вод; используются как сырье для промышленности строительных материалов; содержат сырье топливное, биохимическое, и проч.

∙Несущая основа инженерных сооружений – преимущественно на четвертичных накоплениях возведено большинство зданий, дорог и других конструкций. Следовательно, инженерно-геологические характеристики четвертичных отложений определяют специфику строительства.

6

∙Рельеф – четвертичные образования определяют особенности рельефа планеты, следовательно, от них зависят условия жизни населения.

∙Техногенные отложения – в четвертичном периоде набрал силу совершенно новый геологический и геоморфологический агент – человек. Масштабы техногенного преобразования горных пород и рельефа едва ли не сравнялись с природными, возникли принципиально новые для планеты отложения – техногенные. Геологические особенности техногенных накоплений заслуживают отдельной книги, а их гигантские объемы составляют глобальную проблему.

Контрольные вопросы

§Каковы цели и задачи геологии четвертичных отложений?

§Какая особенность лежит в основе стратиграфического выделения четвертичного период?

§Какими особенностями отличаются четвертичные отложения?

§Что является главной причиной своеобразия четвертичных отложений?

§Какие существуют закономерности развития природы в четвертичном периоде?

§Каково практическое значение четвертичных накоплений?

1. 3. Становление науки и проблемы терминологии

Рыхлые горные породы, слагающие земную поверхность, долгое время не исследовались – их пренебрежительно называли “наносами” (поанглийски – drift). Поэтому в старейших попытках использования понятия “четвертичный”, ему придавали совсем не то значение, какое вкладывается ныне. Термин “четвертичный” впервые появляется в геологической науке в ХVIII веке, когда Дж. Ардуино выделяет послетретичные (по сегодняшним представлениям, возникшие после палеогена и неогена) отложения в самостоятельную группу, и называет их “четвертичным подразделением гор”. В 70-е годы ХVIII века А. Вернер вводит понятие о первозданной, вторичной, третичной, четвертичной и вулканогенной формациях, подразумевая последовательность формирования горных пород. В то время утверждалось, что все горные породы образовались в водах Мирового Океана, который первоначально покрывал всю Землю. Первыми из морских вод химическим путем возникли граниты, порфиры и проч. Вторыми – известняки и сланцы. Третьими – слоистые породы: песчаники, мергеля, угли и др. Четвертыми – новейшие аллювиальные пески, гравий, суглинки и другие поверхностные осадки.

С развитием геологии, исследователи заинтересовались происхождением валунов, лежащих на поверхности равнин и удаленных от ближай-

7

ших гор на сотни и тысячи километров. Такие валуны назвали эрратиче- скими (блуждающими). Естествоиспытатели видели, что на просторах севера Европы такие валуны залегают в мощном слое тилля – хаотичного скопления глин, песков и более крупных обломков. Возникла необходимость объяснить, какой агент накопил эти несортированные смеси. Начиная с ХVIII века, было предложено три гипотезы: дилювиальная, дрифтовая и ледниковая.

Истоки дилювиальной гипотезы (от латинского diluvium – потоп) лежат в идеях катастрофизма, господствовавших в науке ХVII–ХVIII веков

– накопление валунных суглинков, галечников, песков и прочих неслоистых поверхностных отложений объяснялось всемирным потопом. К 20ым годам XIX века пошатнулись позиции сторонников библейской версии сотворения мира, однако вера в мощные наводнения, затоплявшие в прошлом сушу, еще была жива. Утверждалось, что гигантские волны с огромной скоростью затопляли континенты, переносили глыбы на сотни километров, создавали в горах цирки и U-образные долины.

ВXIX веке начались полярные исследования. Выяснилось, что айсберги способны переносить разнообразные обломки на огромные расстояния, а затем отлагать их на морском дне. В поверхностных отложениях севера и юга Европы были во множестве найдены кости северных оленей и полярных птиц, что свидетельствовало о сильном похолодании в недавнем прошлом. Родилась дрифтовая гипотеза, согласно которой в четвертичном периоде равнины северных материков затопились мелководными и холодными морями. Айсберги, дрейфовавшие в них, цеплялись за вершины возвышенностей дна, пропахивали в них борозды, а затем останавливались. По мере таяния, из айсбергов выпадали всевозможные обломки, которые и создали пестрые по составу накопления, обнажающиеся на холмах и в низинах равнин Европы и Северной Америки. Одним из основоположников дрифтовой гипотезы был знаменитый английский естествоиспытатель и геолог Чарльз Лайель, прославившийся также борьбой с катастрофизмом,

иобосновавший идею униформизма. Дрифтовая гипотеза господствовала в геологии до 60 – 70 годов XIX века.

Вначале XIX века позиции катастрофизма пошатнулись, чему в немалой степени помогла книга шотландского геолога Джеймса Геттона “Теория Земли”, изданная еще в 1795г. В этой книге впервые высказывалось предположение о гигантских массах льда, покрывавших Альпы и даже спускавшихся на окружающие равнины – до гор Юра. Именно ледники, по мнению Дж. Геттона, разнесли и отложили гранитные глыбы. Таким образом, Дж. Геттона следует считать родоначальником ледниковой гипотезы,

8

хотя его точка зрения победила лишь к концу XIX века. Предложенная им идея получила поддержку в 1829 г, когда швейцарский инженер Игнац Ве- нец-Зиттен выступил с докладом о том, что вся северная часть Европы некогда испытывала воздействие льдов. Пятью годами позже, в 1834 г, швейцарец Жан де Шарпентье подкрепил суждения Зиттена собственными полевыми наблюдениями. Первая половина XIX века явилась революционной для геологии: наряду с появлением новых гипотез, утверждается мнение о необходимости обособления самостоятельного стратиграфического подразделения, соответствующего последнему этапу жизни Земли. Краткий экскурс в историю развития взглядов на стратиграфию квартера позволяет выделить несколько этапов.

1.В 1829 г. бельгиец Ж. Денуайе впервые придает термину “четвертичный” стратиграфическое значение. Он предлагает выделять четвер- тичную систему, соответствующую породам, лежащим стратиграфически выше третичных (ранее третичной системой называли тот комплекс, который ныне разделен на палеогеновую и неогеновую системы).

2.В 1833 г. англичанин Гарри Ребуль вводит палеонтологический критерий выделения четвертичных отложений. Ребуль называет четвертичными отложения, содержащие в больших количествах ископаемые остатки современных представителей флоры и фауны.

3.В 1839 г. англичанин Ч. Лайель уточняет палеонтологический критерий и вводит термин “плейстоценовый этап” (от греческих pleistos – наибольший; kainos – новый). Плейстоценовыми он называет отложения, в которых доля остатков современных моллюсков превышает 70% от общего числа находок.

4.В 1837 г. швейцарский естествоиспытатель Жан Луи Агассис приводит доказательства существования в прошлом ледников на территориях Великобритании и Северной Америки. Таким образом, к сороковым годам XIX века оформилось предложение называть последний этап разви-

тия Земли ледниковым периодом. Сам термин “ ледниковый период” впер-

вые был использован другом Агассиса, немецким ботаником Карлом Шимпером в поэтическом произведении [23].

5.В 1846 году Е. Форбс указывает на равнозначность понятий “плейстоцен” и “ледниковый”, и вводит понятие “голоцен” (от греческих holos – весь, полностью; kainos – новый, современный), или послеледниковый этап.

Ко второй половине XIX века накопился большой объем фактических материалов, полученных при полевом исследовании четвертичных отложений. Их анализ содействовал качественному скачку в развитии науки: в

9

70-е годы почти одновременно выходят в свет обобщающие труды О. Торелла в Швеции, А. Гейки в Великобритании, П. А. Кропоткина в России.

ВРоссии приверженцами идеи о развитии покровных ледников были Г.Е. Щуровский, Ф. Б. Шмидт. Наибольшую роль из российских ученых в развитии гипотезы покровных оледенений сыграл П.А. Кропоткин. В 1874 г. он сделал доклад на заседании Императорского Русского географического общества о результатах геологического и географического изучения территорий Сибири и Скандинавии. Кропоткин пришел к выводу, что названные регионы являются областями древнего оледенения. В 1876 году опубликована его книга “Исследования о ледниковом периоде”, где излагались основные положения ледниковой теории.

В1875 г. шведский геолог Отто Торелл, основываясь на гигантском объеме фактической информации по ледникам Гренландии, Исландии и Шпицбергена, сделал вывод о недавнем сплошном оледенении Северной и Центральной Европы. В настоящее время создателями ледниковой теории называют именно П.А. Кропоткина и О. Торелла.

6. В 1881 г. на международном геологическом конгрессе в Болонье принято решение о выделении четвертичного периода (системы), продолжительностью порядка 1 млн. лет. Четырьмя годами позже, в 1885 г., международный геологический конгресс утверждает термин “голоцен”, соответствующий послеледниковому этапу жизни Земли, длившемуся около 10 тыс. лет.

ВXIX веке шли дискуссии по двум фундаментальным вопросам геологии четвертичных отложений: генезиса поверхностных отложений и природной обстановки четвертичного периода. Сторонников ледниковой теории назвали гляциалистами, тогда как приверженцев дрифтовой идеи – антигляциалистами. К концу XIX века в мировой геологии гляциализм побеждает, хотя до настоящего момента ряд ученых отрицает возможность существования покровных ледников на материках северного полушария. Последователи гляциализма разделились на два лагеря: одни утверждали, что в четвертичном периоде северные материки подвергались многократным оледенениям, другие настаивали на длительном развитии одного ледникового покрова, то увеличивавшего свою площадь, то сокращавшегося. Соответственно, в науке сложились два направления: полигляциализм и моногляциализм. В России сторонниками множественности ледниковых этапов были Н. И. Криштафович, А. Д. Архангельский, тогда как взгляды об однократном оледенении исповедовали П. А. Кропоткин, С. Н. Никитин, А. А. Иностранцев, П. Я. Армашевский. Следует отметить, что среди полигляциалистов также не было единого мнения о количестве леднико-

10

вых этапов, в связи с чем исследователи разделились на умеренных полигляциалистов и экстраполигляциалистов.

На рубеже XIX–XX веков большее признание получает полигляциализм. Это вызвало к жизни комплекс проблем, связанных с детальной стратиграфией квартера. В большой степени проблемы связаны с малой продолжительностью четвертичного периода, охватывающего, по разным представлениям, от 0,8 до 1,8 млн. лет (крайние оценки 0,2 – 3,9 млн.). Указанный интервал никак не превышает продолжительности зоны (а для крайних оценок – яруса) предыдущих систем. Восстановление истории развития Земли в квартере требует выделения еще более коротких временных отрезков. Но чем короче время накопления, тем сложнее обосновать выделение стратиграфического подразделения.

7.В 1909 г. вышел в свет знаменитый труд немецких ученых – географа и геоморфолога Альбрехта Пенка и климатолога Эдварда Брюкнера “Альпы в ледниковые периоды”. В этой книге предложена первая в истории схема стратиграфического расчленения четвертичных отложений, оказавшая огромное влияние на развитие наук о Земле. В частности, была заложена методологическая основа для перехода к более подробной стратиграфии квартера: авторы выделили четыре ледниковых этапа, три разделяющих их межледниковых, и сравнительно теплый доледниковый.

Примерно тогда же, в 90-е годы XIX века, трудами Д. Гейки, Т. К. Чемберлена и Т. Леверетта были заложены основы стратиграфии древнеледниковых областей Северной Америки.

8.В 1922 г. российский геолог А. П. Павлов, на основании обнаружения костных останков древнего человека в самых молодых слоях, предлагает называть завершающий этап земной истории антропогеновым перио- дом (от греческого anthropos – человек).

Таким образом, менее чем за сто лет одному отрезку кайнозоя было дано четыре названия: четвертичный, плейстоценовый, ледниковый и антропогеновый. Примечателен тот факт, что все они находились (а местами

ипо сей день находятся) в использовании, причем, как правило, в качестве синонимов. Сегодня доказано, что возраст останков предполагаемых предков современного человека значительно превышает продолжительность холодного этапа кайнозоя, поэтому термин “антропогеновый” в стратиграфическом смысле используется все реже. Название “плейстоцен” также приобрело более узкое значение – под ним понимают часть четвертичного периода, охватывающую этапы ледниковые и межледниковые. Соответственно, сузилось понятие “ледниковый этап”– это время развития одного ледникового покрова. Ныне для обозначения продолжающегося периода

11

используют понятие “четвертичный”, или “квартер” (от английского quarter – четверть).

9.В 1932 г. в Ленинграде, на второй конференции Ассоциации по изучению четвертичного периода Европы, образован Международный союз по изучению четвертичного периода (INQVA). В 1939 г. подготовлена Международная карта четвертичных отложений Европы. В ее легенде утверждается четырехчленное деление квартера (Q) – он дробится на четыре

таксономически равноценные части: эоплейстоцен (Q1), мезоплейстоцен (Q2), неоплейстоцен (Q3) и голоцен (Q4). Внутри мезо- и неоплейстоцена выделялись ледниковые и межледниковые отложения.

10.После Второй Мировой войны началось бурное развитие геологической науки, и назрела необходимость упорядочения стратиграфических классификаций. Ранг эо-, мезо-, неоплейстоцена и голоцена приравнялся к отделам стратиграфической шкалы, а межледниковые и ледниковые слои –

кярусам. Было совершенно очевидно, что эти отделы и ярусы по объему (продолжительности накопления) не соответствуют эквивалентам других геологических систем. Следовательно, необходимо было либо увеличить продолжительность этих подразделений, а значит, и всего четвертичного периода, либо разработать и утвердить иные таксоны более мелкого ранга.

11.Решением Межведомственного стратиграфического комитета

СССР в 1963 г. было упразднено использование терминов “отдел” и “ярус” для четвертичной системы. Вместо них бывшие отделы квартера предлагалось называть отложениями нижне-, средне-, верхнечетвертичными и современными. Входящие в их состав бывшие ярусы ледниковых и межледниковых накоплений получили название горизонтов.

1.4. Развитие науки в Беларуси

Вистории изучения четвертичных образований территории республики можно выделить два этапа, различающихся уровнем знаний о строении, составе и закономерностях формирования четвертичной толщи. Первый этап охватывает промежуток времени от начала XIX века до середины ХХ,

авторой – годы после завершения Великой Отечественной войны.

Первый этап (до начала Великой Отечественной войны) можно назвать временем становления геологии четвертичных отложений. Истоки науки лежат в глубокой древности – первые представления об особенностях поверхностных пород человечество получило еще в каменном веке. Примером давнего практического использования четвертичных накоплений является добыча кремня в шахтах под г. Волковыском. Эти шахты,

12