Генетические типы и фации четвертичных отложений

Определение происхождения или генезиса отложений является одной из основных задач четвертичной геологии. Именно генезис четвертичных отложений определяет их инженерно-геологические, гидрогеологические и другие свойства, перспективы нахождения в них различных полезных ископаемых, развитие почвенного покрова и формирование рельефа земной поверхности. Смена в разрезах отложений различного генезиса позволяет делать выводы об изменении обстановки осадконакопления, обычно связанной с чередованием холодных и теплых, или влажных и сухих климатических эпох. На этом основан один из ведущих методов возрастного расчленения четвертичных отложений - климатостратиграфический. Для подразделения четвертичных отложений по происхождению нужна их классификация, основанная на выделении ведущих факторов их образования.

Основа генетической классификации четвертичных отложений в России создана А.П. Павловым. Им разработано учение о генетических типах континентальных осадочных образований. По А.П. Павлову, генетический тип - это отложения, сформировавшиеся в результате деятельности определенных геологических агентов: воды, ветра, льда и др. Большой заслугой А.П. Павлова является то, что он впервые ввел в классификацию генетических типов делювий - отложения, образующиеся в результате плоскостного смыва, и пролювий - отложения, сформированные временными потоками при выходе из гор. Он же уточнил определения ледниковых, аллювиальных и элювиальных образований, выделенных еще в конце прошлого столетия.

Рассматривая содержание понятия "генетический тип", Е.В. Шанцер подчеркивает, что этот термин нельзя рассматривать, как категорию чисто литологическую. К одному генетическому типу могут относиться осадки резко отличающиеся друг от друга динамикой накопления и литологическим составом. Например, аллювиальный генетический тип объединяет русловой, пойменный и старичный аллювий, среды осадконакопления которых и состав различны. Однако они все входят в генетический тип аллювия, образующегося в результате деятельности речных водных потоков. К генетическому типу надо относить отложения, связанные с исторически обусловленными естественными сочетаниями процессов денудации, транспорта продуктов денудации и осадконакопления. В соответствии с этим Е.В. Шанцер предложил следующее определение: "Генетический тип отложений - это совокупность осадочных или вулканогенных накоплений, возникающих в ходе одной из наблюдаемых в природе своеобразных по динамике развития форм аккумуляции, особенности которой определяют общность главных черт их строения, как закономерных сочетаний (парагенезов) определенных осадков и горных пород". Типичными примерами генетических типов являются указанные выше аллювий, делювий, пролювий и др.

Каждому генетическому типу свойственны особая форма залегания составляющих его отложений и определенные аккумулятивные формы рельефа. Так, например, аллювий слагает поймы и надпойменные террасы, протягивающиеся по долинам рек на многие километры, пролювий формирует конусы выноса, образующие обширные шлейфы у подножий гор, а гляциальные отложения выражены в рельефе отдельными холмами или грядами. В некоторых генетических типах выделяются несколько фаций. Так, например, в упоминавшемся уже аллювии русловые, пойменные и старинные осадки представляют собой фации. Ледниковые, озерные и другие отложения также включают группы фаций. Фации, в свою очередь, подразделяются еще на более дробные генетические подразделения - микрофации или субфации. Так, русловая фация аллювия включает целый ряд субфаций - главных или второстепенных русел, перекатов, плесов и т.д. Если генетические типы обычно образуют крупные аккумулятивные формы рельефа, то фации четвертичных отложений могут образовывать незначительные по размерам формы (прирусловые валы, косы, бары и т.п.). Чаще всего фации входят в состав крупных генетически однородных аккумулятивных образований. Так, русловые и пойменные фации входят в разрезы речных террас, сложенных аллювиальным генетическим типом. Фациальный анализ всегда проводится для одновозрастных отложений в целях выяснения детальной палеогеографической обстановки их формирования.

Четвертичные отложения залегают непосредственно на поверхности земли, перекрывая более древние и мощные дочетвертичные отложения морского генезиса. Четвертичные отложения в основном являются континентальными и по механизму образования подразделяется на различные генетические типы, обладающие разнообразным составом и формами залегания.

Четвертичные отложения имеют в основном песчано-глинистый состав, который может сильно варьировать по площади и разрезу, а также небольшую мощность (метры, десятки метров), которая может быстро изменяться вплоть до выклинивания.

На поверхности земли четвертичным отложениям часто соответствуют: определённые формы рельефа: речные террасы, барханы, склоны, конусы выноса, оползневые ступени и т. д.

Элювий (элювиальные отложения, кора выветривания) — eQ(elQ). [Выветриванием называется воздействие на породу всех факторов внешней среды: Солнца, воды, воздуха, растений, микроорганизмов и т. д. При горизонтальном рельефе продукты выветривания не уносятся водой, а сохраняются на месте образования, поэтому форма залегания элювия близка к горизонтальной. Состав элювия изменяется по глубине: с поверхности залегают глины с дресвой или щебнем, в нижней части элювий представлен щебнем и глыбами. Переход элювия трещиноватой породе постепенный.

Эоловые (ветровые) отложения— vQ (eolQ). Образуются при накоплении материала, переносимого ветром. Состав: эоловые пески, лёсс, вулканический пепел. [Форма залегания по подошве повторяет нижележащий рельеф, а по поверхности в рельефе могут образовываться барханы (рис.1 а).

Делювий — dQ (dlQ). Образуется в результате накоплении на склоне тонкого песчано-глинистого материала, приносимого сверху дождевыми и талыми водами. На пологих склонах преобладают супесчано-суглинистые отложения, на более крутых склонах горных стран — супесчано-щебнистые отложения (горный делювий). Мощность делювия увеличивается вниз по склону от долей метра до 5-10 м и более. Форму залегания часто именуют чехлом или шлейфом.

Пролювий (конусы выноса) — рQ(plQ). Образуется в результате отложения в предгорьях материала, приносимого с гор мелкими реками и временными водотоками. В верховьях конусов выноса откладываются крупные обломки — галечник, гравий, а в средней и нижней части — песчаный и глинистый материал (рис.1, г). Мощность пролювия, наибольшая в вершинной зоне, колеблется от нескольких метров до десятков и даже сотен метров. Если на одной территории распространено два конуса выноса, это значит, что более молодой наложен на более древний.

Озёрные — lQ, морские — mQ и болотные — hQ отложения. Залегают горизонтально. Для влажного климата характерны следующие озёрные отложения: терригенные (от глин до галечников) и органогенные осадки, для засушливого климата — хемогенные осадки.

Аллювиальные (речные отложения) aQ (alQ) — это отложения всех русловых водных потоков, включая и временные потоки. Среди аллювиальных отложений выделяются русловая, пойменная и старичная фации. Русловая фация представлена сортированными гравийно-песчаными косослоистыми отложениями (на равнине) или галечниками (в горах). Пойменная фация представлена маломощным покровом супесей и суглинков с линзами песка. Старичная фация состоит из алеврито-глинистых отложений, часто с прослоями торфа. [Наиболее полно все эти фации развиты в аллювии равнинных рек, нормальная мощность которого соответствует разнице высот между дном русла и уровнем паводковых вод.Для горных рек характерны развитие русловой фации и слабое развитие или отсутсутвие пойменной и старичной фаций.] При тектоническом поднятии территории река врезается и углубляет свою долину, а при опускании — теряет силу и откладывает часть переносимого материала. В результате нескольких циклов поднятия и опускания формируется комплекс аллювиальных отложений сложного строения. В нем могут присутствовать, высоко поднятые над современным уровнем реки толщи аллювия, именуемые террасами, или наоборот, глубоко погребенные отложения.

Ледниковые (гляциальные) — gQ (glQ), флювиогляциальные (водно-ледниковые) — fQ (fglQ) отложения. Сформировались в результате накопления ледником песчано-глинистых отложений, при таянии ледника (морены) и других процессах. Форма залегания близка к горизонтальной, повторяет доледниковый рельеф несколько его сглаживая. Водно-ледниковые отложения могут слагать террасы рек.

Биогенные отложения — bQ. Образуются на автохтонных торфяниках (низинных и верховых).

Гравитационные осыпные отложения (коллювий) — cQ (grQ, colQ). Формируются за счёт накопления у подножья склонов щебня — обломков скальных пород, осыпающихся при выветривании. Гравитационные оползневые (деляпсивные) отложения — grQ (dpQ). Образуются при сползании больших объёмов глинистых пород вниз по склону. При этом на склоне могут образовываться характерные оползневые бугры и ступени.

Покровные (проблематичные отложения — prQ. Представлены в основном неслоистыми суглинками и глинами, распространены в центральных областях Европейской части РФ. Залегают практически горизонтально.

Техногенные (tQ) насыпные, намывные отложения и культурный слой. Происхождение связано с деятельностью человека. По способу образования, назначению и составу выделяют горно-промышленные, строительные, ирригационные и хозяйственно-бытовые отложения. Состав: отходы производства, шлаки, строительный мусор, пески, глинистые породы. Форма залегания чаще близка к горизонтальной или бывает типа заполнении неровностей ранее существовавшего рельефа.

Отложения смешанного генезиса. Образовались при одновременном действии нескольких геологических процессов. Примеры: озерно-аллювиальные laQ, делювиально-пролювиальные dpQ отложения.

Тема 1.2. Стратиграфия и геохронология

Одной из важных задач геологической науки является воссоздание истории развития Земли и ее отдельных регионов. Все геологические события развиваются во времени, в течение которого формируются различные горные породы. Определив возраст горной породы, одновременно выясняют время протекания того или иного геологического процесса, в результате которого сформировалась эта порода. Определением возраста горных пород и последовательности их образования, геологического времени и геологических событий занимаются науки геохронология и стратиграфия.

Геохронология (от греч. «hronos» - время) – учение о геологическом времени, о хронологической последовательности геологических событий на основе установления хронологических (временных) взаимоотношений между слоями горных пород. В геохронологии выделяют относительное и абсолютное летоисчисление.

Относительная геохронология определяет, какие горные породы древнее, какие моложе. Геологические события запечатлеваются в горных породах. Раздел геологии, изучающий слои земной коры, их взаимное расположение и последовательность возникновения, называется стратиграфией (от греч. «stratum» - слой). Из стратиграфического анализа вытекает стратиграфический метод относительной геохронологии. В его задачу входят расчленение осадочных и вулканогенных пород на отдельные слои или пачки, определение содержащихся в них остатков ископаемой фауны и флоры, установление возраста слоев или пачек, сопоставление выделенных слоев в одном разрезе с соседними, составление сводного разреза отложений региона, а также разработка региональных стратиграфических шкал и создание единой стратиграфической и геохронологической шкалы.

Основным методом определения относительного возраста осадочных пород является палеонтологический. В основе этого метода лежит закон о необратимости эволюции органического мира, согласно которому в толщах горных пород последовательно сменяют друг друга неповторяющиеся комплексы ископаемых организмов. Зародившись на самых ранних этапах геологической истории, органическая жизнь на Земле с течением времени развивалась и изменялась. Для различных отрезков истории характерны свои формы органической жизни, отличные от предшествующих и последующих. Важную роль в этом методе играют те группы организмов, которые существовали в течение короткого времени и были распространены во всех морях и океанах или на многих континентах. Такие роды и виды организмов оказались своеобразными реперами в геологической истории и получили название руководящих ископаемых. Руководящими формами ископаемых организмов в континентальных отложениях являются скелеты динозавров или их фрагменты, скелеты птиц, хоботных, приматов, лошадей и следы их жизнедеятельности, а также остатки растений. Среди морских организмов руководящими являются граптолиты, трилобиты, брахиоподы и др.

В настоящее время широко используется палеомагнитный метод корреляции отложений, основанный на том, что все горные породы, как магматические, так и осадочные, в момент своего образования приобретают намагниченность, отвечающую по направлению и по силе магнитному полю данного времени. Эта намагниченность сохраняется в породе, поэтому и называется остаточной намагниченностью, разрушить которую может лишь нагревание до высоких температур, выше точки Кюри, ниже которой магматические породы приобретают намагниченность, или, например, удар молнии. В истории Земли неоднократно происходила смена полярности магнитного поля, когда Северный и Южный полюса менялись местами, а горные породы приобретали прямую (положительную, как в современную эпоху) или обратную (отрицательную) намагниченность. Сейчас разработана подробная шкала смены полярности для всего фанерозоя, особенно для мезозоя, успешно применяемая для корреляции базальтов и осадков океанического дна.

Существуют и другие методы корреляции отложений, например метод непрерывного сейсмического профилирования, электрокаротажные методы и др.

Абсолютное летоисчисление устанавливает возраст горных пород в астрономических единицах (годах). Главными методами абсолютной геохронологии являются радиогеохронологические методы, основанные на явлении радиоактивного распада элементов, находящихся в горных породах или минералах. Радиоактивные изотопы в малых количествах входят в кристаллическую решетку многих минералов. С момента образования минерала в нем начинают накапливаться продукты самопроизвольного распада изотопов. Никакие внешние факторы не могут ни ускорить, ни замедлить этот процесс. При распаде материнских изотопов образуются новые дочерние изотопы. В зависимости от того, по изотопам какого радиоактивного элемента и соответствующего ему продукту распада производится определение возраста, в изотопной геохронологии различают несколько методов: уран-свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, самарий-неодимовый, радиоуглеродный и др.

На основе методов относительной и абсолютной геохронологии были созданы совмещенные стратиграфическая и геохронологическая шкалы. Первая применяется для обозначения на карте комплексов горных пород, сформировавшихся за определенный промежуток времени; во второй указаны временные рамки стратиграфических подразделений, т. е. каждому стратиграфическому подразделению соответствует геохронологическое подразделение.

Сначала была создана стратиграфическая шкала, в которой были показаны слоистые осадочные отложения от древних к молодым, а затем стратиграфическая шкала была совмещена с геохронологической, в которой уже были указаны временные рамки стратиграфических подразделений. Это произошло в 1881 году на II-м Международном геологическом конгрессе в г. Болонье. С тех пор она неоднократно уточнялась и в настоящее время выглядит следующим образом (табл.8, 9, 10).

Таблица 8

Таблица 9

Вся геологическая история Земли, (фиксируемая в минералах и горных породах), делится на две неравные части: более древний и более продолжительный криптозой (время скрытой жизни), или докембрий, охватывающий первые 3,5 млрд. лет геологической истории Земли, и значительно более короткий фанерозой (время явной жизни), к которому относят последние 540 млн. лет. Граница фанерозоя и докембрия постоянно уточняется, колеблясь от 590 до 542-535±1 млн. лет в наиболее современном варианте шкалы. Нижняя граница докембрия с появлением новых данных также может изменяться, смещаться вниз, в сторону удревнения.

Согласно современной международной стратиграфической (геохронологической) шкале (табл. 7) самыми крупными ее подразделениями являются эонотемы (эоны). Их выделяют две (два) в докембрии – архей и протерозой, третья эонотема (третий эон) - фанерозой – включает в себя более молодые отложения, от кембрийских до четвертичных включительно. Эонотемы (эоны) делятся на эратемы (эры): четыре – в архее, три – в протерозое и три - в фанерозое. Эратемы (эры) фанерозоя делятся на системы (периоды), отделы (эпохи), ярусы (века).

В современном варианте стратиграфической шкалы докембрия (Стратиграфический кодекс России, Издание третье, 2006, Приложения) архей и протерозой получили новый статус более крупного подраздела – акротем, в пределах каждой из которых выделяются эонотемы: нижне- и верхнеархейские и нижне- и верхнепротерозойские (см. табл.8). Верхний протерозой делится нарифей и венд (последний - в ранге системы). Нижний и верхний архей и нижний протерозой и рифей подразделяются на эратемы, название которых соответствуют названиям толщ пород соответствующего возраста.

Фанерозойская эонотема подразделяется на три эратемы: палеозойскую, состоящую из шести систем, мезозойскую, состоящую из трех систем, и кайнозойскую (три системы). Название системам (периодам) обычно присваивалось по наименованию местности, где породы соответствующего возраста были впервые выделены и наиболее полно описаны. Так, кембрийский период носит старое название п-ва Уэльс; ордовикский и силурийский получили название по имени древних племен, живших в тех районах Англии, где эти отложения были описаны; девонский период был назван по графству Девоншир опять в Англии; пермский – по Пермской губернии в России; юрский – по Юрским горам в Швейцарии. Исключение составляют каменноугольный (карбоновый) и меловой периоды, названные по характерным породам, их слагающим, а также триасовый период, название которого произошло от объединения трех толщ в Европе, последовательно залегающих одна над другой. Палеогеновый и неогеновый периоды, ранее входившие в состав третичного периода, свои названия получили от местоположения в его составе: древний и молодой. Только название «четвертичный» сохранилось с XVIII века.

Все подразделения геохронологической и стратиграфической шкал ранга «период-система» обозначаются по первой букве латинского наименования, например девон - D, карбон – С, пермь – Р и т.д. (табл.6,7). Более мелкими единицами, чем период (система), в шкале являются эпохи (отделы). Их бывает две (два) или три с соответствующими названиями. Эпохи делятся на раннюю, среднюю и позднюю, отделы - – на нижний, средний и верхний; обозначаются цифрами – 1, 2, 3, которые ставятся справа от индекса периода или системы внизу, например: J1 - раннеюрская эпоха (ранняя юра) или на карте - нижний отдел юрской системы (нижняя юра); К2- поздний мел или на карте - верхний мел –и т.д. Каждая система слоев осадочных толщ на геологической карте имеет свой цвет: Эти цвета общеприняты и замене не подлежат. В пределах системы интенсивность окраски уменьшается от нижнего отдела к верхнему.

Геохронологическая шкала является важнейшим документом, удостоверяющим последовательность и время геологических событий в истории Земли.