Геология четвертичных отложений / КУРС ЛЕКЦИЙ / QUARTER LAST

созданные 5–6 тыс. лет назад, пронизывают заключенный в ледниковых отложениях блок меловых пород (ледниковый отторженец).

Начало научных исследований приходится, как и в других странах Европы, на XIX век. Первым специалистом, указавшим на ледниковое происхождение валунных глин близ г. Гродно, был Г.П. Гельмерсен – с его именем связывают становление гляциализма в Беларуси.

До середины XIX века поверхностные отложения территории Беларуси слабо использовались в хозяйстве. Шире всего добывались разного происхождения четвертичные глины и суглинки – из них изготовляли кирпич и гончарные изделия. Для строительных нужд применялись песчаногравийные смеси и валуны, а для производства стекла – пески. Из болотных отложений для отопления разрабатывался торф, а производство железа базировалось на низкокачественных болотных железняках. Росла добыча подземных вод на водоснабжение. Развитие капитализма во второй половине XIX века обусловило быстрый прирост объемов промышленного производства. Индустрия требовала больших объемов минерального сырья, в особенности, залегающего возле поверхности. Возникла необходимость углубленного изучения и картирования четвертичных накоплений и сложенных ими форм рельефа.

С 1865 по 1871 гг. в Беларуси проводился комплекс топографических работ, итогом которого явилась десятиверстная карта (масштаба 1: 420 000), а начиная с 1882 г. начинается составление мелкомасштабной геологической карты. В геологической съемке приняли участие П.Я. Армашевский, А.Э. Гедройц, Н.И. Криштафович, П.А. Тутковский, а также первая отечественная женщина-геолог А.Б. Миссуна, внесшая неоценимый вклад в развитие четвертичной геологии Беларуси и России. В ее трудах видное место уделено проблемам геологии ледниковых образований. Ею были созданы первые карты распространения конечных морен междуречья Немана и Западной Двины, выделены как напорные, так и насыпные их формы. Н.И. Криштафович указывал на осцилляторный генезис параллельных дуг конечных морен. П.А. Тутковский характеризовал осадки моренные и зандровые, обосновал эоловое происхождение лессовых пород, утверждал, что Полесье в древности являлось пустыней, покрытой барханами.

Для разведки запасов подземных вод осуществлялись первые буровые работы, и изучением этих неглубоких скважин занимались А.П. Карпинский, Е.В. Оппоков и др. В конце XIX века начинаются мелиоративные работы на Полесье, требующие геологических знаний. Исследования проводились Западной экспедицией, возглавлявшейся И.И. Жилинским.

13

К началу XX века были получены первые представления о рельефе и геологическом строении поверхности Беларуси, выявлены основные генетические типы четвертичных отложений. Получила развитие идея о главенствующей роли ледников в осадконакоплении и рельефообразовании: во многих публикациях содержалось обоснование двух-, а иногда и трехкратного оледенения территории.

Начиная с 1919 и по 1933 г. проводилась мелкомасштабная геологическая съемка территории Беларуси, но изучались только самые верхние горизонты квартера. В работах участвовали А.М. Жирмунский, Г.Ф. Мирчинк, П.А. Тутковский, М.М. Цапенко, Е.В. Шанцер. В 1928 г. начинаются среднемасштабные геологосъемочные работы. В 1927 г. создается первое в республике научное учреждение геологического профиля – Геологический институт при Академии наук БССР, а в 1936 г. организуется Геологоразведочное управление.

Проведенные работы подтвердили ледниковый генезис четвертичной толщи и многократность оледенений, позволили составить первую стратиграфическую схему Беларуси, автором которой явился Г.Ф. Мирчинк. Взяв за основу альпийскую модель, он выделил ледниковые образования минделя, рисса и вюрма. Считалось, что последний ледник плейстоцена накрывал почти всю территорию республики, и поэтому верхний моренный горизонт повсеместно имеет вюрмский возраст. Помимо стратиграфических, Г.Ф. Мирчинком выполнялись работы по установлению генезиса четвертичных отложений.

Усилиями В.С. Доктуровского началось применение палеоботанического метода для стратиграфического расчленения четвертичных отложений. М.М. Цапенко и С.С. Маляревичем были составлены первые карты четвертичных отложений Беларуси масштаба 1:1 500 000 и 1:1 000 000. В работах Б.Л. Личкова и Д.Н. Соболева опровергалось мнение П.А. Тутковского о древних пустынях на Полесье, и доказывалось аллювиальное происхождение территории. Проводились геоморфологические исследования, в частности, Н.Ф. Блиодухо изучал генезис рельефа, связи рельефа с глубинным геологическим строением, литологическим составом пород и геологическими процессами.

Во время оккупации территории Беларуси (1941–1944 гг.) все геологогеоморфологические изыскания были прерваны, а большая часть накопленных материалов погибла.

Второй этап, охватывающий послевоенный период, можно назвать аналитическим – он ознаменовался проведением комплексных средне- и крупномасштабных геологических, геоморфологических, гидрогеологиче-

14

ских, инженерно-геологических, поисково-разведочных и других работ. Собранные материалы позволили существенно уточнить палеогеографию территории Беларуси, установить закономерности формирования и строения четвертичной толщи, выявить особенности размещения полезных ископаемых. Геологической съемкой и разведкой занимались В.С. Акимец, Л.Н. Вознячук, Е.Н. Гиммельштейн, Н.М. Грипинский, Б.Н. Гурский, Н.М. Грипинский, Г.И. Зубович, Г.И. Илькевич, Р.И. Левицкая, И.А, Линник, В.И. Пасюкевич, В.В. Шахнюк, В.А. Шидловский и др.

Благодаря М.М. Цапенко возникла белорусская школа четвертичной геологии и геоморфологии. Под ее руководством были построены карты геоморфологическая и четвертичных отложений территории Беларуси, впервые произведены палеогеографические реконструкции территории в раннем, среднем и позднем плейстоцене.

Огромный вклад в развитие науки внес Г.И. Горецкий. С его именем связано развитие палеопотамологии – нового научного направления о формировании, строении и распространении погребенных речных долин, а также учения о ледниковых ложбинах. Доказано широкое распространение ложбин, глубоко врезанных в ложе четвертичных пород, и созданных экзарационной деятельностью ледников и эрозией талых вод. Установлена приуроченность многих ложбин к тектоническим разломам, и обоснована унаследованность развития речных долин. Кроме того, ученый создал ряд фундаментальных трудов по стратиграфии и палеогеографии квартера. Существенное значение в изучении четвертичной толщи принадлежит К.И. Лукашеву – он явился инициатором применения геохимических исследований в четвертичной геологии, исследовал фации, генетические типы и формации четвертичных отложений, а также палеогеографию квартера.

Впослевоенный период активизировалось палеонтологическое изучение четвертичных пород, что позволило углубить знания о палеогеографии квартера, а значит, и построить новые стратиграфические схемы. Палеонтологическим исследованиям посвящены работы Л.И. Алексеевой, Ф.Ю. Величкевича, Э.А. Крутоус, Н.А. Махнач, В.М. Мотуза, А.Ф. Санько. Проблемами стратиграфии, литологии и генезиса четвертичных отложений занимались С.Д. Астапова, Б.Н. Гурский, Л.Н. Вознячук, А.А. Костко, Э.А. Левков, А.В. Матвеев, С.Л. Шиманович и др. Так, состав и генезис ледниковых отложений освещены в работах А.В. Матвеева. Наибольший вклад в разработку проблем гляциотектоники внес Э.А. Левков.

В1980 г с целью координации исследований рельефа создается Белорусская геоморфологическая комиссия. Усилиями коллектива ученых из Института геохимии и геофизики АН БССР, Управления геологии БССР,

15

Минского государственного педагогического института им. А.М. Горького к 1981 г была завершена разработка Региональной стратиграфической схемы четвертичных отложений Беларуси. Данная схема была утверждена в качестве унифицированной Межведомственным стратиграфическим комитетом СССР 24 мая 1982 г. Согласно этой схеме, в четвертичном периоде территория Беларуси испытала пятикратное оледенение, а общая продолжительность квартера составила около 0,8 млн. лет. За последующие двадцать лет был накоплен большой объем новой информации. По мнению ряда ученых, новые материалы вступают в противоречие с унифицированной схемой, что дает основания для пересмотра стратиграфии и истории квартера. В 2001 г выходит в свет фундаментальный труд “Геология Беларуси”, в котором предлагается обновленный взгляд на развитие природного процесса в четвертичное время [7].

Не следует, однако, думать, что к настоящему времени в геологии четвертичных отложений не осталось “белых пятен”. Среди наиболее дискуссионных тем можно назвать следующие. Во-первых, о правомерности выделения четвертичного периода в качестве самостоятельного геохронологического подразделения – ряд специалистов придерживается мнения, что неогеновый период продолжается поныне. Во-вторых, проблема продолжительности квартера, оцениваемой от 0,2 до 3,9 млн. лет (и даже более). Далее, диаметрально противоположные воззрения на генезис четвертичных отложений – до сих пор находит поддержку дрифтовая гипотеза. Затем, противоречивость мнений о количестве ледниковых и межледниковых эпох. Наконец, дискуссия о продолжительности этапов холодных (ледниковых) и теплых (межледниковых). Наряду с мнением о том, что холодные этапы занимали бóльшую часть плейстоцена, особенно в среднюю и верхнюю пору, существует и противоположная точка зрения. По мнению А. А. Величко “…продолжительность теплых эпох (межледниковий) была в два-три раза большей, чем холодных…” [2]. Соответственно, внутри каждой из названных тем выделяется великое множество частных вопросов проблемного характера.

Контрольные вопросы

§Перечислите гипотезы, объясняющие происхождение четвертичных пород.

§Кого называют создателями ледниковой гипотезы?

§В чем состоят основные результаты первого этапа развития науки в Беларуси?

§Кого называют основоположником белорусской школы четвертичной геологии и геоморфологии?

16

2. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Четвертичная геология связана с обширным перечнем естественных и гуманитарных наук, и арсенал ее методов разнообразен. Методы, используемые наиболее часто, объединяют в три группы: стратиграфического расчленения четвертичной толщи, абсолютной геохронологии и определения генезиса отложений. Такое объединение достаточно условно – решая разные задачи, один и тот же метод можно применять для разных целей. Например, палеонтологические методы позволяют произвести стратиграфическое разделение отложений и определить их генезис. Для получения достоверных результатов используют максимально возможный набор методов.

2. 1. Методы стратиграфического расчленения четвертичной толщи

Стратиграфия четвертичной толщи производится по климатическому принципу – четвертичные отложения делятся на группы, формировавшиеся в противоположных климатических условиях: ледниковых и межледниковых. С этой целью применяются методы палеонтологические, палеомагнитный, изотопно-кислородный и другие.

2. 1. 1. Палеонтологические методы

Палеонтологические методы опираются на изучение остатков (или отпечатков) живых организмов и делятся на две группы: палеофлористические (палеоботанические) и палеофаунистические (палеозоологические). Залегающие в горных породах окаменевшие органические остатки называются фоссилиями (от латинского fossilis – ископаемый). Совокупность, или комплекс органических остатков, содержащихся в породе, называется ориктоценозом (от греческих oriktos – ископаемое, kenos – общий).

Анализируя возможности применения палеонтологических методов для стратиграфии четвертичных отложений, необходимо иметь в виду следующее. Стратиграфия дочетвертичных слоев опирается на биострати- графический принцип: изучение окаменелостей позволяет весьма точно оценить время накопления содержащих их горизонтов (в первую очередь, благодаря обнаружению останков руководящих организмов). Для четвертичных отложений такой подход проблематичен – из-за малой продолжи-

17

тельностью ледниковых и межледниковых эпох на Земле не успевали возникнуть и широко распространиться новые, руководящие виды. В геологии четвертичных отложений изучение фоссилий направлено на восстанов-

ление фаунистических и флористических комплексов с целью палеоклима-

тических и палеоэкологических реконструкций. Отличия в составе комплексов позволяют произвести стратиграфическое расчленение – но уже на базе климатостратиграфического принципа, поскольку колебания клима-

та отражаются в составе органических остатков.

В разрезе четвертичной толщи чередуются ледниковые и перигляциальные отложения холодных этапов, и насыщенные органикой озерные, болотные, аллювиальные осадки теплых этапов. Гляциальные образования являются палеонтологически немыми – обнаруженные в них фоссилии переотложены, что не позволяет оценить возраст накоплений. Информация о развитии органического мира содержится в отложениях теплых этапов, а также в слоях, сформировавшихся во время оледенений, но за пределами распространения глетчеров.

Палеофлористические методы делятся на две группы: изучения микро- фоссилий (пыльцы, спор и водорослей) и макрофоссилий (плодов, семян и отпечатков растений).

Палинологический (спорово-пыльцевой) анализ лежит в основе стратиграфии четвертичных накоплений Беларуси. Он важен потому, что устойчивые ко внешним воздействиям споры и пыльца сохранились во многих генетических типах отложений. Суть метода следующая. Из слоя берут образец отложений, из них выделяют споры и пыльцу, и определяют видовой состав растительности. Процентное содержание зерен пыльцы или спор каждого вида образует палинологический спектр, который характеризует растительность, а значит и климат времени накопления слоя. При отборе серии образцов – снизу вверх по всему горизонту – получают сведения о динамике растительности за соответствующее время. Результаты анализов графически изображаются в виде палинологических (спорово-пыльцевых) диаграмм, поставляющих информацию о смене климатических условий. Примеры палинодиаграмм приведены в последующих разделах (рис. 25, 27, 30). Сумма палинологических спектров дает палинологический ком- плекс, отличающийся для каждого межледниковья плейстоцена. Лучше всего пыльца и споры сохраняются в торфе, сапропеле и других органогенных накоплениях.

Палеокарпологический метод опирается на изучение плодов и семян покрытосеменных растений. Для исследований этим методом наиболее пригодны осадки болотные и озерные.

18

Диатомовый метод базируется на изучении кремневых створок диатомовых водорослей, обитающих в пресных и соленых водах. Диатомеи чутко реагируют на смену условий, их кремневые створки прекрасно сохраняются и широко распространены в четвертичной толще.

Палеофаунистические методы опираются на исследование фаунисти-

ческих комплексов – сообществ видов животных, одновременно обитавших на одной и той же территории. В геологии квартера обычно изучают остатки млекопитающих, моллюсков и планктона.

Териологический метод посвящен исследованию остатков млекопитающих. Наибольшее количество костей крупных млекопитающих содержится в русловом аллювии равнинных рек, овражно-балочном пролювии, карстовых полостях. В большинстве случаев фоссилии разрозненны. Возрастная датировка отложений по ним почти невозможна, поскольку велика вероятность, что кости переотложены. Целые скелеты чаще приурочены к органогенным отложениям (торфяникам), а в многолетнемерзлых породах иногда обнаруживаются целые туши животных.

Микротериофаунистический метод применим для изучения остатков мелких млекопитающих (грызунов, насекомоядных, рукокрылых и др.), которые встречаются несравнимо чаще, нежели кости крупных животных,

иприурочены к тем же типам отложений. Наибольшее количество находок представлено зубами, уцелевшими благодаря прочному покрову эмали.

Малакофаунистический метод используют для изучения раковин моллюсков. Например, с его помощью изучены разрезы лессовых пород, содержащие погребенные почвы – доказано, что климат времени накопления лессов был гораздо суровее климата этапов почвообразования.

Остракодологический анализ используется при изучении пресноводных

иморских отложений. Остракоды – мелкие ракушковые рачки, их тело заключено в двустворчатую раковину (роговую или известковую). Больше всего остатков находят в озерных, шельфовых и лиманных отложениях, в старичном и пойменном аллювии. Остракоды обладают высокой чувствительностью к изменению условий – их изучение позволяет выявить колебания температур и солености, глубины и динамики вод.

Фораминиферовый анализ применим только к морским осадкам, поскольку фораминиферы (или корненожки – морские бентосные или планктонные животные с известковой раковиной) не встречаются в пресных водах. Фораминиферы служат индикаторами температуры и солености вод, содержания растворенного кислорода, глубины бассейна.

Примерно по тому же принципу, что и палеонтологические методы, используют палеопедологический метод, посвященный изучению погребен-

19

ных почв. Ископаемые почвы отражают всю совокупность природных условий времени своего формирования, следовательно, по ним можно производить палеоклиматические реконструкции. Наиболее эффективно палеопедологический анализ применяется в изучении лессовых пород.

2. 1. 2. Палеомагнитный и изотопно-кислородный методы

Палеомагнитный метод опирается на признание того факта, что знаки намагниченности полюсов Земли непостоянны во времени, а направление линий магнитного поля фиксируется кристаллами магнитных минералов, оседающими в водной среде или магматическом расплаве. Изменяется и географическое положение магнитных полюсов, что также “консервируется” ориентировкой кристаллов. Поскольку названные вариации носят глобальный характер, то палеомагнитный метод позволяет коррелировать время осадконакопления на самых удаленных территориях. Исследуют образования эффузивные, морские, озерные, аллювиальные, лессовые.

В истории планеты неодинаковы по продолжительности этапы, когда сохранялись знак полярности и расположение магнитных полюсов. Смена знака полярности называется инверсией магнитного поля.

Магнитные эпохи (хроны) – длительные отрезки времени (сотни тысяч лет) постоянства знака намагниченности полюсов.

Магнитные эпизоды – кратковременные инверсии магнитного поля (внутри магнитных эпох).

Магнитные экскурсы – отрезки времени, когда геомагнитный полюс значительно смещался, а затем возвращался обратно.

Магнитным эпохам кайнозоя присвоены порядковые номера, считая от современной: Брюнес – первая. Следовательно, эпохи с нечетными номе-

рами обладают прямой (нормальной) полярностью, а с четными – обрат-

ной полярностью. Предшествующие геомагнитные эпохи именуются Матуяма (№ 2), Гаусс (№ 3), Гильберт (№ 4).

Последняя инверсия ранга эпохи произошла около 780 тыс. лет назад, и этот переход получил название “граница Матуяма – Брюнес”. Во многих стратиграфических схемах квартера, в том числе и в унифицированной схеме четвертичных отложений Беларуси, к названному рубежу привязывается начало четвертичного периода. Существует мнение, согласно которому нижняя граница квартера лежит гораздо ниже – вблизи кровли слоя, накопившегося во время эпизода прямой полярности Олдувей, т. е. примерно 1,76 млн. лет назад [7].

20

Изотопно-кислородный метод, разработанный американским геохимиком Ч. Эмилиани, применяется для изучения морских осадков. Наряду с палеомагнитным методом, он используется и для региональной стратиграфии, и для глобальных корреляций. В скелетах морских животных (створках фораминифер) содержатся изотопы кислорода 18О и 16О, доля каждого из них зависит от температуры и солености воды. Установлена следующая закономерность: падение температуры на 1 ºС ведет к росту доли изотопа 18О на 0, 02 %. Соленость морских вод в ледниковые этапы возрастала, а в межледниковья уменьшалась. Таким образом, отношение 18О/ 16О для ледниковых этапов повышено, а для межледниковых понижено. Океанические отложения верхнего кайнозоя разделены на изотопно-кислородные ярусы, счет которых идет от современности к древности. Нечетным номерам ярусов отвечают теплые этапы, а четным – холодные.

2. 2. Методы абсолютной геохронологии

Методы абсолютной геохронологии позволяют определить возраст чет-

вертичных отложений в годах, а значит, применимы для корреляции природных событий, происходивших в самых разных местах континентов и океанов. Наиболее распространены методы радиоизотопного и биоиндикационного датирования, а также методы изучения сезонно-слоистых осадков. Как и в стратиграфии, для получения надежных результатов желательно использовать несколько методов параллельно.

Радиоизотопные методы опираются на постулат постоянства скорости распада радиоактивных элементов. К настоящему времени доказано, что эта скорость может изменяться, например, в результате колебаний космического излучения. Поэтому очевидна необходимость введения поправок в получаемые датировки.

Радиоуглеродный анализ оценивает содержание в органогенной породе изотопа 14С, период полураспада которого составляет 5 568 лет. Анализ позволяет определить возраст осадков, накопившихся не более 40–50 тыс. лет назад, а применение специальных методик позволяет понизить планку до 65–70 тыс. лет назад. Наиболее эффективны исследования растительных остатков, а среди них – угля и древесины. Возможны датировки по торфу, почвам, карбонатным отложениям, горелой и необожженной кости.

Неравновесно-урановый метод опирается на сопоставление содержания в породе первичных изотопов урана-235 и урана-238 с производными их распада: ураном-234, протоактинием-231 и ионием. Временной интервал

21

датировки составляет от современности до 2–2,5 млн. лет. Надежные результаты дает изучение коралловых построек.

Биоиндикационные методы применяются для выявления возраста голоценовых отложений, включают в себя лихенометрический, дендрохронологический и другие анализы.

Лихенометрический метод основан на изучении лишайников, растущих на валунах. Метод опирается на допущение постоянства скорости роста, а также одновременности обнажения камня и появления на нем лишайника. Исследуются современные образования, возрастом не более 9 000 лет.

Дендрохронологический метод опирается на изучение рисунка и количества годовых колец древесных срезов. Анализируются срезы хвойных деревьев, реже – лиственных. У каждого кольца есть свои уникальные особенности рисунка, зависящие от погодных условий данного года. Следовательно, и у группы деревьев за год возникнут похожие кольца. Сопоставляя срезы последовательно все более старых деревьев (в том числе и погребенных), получают линейный возрастной график. Метод отличается высокой точностью и позволяет определять возраст до 10 000 лет. Использование данного метода ограничивается равнинными территориями с одинаковыми климатическими и погодными условиями.

Методы изучения сезонно-слоистых осадков позволяют с точностью до года определить продолжительность существования водоема, а также реконструировать палеогеографические условия осадконакопления. В основу положено либо сезонное изменение гидрохимических показателей озерных вод, либо сезонные колебания активности поступления обломочного материала. В обоих случаях за год на дне формируется пара слоев разного состава: один летний и один зимний. Подсчитав количество пар слоев в разрезе, определяют время накопления толщи. Этот метод назван методом Де-Геера – в честь шведского геолога, впервые его применившего для изучения четвертичных отложений Скандинавии.

Контрольные вопросы

§Какой принцип лежит в основе стратиграфии четвертичных отложений?

§В чем заключается специфика применения палеонтологических методов в четвертичной геологии?

§Из отложений какого генезиса выделяются фоссилии для стратиграфического расчленения плейстоцена?

§Перечислите методы, применяемые для стратиграфического расчленения четвертичной толщи.

§Как называются этапы смены знака или расположения магнитных полюсов?

22