Методы изучения четвертичных отложений

Поскольку четвертичная геология связана с чрезвычайно обширным перечнем естественных и даже гуманитарных наук, то и арсенал используемых ею методов отличается большим разнообразием. Здесь мы познакомимся с теми из них, которые употребляются наиболее часто. Методы объединены в три группы: стратиграфического расчленения четвертичной толщи, абсолютной геохронологии и определения генезиса отложений. Понятно, что такое объединение носит условный характер, поскольку при решении определенных задач в каждом конкретном случае один и тот же метод может применяться для разных целей: например, палеонтологические методы помогают не только произвести стратиграфическое разделение отложений, но и поставляют информацию о генезисе пород. Поэтому, для получения достоверных результатов, при решении проблем любого рода необходимо пользоваться максимально возможным набором самых разных методов. В отдельную группу выделены геоморфологические методы, отличающиеся универсальностью использования.

Методы стратиграфического расчленения

Четвертичной толщи

Стратиграфия является одной из основных проблем изучаемой науки. Поскольку главной особенностью развития природы в квартере явилась смена теплых этапов холодными, то и выделение более мелких временных отрезков опирается на определение количества и специфики таких этапов. Следовательно, стратиграфия четвертичных накоплений производится, как правило, по климатическому принципу – используемые при этом методы призваны разделить четвертичные отложения на группы, формировавшиеся в диаметрально противоположных климатических условиях: ледниковых и межледниковых. С этой целью применяются методы палеонтологические, а также палеомагнитный, изотопно-кислородный и другие.

2. 1. 1. Палеонтологические методы

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

Анализируя возможности применения палеонтологических методов для стратиграфии квартера, необходимо иметь в виду следующее. Изучение окаменелостей, найденных в дочетвертичных слоях, позволяет весьма точно оценить время их накопления – в первую очередь, благодаря обнаружению руководящих организмов, то есть используя биостратиграфический принцип. Вместе с тем, для четвертичных отложений такой подход оказывается неприемлемым. Обусловлено это малой продолжительностью квартера в целом и, тем более, входящих в его состав ледниковых и межледниковых эпох – на Земле попросту не успевали возникнуть и широко распространиться новые, руководящие виды. Поэтому главная цель изучения фоссилий в четвертичной геологии – восстановление не единичных организмов, а целых ассоциаций, в силу чего в геологии квартера принято выделять фаунистические и флористические комплексы. Анализ этих комплексов позволяет достаточно уверенно определить палеоклиматические условия того времени, когда обитали данные организмы. Следовательно, палеонтологические методы поставляют информацию для палеогеографических и палеоэкологических реконструкций. Поскольку в разные отрезки квартера на Земле обитали разные комплексы организмов, то появляется возможность произвести стратиграфическое расчленение четвертичной толщи – но уже на базе климатостратиграфического принципа (смотри также радел “Принципы и методы стратиграфии квартера”).

В разрезе четвертичных отложений наблюдается чередование отложений, накопившихся ледниками в холодные этапы, с озерными, болотными, аллювиальными и прочими, содержащими органику породами, возникшими в теплые межледниковые этапы. Осадки гляциальные являются переотложенными и палеонтологически немыми – обнаруженные в них фоссилии не позволяют оценить возраст пород. Поэтому пролить свет на развитие природы в отдаленном прошлом могут лишь отложения теплых этапов развития, а также породы, сформировавшиеся во время оледенений, но за пределами распространения глетчеров. Необходимо подчеркнуть, что главными источниками знаний о развитии природы в квартере служат межледниковые горизонты.

Палеофлористические методы, в свою очередь, разделяются на две группы: изучения микрофоссилий (пыльцы, спор и водорослей) и макрофоссилий (плодов, семян и отпечатков растений). Их применение базируется на том, что даже малейшие колебания климата отражаются в составе растительных останков

Палеопалинологический метод (споро-пыльцевой) имеет исключительное значение для стратиграфии квартера по той причине, что устойчивые ко внешним воздействиям споры и пыльца присутствуют практически во всех генетических типах отложений. Именно споро-пыльцевой анализ лежит в основе всех новых стратиграфических схем квартера Беларуси. Суть метода заключается в том, что из слоя берется образец отложений, и из него выделяются споры и семена. Затем определяют палинологический спектр – видовой состав растительности и процентное содержание зерен пыльцы или спор каждого вида. Таким образом, спектр характеризует растительность, а значит и климат того отрезка времени, в котором накопился данный слой. При отборе серии образцов – снизу вверх по всему горизонту – получают сведения о динамике растительности за соответствующее время. Результаты анализов графически изображаются в виде палинологических (споро-пыльцевых) диаграмм, поставляющих информацию и о смене климатических условий. Примеры палинодиаграмм приведены в последующих разделах пособия (рис. 25, 27, 30). Сумма палинологических спектров дает палинологический комплекс, отличающийся для каждого межледниковья плейстоцена. Лучше всего пыльца и споры сохраняются в торфе, сапропеле и других органогенных породах.

Палеокарпологический метод опирается на изучение плодов и семян покрытосеменных растений, захороненных в четвертичных отложениях. Его стратиграфическая роль гораздо ниже, поскольку такие останки сохраняются плохо, а количество диагностических признаков у них обычно невелико. Для исследований этим методом наиболее пригодны осадки болотные и озерные.

Диатомовый метод базируется на изучении кремневых панцирей диатомовых водорослей, обитающих как в пресных, так и в соленых водах. Возможности его применения в стратиграфии обусловлены тем, что кремневые створки прекрасно сохраняются и пользуются широким распространением, а сами диатомеи не только быстро эволюционировали, но и чутко реагировали на смену природных условий.

Палеофаунистические методы опираются, в первую очередь, на исследование экологически обусловленных комплексов животных. Чаще всего в четвертичной геологии изучают останки млекопитающих, моллюсков и планктонных организмов.

Изучение останков млекопитающих разделяется на исследование останков крупных и мелких наземных животных.

Маммологические методы посвящены исследованию останков крупных млекопитающих. Животных плиоцена и квартера объединяют в фаунистические комплексы, состав и время обитания которых рассматривались ранее. Наибольшее количество останков содержится в русловом аллювии равнинных рек, овражно-балочном пролювии, карстовых полостях. В большинстве случаев фоссилии представлены разрозненными костями, причем возрастная датировка отложений по ним почти невозможна, поскольку велика вероятность, что кости переотложены. Находки целых скелетов приурочены к торфяникам, а в многолетнемерзлых породах иногда обнаруживаются и туши животных.

Микротериофаунистические методы позволяют изучать мелких млекопитающих (грызунов, насекомоядных и др.). Эти останки встречаются несравнимо чаще, нежели кости крупных животных, и приурочены к тем же типам отложений. Из-за малых размеров, кости грызунов быстро разрушаются, поэтому сохранность фоссилий обычно низкая. Наибольшее количество пригодных для изучения находок представлено зубами, уцелевшими благодаря прочному покрову эмали.

Изучение раковин пресноводных моллюсков, производимое с помощью малакофаунистических методов, также предполагает выделение комплексов ископаемых моллюсков. Успешнее всего такой анализ применяется в климатостратиграфических и палеогеографических целях. 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 в климатостратиграфических целях при расчленении как континентальных, так и морских отложений. Остракоды – мелкие ракушковые рачки, тело которых заключено в двустворчатую роговую или известковую раковину. Обитают они как в пресных, так и в морских водах, наибольшее количество останков приурочено к отложениям озерным, шельфовым и лиманным, а также к старичному и пойменному аллювию. Остракоды отличаются широким географическим распространением, и обладают высокой чуткостью к изменению окружающих условий – их изучение позволяет выявить колебания температур и солености, глубины и динамики вод.

Фораминиферовый анализ также используется для климатостратиграфии четвертичных пород. Метод применим только к морским осадкам, поскольку фораминиферы (или корненожки – морские бентосные или планктонные животные, обладающие 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 погребенных 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, изначально служивший целям стратиграфии более древних этапов развития Земли, находит все большее применение в четвертичной геологии. Основу метода составляет 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. Кроме того, 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. Исследованию подвергаются образования эффузивные, морские, озерные, аллювиальные, лессовые.

Продолжительность этапов, когда знак полярности и расположение магнитных полюсов были постоянны, в истории планеты неодинаковы. Смена знака полярности получила название инверсии магнитного поля.

Магнитные эпохи – длительные отрезки времени (сотни тысяч лет), на протяжении которых знак намагниченности полюсов сохранялся. Внутри магнитных эпох выделяются магнитные эпизоды – кратковременные этапы инверсии магнитного поля.

Магнитные экскурсы – отрезки времени, когда геомагнитный полюс смещался на достаточно большое расстояние, а затем возвращался обратно.

Магнитным эпохам кайнозоя присвоены порядковые номера, считая от современной: Брюнес – первая. Следовательно, эпохи с нечетными номерами обладают прямой (нормальной) полярностью, а с четными – обратной полярностью. Предшествующие геомагнитные эпохи именуются Матуяма (№ 2), Гаусс (№ 3), Гильберт (№ 4).

Последняя продолжительная инверсия (ранга эпохи) произошла около 780 тыс. л. н., и этот переход получил название “граница Матуяма – Брюнес”. Во многих стратиграфических схемах квартера, в том числе и в унифицированной схеме четвертичных отложений Беларуси, с названным рубежом совпадает начало четвертичного периода. Существует, однако, и другое 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. л. н. [6].

Изотопно-кислородный метод, разработанный американским геохимиком Ч. Эмилиани, применяется для изучения морских осадков. Следовательно, наряду с палеомагнитным, он относится к числу ведущих современных методов, используемых не только для региональной стратиграфии, но и для глобальных корреляций. Данный анализ опирается на то, что в скелетах морских животных (створках фораминифер) содержатся разные изотопы кислорода: ¹⁸О и ¹⁶О, а доля каждого из них зависит от температуры и солености воды. Причем как рост температуры, так и опреснение воды понижают соотношение ¹⁸О/ ¹⁶О, поскольку падение температуры на 1 ºС ведет к росту доли изотопа ¹⁸О на 0, 02 %. Поэтому на графике, отражающем изменение данной пропорции во времени, четко отражается смена условий ледниковых (воды холодные и соленые) межледниковыми (теплыми и опресненными). В результате исследований океанических отложений, накопления верхнего кайнозоя были разделены на изотопно-кислородные ярусы, счет которых идет от современности к древности. Нечетным номерам ярусов отвечают теплые этапы, а четным – холодные. В новой версии стратиграфической схемы квартера Беларуси нижняя его граница совпадает с рубежом между 37 и 36 ярусами, тогда как согласно унифицированной схеме она расположена между 19 и 18 ярусами.

Контрольные вопросы

§ На какой принцип опирается стратиграфия четвертичных отложений?

§ Какова специфика применения палеонтологических методов в четвертичной геологии?

§ Из каких отложений выделяются фоссилии для стратиграфического расчленения плейстоцена?

§ Перечислите методы, применяемые для стратиграфии четвертичной толщи.

§ Как называются этапы смены знака или расположения магнитных полюсов?

§ Какие методы наиболее эффективны для глобальной стратиграфии четвертичных отложений?