Геология четвертичных отложений / КУРС ЛЕКЦИЙ / QUARTER LAST

нерозоя и докембрия, но и особенности циркуляции морских течений в глубокой древности.

Гипотеза инверсий магнитного поля Земли предполагает связь ледни-

ковых этапов со сменой знака намагниченности полюсов. Возможно, что инверсии магнитного поля сопровождаются перестройкой ионосферных процессов, в результате изменяется общая циркуляция атмосферы. Это ведет к перераспределению атмосферных осадков – если возрастает их сумма в высоких и умеренных широтах, то возникают предпосылки к развитию ледников. Во многих стратиграфических схемах начало плейстоцена проводится по границе Матуяма – Брюнес. Подобная синхронизация часто отрицается – согласно предложенной в 2001 г стратиграфической схеме четвертичных отложений Беларуси, нижний рубеж плейстоцена датирован 1,76 млн. лет назад.

Гипотезы изменения состава атмосферы Земли можно разделить на две группы: загрязнения атмосферы механическими примесями и изменения газового состава.

Идея о влиянии на климат загрязнения атмосферы механическими примесями обоснована климатологом М. И. Будыко. Суть ее в том, что при активном вулканизме в атмосферу выбрасывается гигантский объем тефры. Вулканическая пыль отражает солнечные лучи, земная поверхность остывает. Правомерность этой гипотезы доказали бы горизонты вулканического пепла – не только в подошве каждого моренного горизонта, но и в одновозрастных слоях внеледниковых районов Земли. Таких горизонтов, к сожалению, не найдено.

Гипотезы о влиянии газового состава атмосферы разнообразны.

Утверждается, что на климат влияет облачность. Небольшое увеличение облачности приведет к потеплению, поскольку расширятся области с морским или переменно-влажным климатом. Сильный рост облачности вызовет охлаждение – солнечные лучи не смогут пробиться сквозь тучи. Однако, облачность зависит от множества взаимосвязанных факторов: температуры земной поверхности, распределения суши и океана, морских течений, циркуляции ветров, рельефа и проч. Поэтому данное предположение можно рассматривать лишь в качестве составляющей какой-либо иной гипотезы.

Предполагается, что на климат влияет содержание в атмосфере трех- атомарного кислорода: рост его концентрации ведет к охлаждению, а снижение – к нагреву земной поверхности. Однако, остаются спорными вопросы о происхождении и развитии озонового слоя, да и в целом о его роли на климат Земли.

53

Предлагается учитывать изменения содержания кислорода и СО2 в атмосфере. Считается, что двуокись углерода создает “парниковый эффект”: СО2 поглощает длинноволновую радиацию Солнца и удерживает тепло. Следовательно, падение уровня СО2 до некоторой, все еще не определенной величины, вызовет сильное похолодание и оледенение. Снижение концентрации углекислого газа может быть вызвано разными причинами. Прежде всего, СО2 поглощается из воздуха живыми организмами, и захоранивается вместе с их останками в составе горных пород. Значит, после этапов угленакопления, формирования известняков обязано было похолодать. Предположительно, образование доломитов в конце протерозоя привело к оледенениям верхнего рифея – венда. Угленакопление в карбоне обусловило позднепалеозойское оледенение. Отложение известняков в мелу и начале кайнозоя способствовало четвертичному оледенению. Эта схема страдает нехваткой фактических подтверждений – оценить миграцию углекислого газа и ее влияние на палеоклимат пока невозможно.

Гипотезы автоколебаний, в большинстве своем, связаны с гипотезами изменения состава атмосферы.

Одна из гипотез автоколебаний опирается на корреляцию климата с газовым составом атмосферы и развитием органического мира. Чем богаче органический мир, тем выше содержание кислорода в атмосфере. Дальнейший прирост биомассы вызовет падение концентрации СО2 – исчезнет парниковый эффект, остынет поверхность Земли. Распространятся покровные ледники, которые уничтожат растительность и животных. После этого содержание СО2 в атмосфере восстановится, реанимируется парниковый эффект, и произойдет деградация ледников. Расширят свои ареалы представители флоры и фауны, и весь цикл повторится. Эта изящная конструкция не объясняет причин стадиальных и осцилляторных подвижек ледников, не проливает света на причины отсутствия тиллитов в мезозойских отложениях – уж когда как не в мезозое, с его буйством растительности и животных, должен был поглощаться углекислый газ.

Второй вариант идеи автоколебаний предлагает лишь схему развития ледникового покрова: любой достаточно крупный ледник способен к са- моразвитию. Однажды возникнув, ледник “консервирует” морозные условия – за счет роста альбедо и расхода тепла на таяние. Ледник вымораживает влагу из атмосферы и накапливает ее в себе – падает уровень океана, зато растут площади ледника, суши и областей континентального климата. Температура воздуха падает, обмелевший океан замерзает и перестает испарять влагу – покровный ледник лишает себя источника питания. Содержание пара в атмосфере понижается, над ледником устанавливается анти-

54

циклон (как над современной Антарктидой), дуют стоковые ветры, и рост глетчера прекращается.

Контрольные вопросы

§На какие группы делятся гипотезы о причинах похолодания?

§Миланковича?

§Как изменилась конфигурация материков и океанов в кайнозое?

§Какие предполагаются взаимосвязи между климатом и развитием ледника?

4. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ КВАРТЕРА

4. 1. Климатические этапы плейстоцена

Четвертичному периоду свойственны такие отрезки времени, при которых смещались границы климатических поясов и перестраивалась структура природной зональности. Главными закономерностями изменений климата в квартере явились глобальность, провинциальность, стадийность и направленность. Указанные закономерности легли в основу выделения климатических этапов разного ранга.

Крупнейшими климатическими подразделениями являются ледниковые и межледниковые эпохи. Они характеризовались максимальной амплитудой климатических изменений и перестройкой структуры природных зон. Ледниковые и межледниковые эпохи дробятся на более короткие этапы: стадиалы, интерстадиалы и другие. Их отличала меньшая дифференциация климата: структура природной зональности сохранялась, смещались только границы природных зон.

Ледниковая (гляциальная) эпоха – время продолжительного и сильного похолодания глобального ранга, приведшего к развитию покровных ледников и общей перестройке природной зональности. В ледниковые эпохи плейстоцена развивалась климатическая гиперзональность – полярные и субполярные климатические пояса сильно расширялись (особенно в северном полушарии), а умеренные и субтропические пояса сужались. Наибольшей суровостью отличалась последняя (поозерская) ледниковая эпоха – ее называют климатическим минимумом четвертичного периода. Пик холода и резкой аридизации климата пришелся на вторую половину поозерского времени – по сведениям А. А. Величко, температуры достигли минимума 18–13 тыс. лет назад [2]. Согласно опубликованной в 2001 г стратиграфической схеме Беларуси [7], в квартере предполагается до семи ледниковых эпох. Каждая из них продолжалась десятки тысяч лет. Во вре-

55

мя ледниковых эпох климат не отличался однородностью – становилось то чуть теплее, то вновь холодало, причем пик суровости всегда приходился на вторую половину гляциала. Соответственно климатическим колебаниям, ледниковые эпохи разделяются на стадии и межстадиалы.

Стадия оледенения (стадиал) – планетарное похолодание, расширение ледниковых покровов и смещение природных зон в низкие широты. Продолжительность стадиалов различалась, но для большинства укладывалась в 5–20 тыс. лет. Внутри стадий выделяют осцилляции (пульсации) – короткие этапы похолоданий и незначительного роста площади ледников. Осцилляции занимали не более 1–5 тыс. лет и носили планетарный характер. Границы природных зон при осцилляциях не смещались.

Межстадиал (интерстадиал) – глобальное потепление, сокращение ледниковых покровов и подвижка природных зон к высоким широтам. Во время интерстадиалов ледники таяли не полностью. Климат межстадиалов в умеренных широтах был суровее современного. Например, стадии регрессии поозерского ледника получили название дриас (индекс DR) – это связано с широким распространением кустарничка дриас (куропаточьей травы) в пределах перигляциальной зоны. Установлено существование трех стадиалов поозерского позднеледниковья: дриас ранний, средний и поздний, и не менее двух интерстадиалов: беллинг (BO) и аллеред (AL).

Межледниковая (интергляциальная) эпоха – время глобального поте-

пления, разделяющее ледниковые эпохи. При интергляциалах полностью таяли покровные ледники, и климат каждой конкретной территории был не суровее современного. Во время межледниковий восстанавливалась нор- мальная (доледниковая) структура климатической и природной зональности. В плейстоцене предполагается до пяти межледниковий, хотя, как считают многие исследователи, голоцен также является интергляциалом. Предполагаемая продолжительность межледниковий составляет 15 – 20 тысяч лет (и более). В составе межледниковий выделяют три климатических фазы: предоптимума, оптимума и постоптимума.

Фаза предоптимума (раннемежледниковая) характеризуется волно-

образным ростом температур, увеличением испарения с поверхности океанов и повышением влажности воздуха.

Фаза оптимума соответствует самому теплому и влажному отрезку времени межледниковья. Предполагается, что во время оптимумов межледниковий климат на территории Беларуси был теплее современного, да и осадков выпадало больше. Самым теплым и мягким климатом изо всех межледниковий, по мнению многих исследователей, отличалось последнее

56

– муравинское, поэтому его называют климатическим оптимумом плей-

стоцена.

Хотя существуют и отличные от приведенных взгляды. Например, как утверждают многие палинологи (Махнач Н. А. и др., 1973), самым теплым и продолжительным изо всех межледниковий квартера следует считать александрийское, приуроченное уже к среднему плейстоцену. С другой стороны, согласно А. А. Величко, на протяжении всего четвертичного периода главной тенденцией климатических изменений было направленное усиление континентальности и охлаждения [3]. Это означает, что от раннего плейстоцена к позднему климат ледниковых и межледниковых этапов становился все суровее, следовательно, древнейшие межледниковья (т. е. раннего плейстоцена) отличались большей тепло- и влагообеспеченностью, чем последние. Точно также менее благоприятен и климат голоцена, по сравнению с муравинским.

Фаза постоптимума (позднемежледниковая) является завершающей

– климат холодает, начинается формирование горных ледников. Влажность воздуха постепенно снижается. Вероятно, для некоторых межледниковий плейстоцена такое деление является упрощенным – характер отложений позволяет выделять два или более оптимума, разделенных промежуточными похолоданиями.

В истории голоцена выделяют пять климатических этапов. Их названия соответствуют характеру воздушных масс: атлантические этапы влажные и бореальные этапы сухие.

Геолого-геоморфологические процессы квартера на каждой конкретной территории отличались. Различия определялись географическим положением и климатом, соответственно которым сушу всей Земли можно разделить на ледниковые, перигляциальные и внеледниковые зоны. Ледни- ковые зоны – территории, подвергавшиеся в ледниковые эпохи непосредственному воздействию ледников. Перигляциальные зоны – территории, обрамлявшие ледниковые зоны, и находившиеся под влиянием многолетней мерзлоты. Внеледниковые зоны – территории, не испытавшие влияния ледников и многолетней мерзлоты.

4. 2. Факторы геологических процессов квартера

Особенностью четвертичных осадков является неоднородность их генезиса и состава, распределения по горизонтали и вертикали, мощности и др. Пестрота отложений наиболее ярко проявляется в областях развития покровных ледников. Эталоном таких территорий может служить Беларусь, на которой четвертичные отложения распространены повсеместно. Сплошным чехлом они покрывают накопления предыдущих геологических систем, отсутствуя лишь в редких местах, где коренные (дочетвертичные) породы обнажаются на дневной поверхности. Среди последних

57

можно указать районы выхода пород архейско-протерозойского фундамента близ д. Глушкевичи, девонских известняков и доломитов у г.п. Руба.

Вцелом мощность четвертичных образований характеризуется большим непостоянством – от 0 до 300 м и более, что объясняется разнообразными причинами. Главными факторами геолого-геоморфологических процессов четвертичного периода выступают климатический, орографический, литологический, тектонический.

Климат обусловил различие геологических процессов ледниковий и межледниковий, специфику деятельности экзогенных геологических агентов на всем протяжении квартера. Оптимальные условия для развития ледников создавались сочетанием высокой влажности и не слишком низких температур – тогда глетчеры достигали большой мощности, активность их фронтов была велика. Следовательно, совершалась грандиозная экзарационная и транспортная работа, а впоследствии – и аккумулятивная, заключавшаяся в накоплении мощнейших горизонтов морены. При слишком сильном похолодании характер процессов менялся. Суровые морозы вели к росту площади перигляциальной зоны и распространению присущих ей геологических процессов. Чрезмерные морозы сопровождались замерзанием океана и иссушением воздуха, что вело к формированию маломощных и малоподвижных ледников. Это подтверждается поозерским ледниковым покровом, который занимал сравнительно небольшую площадь при крайне низких температурах воздуха. Поэтому слишком сильное похолодание не способствовало активизации гляциальных процессов. Климатическими колебаниями вызваны и более мелкие ритмы: стадиалы и интерстадиалы, осцилляции. Каждая остановка деградирующего ледника вела к формированию очередного пояса краевых ледниковых образований. Пульсационные подвижки ледового фронта сопровождались массовыми гляциодислокациями ранее отложенных пород. Характер дегляциации также влиял на процессы ледниковой седиментации и морфогенеза. При ареальной деградации возникали территориально раздробленные краевые ледниковые накопления, а при фронтальной – гряды конечных морен. В межледниковые эпохи колебания влажности влияли на аллювиальные процессы: рост влажности активизировал эрозионную работу, тогда как сухость способствовала аккумулятивной. Поэтому в начале межледниковий преобладала эрозия – долины рек углублялись, формировались надпойменные террасы.

Вфазу постоптимума, наоборот, преобладало накопление аллювия. Если во влажные этапы в озерах и болотах преобладало осаждение органики, то в сухие активизировалось накопление хемогенных осадков.

58

Орографический фактор сильнее всего сказывался в ледниковые этапы. Рельеф доледниковой поверхности во многом определял специфику деятельности глетчеров. На территориях с пересеченным рельефом активизировались все виды ледниковой деятельности. Ледники быстрее двигались там, где уклон поверхности выше – “предпочитали” перемещаться по доледниковым ложбинам и речным долинам. Следовательно, с отрицательными формами доледникового рельефа связывается наибольшая экзарационная и аккумулятивная работа: образование глубоких ложбин выпахивания и размыва с одной стороны, и заполнение их моренным материалом – с другой. Перед выступами рельефа ледник останавливался и постепенно наращивал свою мощность с проксимальной (обращенной к леднику) стороны возвышения. Одновременно глетчер обтекал препятствие, выпуская из себя языки. Следовательно, чем выше были выступы доледникового рельефа, тем меньший слой морены на них накапливался. Созданный ледниками рельеф влиял на геологические процессы межледниковий: реки и озера теплых этапов наследовали, как правило, ложбины ледникового выпахивания и размыва. Эти примеры демонстрируют унаследованность четвертичного осадконакопления и рельефообразования.

Литологический фактор влиял на все процессы ледниковой деятельности. Во-первых – на динамику ледника: по твердым скалистым породам ледник двигался быстрее, чем по рыхлым. Во-вторых – на экзарацию: чем выше скорость, тем активнее экзарация. Вместе с тем, высокая прочность скальных пород в областях сноса сдерживала экзарацию, а господство рыхлых отложений на равнинах способствовало ледниковому выпахиванию. Вещественный состав пород влиял и на форму экзарационных ложбин. В сравнительно прочных известняках и доломитах севера и востока Беларуси ледник формировал узкие ложбины с крутыми склонами, а в областях развития песчаных пород – глубокие, широкие, с пологими склонами. Литологический фактор влиял на транспортную работу ледников: дальность переноса обломков прямо пропорциональна их миграционной способности. Поэтому среди валунов, изредка встречающихся на Полесье, больше кристаллических из далекой Фенноскандии, чем обломков “своих” доломитов. Литологический состав доледниковых пород определял и состав гляциальных накоплений: вещественный состав ледниковых аккумуляций очень близок составу подстилающих отложений.

Тектонический фактор сильно влиял на характер ледниковой экзарации и аккумуляции. Участки платформ, разбитые густой сетью тектонических разломов, под нагрузкой ледника испытывали дифференцированные движения: блоки земной коры погружались с разной скоростью и ампли-

59

тудой. Следовательно, в районах высокой густоты разломов усложнялся рельеф ледникового ложа, и резко усиливалась экзарация. Таким территориям характерны отторженцы, ложбины ледникового выпахивания и размыва. Тектоническая расчлененность территории активизировала и ледниковую седиментацию: часто возникали пояса мертвых льдов, накапливались гляциальные осадки повышенной мощности.

В заключение отметим, что здесь рассмотрены только основные природные факторы геологических процессов квартера, и не затронут главный фактор последнего столетия – техногенный. Результаты современной геологической деятельности человека более масштабны, нежели итоги работы природных экзогенных агентов.

Контрольные вопросы

§Чем отличаются климатические изменения разных этапов плейстоцена?

§Какова главная направленность климатических изменений четвертичного перио-

да?

§ Перечислите и охарактеризуйте главные факторы геологических процессов четвертичного периода.

4.3. Геологические процессы ледниковых зон

Вледниковых зонах главными геологическими и геоморфологическими агентами были ледники и их талые воды. Под их воздействием накапливались отложения ледниковой формации. Ледники производят три вида работы: разрушительную, транспортную и аккумулятивную. Характер работы отличается в разные фазы развития ледника.

Разрушительная работа ледников называется экзарацией. Она активна

вфазу трансгрессии, и осуществляется за счет воздействия на горные породы как самого льда, так и обломков, им переносимых. Развитие покровных ледников начинается в горах, которые впоследствии превращаются в центры покровного оледенения: горное оледенение переходит в промежуточное и покровное. Погребенная подо льдами территория испытывает

гляциокомпенсационное прогибание. В центре оледенения первостепенно значение морозного выветривания, важную роль играет и химическое выветривание. Экзарация и морозное выветривание в области питания ведут к дроблению пород ледникового ложа и склонов долины. Обломки вмерзают в тело ледника и начинают перемещаться вместе с ним, царапая подстилающие породы. Так на поверхности прочных кристаллических пород образуются ледниковые шрамы. Шрамы служат доказательством развития оледенений в глубокой древности; ориентация шрамов позволяет восста-

60

навливать направление движения ледников. В результате нивации (выноса обломков из области питания) на склоне возникает нивальная ниша – выровненная площадка, обрамленная крутыми слонами с трех сторон. Нивальная ниша впоследствии может превратиться в кар – креслообразное углубление на горном склоне. Путем роста или слияния каров создаются ледниковые цирки – обширные, подобные амфитеатрам выемки, окруженные крутыми склонами. Опоясанная карами или цирками горная вершина приобретает форму, подобную обелиску – заостренную, с крутыми склонами. Такие вершины в областях оледенения называются пирамидальны- ми. Возвышающаяся над ледником вершина (или горный хребет) получила эскимосское название нунатак. Выпахивающая работа ледников наиболее активна там, где дно или склоны долин неровные, или где резко изменяется крутизна долины. Быстрее разрушаются участки, сложенные податливыми породами. Двигаясь по речной долине, ледник перестраивает ее: поперечный профиль долины из типичного для горных рек V-образного становится U-образным, с широким дном и крутыми, часто отвесными склонами. Эти долины называются троговыми. За счет дробления и шлифовки выступов твердых пород, в области ледникового стока образуются бараньи лбы – скальные выступы, у которых проксимальный (обращенный к леднику) склон пологий и гладкий, а дистальный (удаленный от ледника) склон крутой и шероховатый. Если бараньи лбы занимают большую площадь и отличаются высокой степенью шлифовки, то возникает рельеф курчавых скал.

Транспортная работа ледников происходит в фазу трансгрессии и заключается в переносе обломков самого разного размера: от глинистых частиц до глыб. Благодаря трению и морозному выветриванию очертания переносимых частиц постепенно изменяются, их размеры уменьшаются. Грубые обломки нередко приобретают утюгообразную форму и покрываются ледниковыми шрамами. Совокупность обломков, переносимых или отложенных ледником, называется мореной. В зависимости от положения в теле ледника, выделяют три типа движимой морены: поверхностную, внутреннюю и донную (рис. 14). Поверхностная морена формируется в горах, залегает на поверхности ледника. Она представлена рыхлой смесью обломков, скатившихся с горных склонов (продуктов выветривания, осыпей, обвалов). Поэтому состав поверхностной морены отражает петрологический состав коренных пород зон ледникового питания и стока. Поверхностная морена разделяется на три вида, отличающихся распространением: боковую, срединную и сплошную поверхностную.

61

Рис. 14. Схема расположения движимых морен

впоперечном разрезе ледника (1) и в плане (2):

А– боковая; Б – срединная; В – внутренняя; Д – донная; С – конечная.

Боковая морена представлена насыпями, валами на краях ледникового языка. Срединная морена также имеет вид продольно вытянутых насыпей, валов, но располагается в осевой части ледникового потока. Она возникает при слиянии ледниковых языков и объединении боковых морен. Следовательно, число валов срединной морены может сообщить о количестве слившихся ледниковых потоков. Сплошная поверхностная морена полностью перекрывает ледник. Ее формирование может быть вызвано как перемешиванием материала при движении ледника по внутренним сколам, так и другими причинами.

Внутренняя морена размещается внутри ледникового тела. Она накапливается в зоне питания: обломки скатываются в ледниковый цирк с горных склонов, и засыпаются новыми порциями снега. Внутренняя морена может сформироваться и за счет поверхностной, которая по трещинам попадает внутрь ледника, и даже за счет донной – если пластичные породы ложа вдавливаются внутрь ледника.

Донная движимая морена представлена обломками подстилающих пород, вмороженными в нижний слой ледника. В составе донной морены велико участие алевритовых и глинистых фракций. Это объясняется широким развитием на земной поверхности тонкодисперсных продуктов выветривания, а также активным разрушением обломков ледником и мерзлотными процессам. Наибольшие объемы донной морены возникают при движении ледника. Донная морена отличается повышенной плотностью и выраженной слоистостью, отражающей особенности ледовой динамики. Ее состав тесно связан с составом подстилающих пород.

62