Четвертичная геология

---

СОДЕРЖАНИЕ

ОСОБЕННОСТИ ЧЕТВЕРТИЧНОЙ ГЕОЛОГИИ

Четвертичная геология изучает четвертичные отложения суши и мopского дна. При этом исследуется: 1)состав отложений, 2)возраст отложений, 3)генетические типы   отложений (пространственное размещение различных генетических типов) и 4) полезные ископаемые четвертичных отложений.

Содержание курса. Изучение четвертичной геологии распадается на два крупных раздела:

I – общая характеристика четвертичной (антропогеновой) системы (периода). Здесь рассматривается ряд вопросов. 1) история науки, 2) задачи четвертичной геологии, 3) полезные ископаемые, 4) генетические типы четвертичных отложений, 5) методы стратиграфического расчленения их и др.

II – peгиональный обзор (строение четвертичного покрова СССР по ре­гионам)

Четвертичная геология подобно геоморфологии имеет ряд направлений, по которым ведутся исследования специалистов. Одни из них изучают литологию, другие – стратиграфию, третьи – полезные ископаемые. Имеются и другие направления, о которых будет сказано в следующих лекциях.

К четвертичной геологии ближе всего примыкают такие науки как неотектоника и геоморфология, инженерная геология, учение о фациях, геология россыпей. На их основе удается познать формирование четвертичных отложений в динамике (в развитии).

Новейший период в истории земной коры известен под названием четвертичного (четвертичной системы). Это название официальное. Оно принято Международным геологическим конгрессом, который состоялся в 1888 г. в Болонье (Италия). Есть и неофициальные названия (в строгом понимании это­го термина). Так многие ученые называют четвертичный период “антропо­генном” (антропогеновый период) на том основании, что в начале этого пе­риода появился человек. Термин предложен в 1922 году А.П. Павловым. За рубежом преимущественно распространено название “плейстоцен” – синоним названия ледникового периода.

На II Международной конференции по изучению четвертичного периода (1932) было принято четырехчленное деление четвертичных отложений: древ­ние (Q₁),средние (Q₂), новые (Q₃) и новейшие (Q₄). Первые три подразделения отнесены к плейстоцену, а последнее – к голоцену. За нижнюю границу плей­стоцена было рекомендовано считать верхнюю границу древнейшего гюнцского оледенения, однако не все ученые придерживаются этой схемы.

Продолжительность плейстоцена определяется в зависимости от того, где проводится его нижняя граница. Одни исследователи проводят ее по кровле виллафранкского яруса. Тогда длительность плейстоцена устанавливается в 600 – 800 тыс. лет. В том случае, если граница проводится по подошве этого яруса, длительность периода возрастает до 3,5 млн. лет. Мнения по этому вопросу расходятся, но все больше и больше ученых склоняются в пользу понижения этой границы, т.е. увеличения возраста четвертичного периода.

Под названием  “голоцен” большинство исследователей понимает ледниковую или современную эпоху. В разных странах начало голоцена относят ко времени примерно от 10000 до 14000 лет. М.И.Нейштадт (1957) отсчет голоцена ведет с начала образования наиболее древних отложений со­временных болот и озер центральной территории Европейской России, непрерывно развивающихся до настоящего времени.

В Северной Европе климат в голоцене неоднократно изменялся. Он был теплыми сухим (бореальный), теплым и влажным (атлантическое время), про­хладным и влажным (субатлантическое время) и т.д. В зависимости (главным образом) от смены климата ведется подразделение голоцена, в голоцене образовались поймы рек. Для четвертичного периода и отложений характерен ряд особенностей.

ОСОБЕННОСТИ ЧЕТВЕРТИЧНОГО ПОКРОВА

Первая отличительная черта (особенность) – это небольшой возраст четвертичных отложений. Многие считают, что возраст четвертичной системы равен 0,6 – 0,8 млн. лет. Есть и другие точки зрения. Все же другие геологические системы, как известно, имеют возраст около 50 млн лет каждая.

Вторая отличительная черта – это особенность структуры и текстуры четвертичных отложений. Как известно, для других геологических систем рыхлость и несцементированность пород является исключением. Таким ис­ключением можно считать кембрийскую глину в Прибалтике (под Ленин­градом), которая представляет собой неуплотненное образование. Как исключение рыхлые отложения иногда также находят в силурийских, девонских, каменноугольных и пермских системах. В мезозойских палеоген-неогеновых отложениях рыхлые породы имеют уже широкое распространение. В четвертичных же отложениях рыхлые породы развиты повсеместно. Сцементированные породы в четвертичных отложениях встречаются довольно редко и потому являются исключением (например, можно указать на некоторые четвертичные конгломераты Средней Азии, они за счет цементации создают специфические формы выветривания – грибовидные скалы, замки, столы).

Третья отличительная черта – это сплошной покров (рубашка планеты
Земля) и малые мощности четвертичных отложений. Четвертичные отложения создают сплошной покров на поверхности Земли (на суше и в океане). Редкими исключениями являются отвесные скалы, но и здесь идет образование коры выветривания очень малой мощности (мм/ г).

Малые мощности четвертичных отложений заметно отличают отложе­ния этой системы от других геологических систем. Наибольшие мощности четвертичных отложений составляют сотни метров. Они встречаются в меж­горных котловинах и на опускающихся низменностях. Обычно же мощность четвертичных отложений   колеблется   от нескольких метров до десятков метров.

Четвертая отличительная черта – подвижность отложений четвертичной системы. Движутся на горных ледниках морены (моренные отложения), пере­мещаются пески в пустынях (эоловые отложения), перемываются от истока к устью аллювиальные отложения, смещаются по склону коллювиальные и солифлюкционные отложения, меняют свое местопребывания в береговой зоне морей и озер обломки пород разной величины, представляющие собой озерно-морские отложения.

Пятая отличительная черта – это континентальность отложений. Все, что нам известно о четвертичных отложениях – это прежде всего континенталь­ные образования. Правда, сейчас ведутся большие работы по изучению мор­ских осадков, однако это все же не идет ни в какое сравнение с изучением осадков континента. Морские отложения, распространенные на суше, известны в Балтийско-Беломорской низменности, к северо-востоку от Каспийского моря и в Таймырской депрессии на Севере Западной Сибири. Древние же отложения (древнее четвертичных), как правило представлены не континентальными, а морскими отложениями.

Шестая отличительная черта - это относительно слабая измененность фауны и флоры на протяжении четвертичного периода. Поэтому данные о флоре и фауне не всегда можно с успехом использовать для расчленения четвертичных отложений. Причина слабой изменчивости флоры и фауны (ее малых различий между отдельными отрезками четвертичного периода) со­стоит прежде всего в малой длительности четвертичного периода. В то же время, установлено значительное изменение фауны и флоры за четвертичный период по сравнению с дочетвертичным органическим миром (с палеогеном и неогеном). К моменту начала четвертичного периода исчезают многие ви­ды неогеновой флоры и фауны, появляются новые виды. Изменяется видовой состав флоры.

Возникают новые роды и виды животных, которые приспосабливаются к холодному и умеренному климату. Сильное изменение на границе системы, но незначительное внутри ее.

В четвертичных отложениях заметные различия фауны и флоры отме­чаются лишь при сравнении ледниковых и межледниковых отрезков времени. Поэтому ледниковья и межледниковья хорошо отделяются, (стратифицируются) по растительным остаткам, заключенным в четвертичных отложениях. Обо­собление же одних ледниковых от других ледниковых или одних межледни­ковых от других межледниковых отложений разного возраста затруднено.

Седьмая отличительная черта – слабая фациальная выдержанность (боль­шая изменчивость) четвертичных отложений. Отсюда создается трудность со­поставления и стратиграфического расчленения отложений. В связи с этим четвертичные отложения являются, пожалуй, самым трудным объектом для исследований. На это обращал внимание в свое время В.А.Обручев.

Большая невыдержанность отложений приводит к тому, что при разведке россыпных месторождений (золота, олова) горные выработки задают через 20-25 м или еще чаще (это делают иногда и при разведке стройматериалов), инженерно-геологических изысканиях. В лабораторных исследованиях в связи с измен­чивостью и сложностью состава четвертичных осадков приходится применять широкий комплекс методов (химических, минералогических, петрографических, гранулометрических и др.).

Восьмая отличительная черта – повторные оледенения суши и полярных бассейнов, сменявшихся межледниковыми условиями. Ледниковые и межлед­никовые эпохи развития земной поверхности существенно различаются: кли­матическими условиями, генетическими типами отложений и их литологическим составом, формами ледникового и водно-ледникового рельефа, развитием растительного и животного мира.

Таким образом, для антропогена характерны оледенения. Однако, они существовали и ранее, и явление это представляет собой закономерный про­цесс. Рассмотрим кратко предысторию четвертичного периода. В настоящее время установлено несколько холодных (ледниковых) периодов. Первый от­носится к началу протерозоя что установлено при изучении горных пород в Антарктиде, Гренландии, Сев. Америке, Австралии, а также менее достоверно в Индии, Юж.Америке. На территории США это мощные (160-м) ледниковые отложения (тиллиты).

Холодным периодом отличается верхний карбон – начало перми. В это время в Юж. Америке, Юж. Африке, Индии, Вост. Австралии существовало покровное оледенение. Доказательство – наличие моренных отложений.

По данным Р.Флинта (1957) в период четвертичных оледенений в се­верном и южном полушариях ледники занимали территорию, которая в три раза превышала площадь их современного распространения. Огромные ледни­ки и ледяные покровы то расширялись на суше и в океане, то сокращались или полностью исчезали. Их динамика отражала (влияла) на все важнейшие природные процессы, которые происходили на планете: 1) колебание тем­ператур и влажности воздуха, 2) гидротермический режим поверхности Земли, 3) изменение температур в океанической гидросфере, 4) колебанием уровня снеговой границы. Кроме того, происходило 5) поднятие и опускание уровня моря, 6) изменение режима рек и озер, 7) растительного и животного мира, 8) условий литогенеза, 9) почвообразования и др.

Девятая отличительная черта – перемещение границ ландшафтных зон (зональные  климатические режимы): гляциальный (ледниковый), перигляциальный  (типа  климата  области вечной мерзлоты), плювиальный (типа климата влажных умеренных зон), ксеротермический (засушливый), субтропический и тропический влажный.

За пределами ледниковых покровов происходили значительные измене­ния в зональных ландшафтах, перемещались их границы. В экваториально-тропической зоне границы зон изменялись слабо:

–            в зонах субтропических пус­тынь и сухих степей наблюдалась смена плювиального (в период оледенения) и ксеротермического (в период межледниковья) режимов и растительных ландшафтов;

–            в перигляциальной зоне, расположенной близко к краю ледни­ков чередование холодно-кустарниковых и умеренно-холодных таежно-лесных ландшафтов.

Десятая отличительная   черта – на протяжении четвертичного времени происходит развитие человека от питекантропа до современного.

Таким образом, главными факторами и закономерностями развития палеогеографических обстановок в течение четвертичного периода необходимо признать следующее:

1. Направленное изменение климата, его похолодание, на­чавшееся еще задолго до четвертичного периода. В это время все природные процессы медленно перестраивались для перехода в качественно новую -ледниковую обстановку.

2. Неотектоническое преобразование рельефа: поднятие гор, поднятие и опускание дна морей и океанов, изменение береговой линии и, соответственно, взаимоотношение площадей моря и суши.

3. Оледенение на границе неогена и плейстоцена  рассматривается  как главный  результат  совокупного  влияния  тектонических поднятий, изменения  теплового   режима (солнце)   и   влажности   атмосферы планеты. На протяжении четвертичного периода  чередование  ледниковий и  межледниковий   происходило   вследствие   ритмических  изменений   в   палеогеографической обстановке.

4. Синхронность изменений в глобальном масштабе и мегахронность в отдельных регионах происходили в зависимости от палеогеографических особенностей (например, колебание уровня Мирового океана, уровня Каспия).

5. Господство медленных эволюционных процессов при наложении и совмещении с ними быстрых (катастрофических) процессов.

6. Оледенения вызвали сильное понижение уровня моря и осушение обширных мелководных шельфов (например, Северный Ледовитый океан) .

7. Миграция и эволюция флоры и фауны, изменение их ареалов, вымирание более древних видов и появление новых, приспособленных к иным палеогеографическим условиям.

ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, СВЯЗАННЫЕ С ЧЕТВЕРТИЧНЫМИ ОТЛОЖЕНИЯМИ

Среди полезных ископаемых антропогена можно выделить несколько основных групп:

1) строительные материалы;

2) горючие ископаемые (торф и сапропелит);

3) рудные  ископаемые  (россыпные, осадочные  и коренные   ме­сторождения);

4)   подземные  воды;

5) соли в озерах и морских заливах;

6) полезные ископаемые вулканических горных пород;

7) полезные ископаемые морей и океанов.

Трудно преуменьшить большое значение антропогеновых полезных ис­копаемых при решении практических вопросов. Огромное количество полез­ных ископаемых человек получает, прежде всего, из четвертичных отложений.

1. Строительные материалы

Месторождения строительных материалов (пески, глины, галечники)
главным образом связаны с четвертичными отложениями. Преимущество их
состоит в том, что они находятся близ поверхности земли. Они обычно не
сцементированы и потому легко разрабатываются. Многие из них обводнены
(в руслах рек, озерах) и это придает им еще большую экономическую ценность. Такие месторождения могут разрабатываться гидромеханизированным способом (с применением земснарядов). В ряде случаев строительные пески четвертичных отложений содержат примеси ценных минералов.

Попутное извлечение их увеличивает значимость разрабатываемых песков из четвертичных отложений (р. Чирчик, р. Томь). На реке Кама интерес попутного извлечение представляют золото, цирконий, титановые минералы при одновременном повышении качества строительных песков.

Пески имеют разный генезис – морские, речные, озерные, флювиогляциальные. Они находят применение для изготовления стекла. При этом требуют­ся равномерно зернистые пески с высоким содержанием кварца. Оптическое стекло можно изготовить при содержании SiО₂ = 99,8 %, бессвинцовый хру­сталь, посудное и очковое стекло при содержании SiО₂ = 98,5 %, фарфор и фаянс – 97 %. Для силикатного кирпича пески должны быть кварцевыми, ост­роугольными, с преобладанием фракции 0,2 – 0,5 мм. Пески могут также ис­пользоваться в штукатурном деле, формовочном производстве, как фильтровальные, балластные, для тормозных устройств локомотивов и др.

Цементные пески (для бетонных растворов) должны быть разнозернистыми, угловатыми, крупнозернистыми (5 – 0,15 мм). Примесь глинистых час­тиц (фракция менее 0,15 мм) допускается минимальной, так как эти мелкие частицы имеют большую удельную поверхность, что приводит к перерасходу цемента.

Балластные пески применяют для строительства дорог (шоссейных, железных). Пески должны быть разнозернистыми, состоять из прочных пород и минералов.

Формовочные пески отличаются равномерной зернистостью.

Валуны в четвертичных отложениях встречаются среди моренных от­ложений, в элювии, коллювии, аллювии, среди морских четвертичных толщ.

Галечник и гравий характерны морским, речным и флювиогляциальным отложениям.

Щебень – это обычно продукт элювия и коллювия.

Глины  связаны с  речными, элювиальными, делювиальными  отложениями глины в огромных   количествах   применяют  для  получения  красного   строительного кирпича, черепицы, керамзита (легкого гравия).

2. Горючие ископаемые

Полезные ископаемые, используемые как топливо (торф, сапропель) до­вольно широко распространены среди четвертичных отложений. По запасам торфа наша страна занимает первое место в мире. Северные и центральные части Русской равнины, северные районы Сибири – вот наиболее перспективные территории обнаружения этого минерального сырья.

Сапропель (гнилостный ил, отложения лагун и озер с богатым планкто­ном и остатками растений). Запасы его у нас в стране тоже велики. Известно много продуктов (масел, красок, газов), которые изготавливают из сапропеля. Сапропель получают как лечебную грязь. В ископаемом состоянии сапропель переходит в уголь.

3.Рудные ископаемые

Четвертичные отложения являются вмещающими породами россыпных месторождений: золота, касситерита, вольфрамита, платины, шеелита, циркона, ильменита, рутила, монацита, алмазов, сапфиров, рубинов, изумрудов.

Эти минералы встречаются и в коренных месторождениях (магматических, метаморфических), однако коренные месторождения труднее разрабаты­вать, чем россыпные. Отсюда, с экономической точки зрения нередко имеют больший интерес, чем коренные месторождения. Платина добывается у нас в значительной мере из четвертичных россыпей Урала. Каждый четвертый ал­маз находят тоже в четвертичных россыпях.

Значительная доля золота в нашей стране добывается из четвертичных россыпей. За рубежом многие россыпи титана и циркония связаны с совре­менными четвертичными прибрежно-морскими россыпями (Флорида, Индия, Австралия). Богатые россыпи нередко связаны с карстовыми формами релье­фа. В них обнаружены россыпи алмазов, золота, платины, касситерита и дру­гих минералов (в том числе и четвертичного возраста). При этом наибольшее значение имеют весьма богатые концентрации алмазов Южной Африки (20 каратов на кубометр породы, т.е. 2 г в тонне породы). В Конго отдельные карстовые воронки содержали по 1000 каратов в кубометре породы (при­мерно 100 г в тонне породы). При таких содержаниях из 4 м³ породы можно набрать стакан алмазов. Повышенное содержание алмазов установлено в карстовых понижениях на Урале и в Якутии. Золотые россыпи г. Нома в Северной Америке (Аляска). Здесь с объекта 30х45х0,08 м получено 300 кг золота.

Отличительной   особенностью   современных   четвертичных   россыпей   является восполнимость  запасов. Так циркон,  рутил, ильменит, монацит в прибрежно-морских отложениях на берегах морей экваториальной полосы зем­ного шара (в Индии, Австралии. Африке и др.) разрабатывается человеком и, одновременно, на береговой пляж поступают новые порции ценных минера­лов. Месторождение создается заново.

В этом случае четвертичные россыпные месторождения представляют собой своеобразную “фабрику” по воспроизводству запасов полезных иско­паемых. Однако, могут быть случаи обратного характера (открытые в русле россыпные месторождения исчезают, перемываются в другие районы, вниз по течению реки (косовые россыпи).

Другой особенностью четвертичных россыпных полезных ископаемых является то, что по ним можно открывать (находить) не только россыпные, но и коренные месторождения полезных ископаемых. Это достигается путем применения шлихового метода поисков. Таким образом, четвертичные отложения представляют собой клубочек, распутывая который, в процессе шлиховой или металлометрической съемки удается добраться до коренного месторождения.

Для открытия коренных месторождений полезных ископаемых не меньший   интерес (чем шлиховой метод) представляет изучение валунов из основных морен. Исследование четвертичных рудосодержащих валунов  в ряде случаев  позволяет  вскрыть пути  их переноса. На  этой  основе устанавливают питающие провинции и коренные месторождения. Таким образом были открыты месторождения  полезных  ископаемых в Скандинавских странах, Финляндии и на северо-западе СССР, в Сибири. В горных районах аналогичные поиски ведут постоянно и повсеместно.

4. Подземные воды

Четвертичные отложения – это всемирный родник (колодец), из которого пьет воду половина людей планеты. Водой из четвертичных отложений снаб­жаются отдельные поселки и целые города. Выявлять такие месторождения подземных вод можно успешно лишь в том случае, когда хорошо известен состав и строение четвертичных отложений района. Особенно велика роль структурной геоморфологии и неотектоники с помощью которых выявляются месторождения вод как в четвертичных, так и в более древних отложениях. Поверхностный же подход к этой проблеме ставит нас нередко в трудное положение.

5) Соли в озерах и морских заливах

Залежи солей среди четвертичных осадков и современное их отложение (самосадочные соли на дне некоторых озер и морских заливов, например, Кара-Богаз-Гол) имеют большое народнохозяйственное значение. Такие озера есть в Прикаспии – около 2000, Западной Сибири – более 100 и др. Состав на­капливающихся солей разный: хлористо-натровые, сернисто-натровые, содовые и борные.

Гажа – это смесь извести и глины. Она накапливается в пресных озерах и может использоваться как удобрение для известкования почв. Широко рас­пространена в ряде районов Пермской области.

6. Полезные ископаемые вулканических горных пород

Пемза встречается в районах вулканических проявлений.

Туф вулканический связан с четвертичными вулканами. Отличается хо­рошими строительными качествами (теплопроводность). Из него выпиливают строительные блоки. Известен на  Кавказе. В  Армении  ведется  большое строительство с использованием вулканических горных пород (Ереван).

7. Полезные ископаемые морей и океанов

а)полезные ископаемые береговой зоны и шельфа

Галька, гравий и песок береговых пляжей представляют собой ценный строительный материал. Однако изъятие этого материала с пляжей необходи­мо производить со знанием дела. Необходимо учитывать приходно-расходный баланс наносов. Там, где этот баланс неустойчив, брать стройматериалы нельзя (если объект разработки находится близ поселков и городов). Здесь малейшее увеличение расхода наносов (разработка пляжа) приведет к дефициту наносов и размыву берега в соседнем районе, где имеются строения (санатории и т.п.). В настоящее время, например, добыча гравия и гальки на пляжах Крым­ского и Кавказского побережий Черного моря запрещена. Это связано с тем, что в недавнем прошлом подобная эксплуатация месторождений повлекла за собой разрушение пляжей.

При выборе мест для добычи строительных материалов из береговых наносов необходимо знать о характере перемещения наносов вдоль берега. Если этот перенос существенный, то изъятие строительных материалов может быть быстро компенсировано за счет поступления наносов из зоны питания. Если же транспортировка наносов вдоль берега  затруднена, то могут начаться нежелательные преобразования в береговой зоне моря.

б)полезные ископаемые ложа океана

Геологические исследования в океане за последнее время проведены всесторонне. При этом установлено, что минеральные ресурсы океана не ог­раничиваются береговой зоной и шельфом. Выяснилось, что на дне океана (в пределах его ложа) сосредоточены неисчерпаемые запасы железа и марганца. Они представлены железомарганцевыми конкрециями, которые распростране­ны на огромных площадях. Большой вклад в изучение распределения конкре­ций на дне Тихого океана сделан советскими экспедициями на судне “Ви­тязь”.

Подводное фотографирование показало, что нередко конкреции залегают на дне в виде сплошной отмостки. Причем участки с промышленной концен­трацией железомарганцевых конкреций составляют значительный процент дна:

1)      в  Восточно-Тихоокеанской  котловине – 38%;

2)      к западу от Гавайских островов – 52 %;

3)     в Перуанско-Чилийской котловине – до 50 %.

Среднее весовое содержание конкреций в этих районах составляет 8600 т/км². Это означает, что только в поверхностном слое запасы конкреций в этих районах Тихого океана измеряются около 90 млрд.т. Такие же конкре­ции отмечены и ниже (до глубины 3 м). Отсюда запасы этого сырья гораз­до больше.

Целостность железомарганцевых конкреции определяется еще и комплекс­ностью сырья. Кроме высокого содержания железа (до 21 %) и марганца (до 40%) в них отмечены повышенные концентрации кобальта, никеля и радиоактивных элементов.