Metody stratygrafii czwartorzędu Polski

Paweł Mikuś

Abstrakt: Historia badań czwartorzędu Polski, poglądy na stratygrafię i jego współczesna stratygrafia.. Przegląd najważniejszych metody klasyfikacji utworów czwartorzędowych, możliwości i przykłady ich zastosowań: litostratygrafia, biostratygrafia, pedostratygrafia,. Klimatostratygrafia na podstawie danych uzyskanych z osadów lądowych i morskich.

Słowa kluczowe: stratygrafia czwartorzędu Polski, litostratygrafia, biostratygrafia, pedostratygrafia, kriostratygrafia, kinetostratygrafia, allostratygrafia, klimatostratygrafia, palinostratygrafia, cykle Milankowicia, jednostki homotaksjalne, osady lodowcowe.

Historia badań utworów czwartorzędowych Polski

Osady czwartorzędowe Polski powstały w wyniku powszechnie znanych następstw globalnych zmian warunków klimatycznych i różnych zmiennych w czasie warunków regionalnych i lokalnych. Warunki klimatyczne spowodowały rozwój i zanik lądolodu skandynawskiego, który kilkakrotnie objął swym zasięgiem Niż Polski i obszary sąsiednie, decydując w ten sposób o rodzaju i przebiegu procesów morfogenetycznych zarówno w swoim zasięgu, jak i na rozległych obszarach przedpola. Spośród warunków regionalnych najważniejszy wpływ na przebieg procesów geologicznych w czwartorzędzie miały cechy struktury podłoża, a więc tektonika i własności litologiczne skał starszych. Do zróżnicowania regionalnego utworów czwartorzędowych przyczyniły się również ruchy neotektoniczne, rzeźba powierzchni przedczwartorzędowej i wiele innych czynników.

Pierwsze obszerne informacje o utworach czwartorzędowych Niżu Polskiego i obszarów wyżynnych znajdują się w dziełach S. Staszica (1805) i J. B. Puscha (1836), powstałych w pierwszej połowie XIX w. W końcu drugiej jego połowy pojawiły się liczne publikacje J. Siemiradzkiego, w których znajduje się wiele opisów poszczególnych profilów. Autor ten jako pierwszy wysunął możliwość dwukrotnego zlodowacenia Niżu Polskiego, dochodząc do tego poglądu na podstawie znajomości wielu odsłonięć i profilów wiertniczych z rozległych obszarów kraju. W tym czasie na wyżynach przedmiotem zainteresowania stał się less oraz utwory rzeczne, a także liczne stanowiska paleontologiczne, badane przy okazji sporządzania zdjęć geologicznych do Atlasu Geologicznego Galicji przez wielu geologów, m. in. lwowskich i krakowskich. Wiele faktów o znaczeniu stratygraficznym opisali również gleboznawcy. Jeden z nich – S. Miklaszewski (1910) prawdopodobnie jako pierwszy opisał profil lessu z glebą kopalną w okolicy Poturzyna na Grzędzie Sokalskiej.

W drugiej połowie XIX w. odkryto faunę morską w dolinie dolnej Wisły (F. Roemer, 1864; G. Berendt, 1866, 1868; A. Jentzsch, 1882, 1885, 1895, 1898). Wiek tej fauny był określany różnie – niektórzy badacze zaliczali ją do preglacjału (G. Maas, 1904), inni przyjmowali możliwość istnienia kilku transgresji morskich w plejstocenie (O. Linstow, 1922). Rewizję tych poglądów przeprowadził R. Galon (1934) na podstawie własnych szczegółowych badań ustalając eemski wiek fauny i osadów, w których jest zawarta.(Mojski, 1988)

Miniony wiek przyniósł bardzo wiele postępów badań nad czwartorzędem Polski, do czego przyczynili się nie tylko nowi wybitni badacze, ale też gwałtowny rozwój metod badawczych i rozszerzenie ich stosowalności w nieznane wcześniej obszary. Opisane zostały osady niemal wszystkich typów środowisk, z charakterystycznymi dla nich osadami i formami, wprowadzono zaawansowane metody datowania osadów, które znacznie ułatwiły pracę i pomogły znaleźć odpowiedź na wiele pytań nurtujących współczesnych geologów.

Poglądy na stratygrafię czwartorzędu

Istnieją trzy szkoły rozumowania (Lindner, 1992):

1. Czwartorzęd niczym nie różni się od starszych okresów. Należy zatem stosować te same zasady klasyfikacji (m. in. kodeks Hedberga, 1976; przyjęty przez Komisję Stratygrafii INQUA).

2. Istnieje wiele cech odróżniających czwartorzęd, należy więc stosować specjalne zasady stratygraficzne. Uwzględnia się tutaj kryteria: geomorfologiczne, peryglacjalne, wyniki analizy pyłkowej i inne. Podstawowe zasady stratygrafii nie powinny jednak odbiegać od procedur stosowanych w różnych kodeksach międzynarodowych

3. Klasyfikacje stratygraficzne są jedynie przeszkodą, należy opierać się na datach radiometrycznych. Pogląd oparty na nierealistycznej wierze w dokładność technik pomiarowych.

Współczesna stratygrafia czwartorzędu

Osady czwartorzędowe cechuje niepełny profil osadów, zwłaszcza w obszarach ekstraglacjalnych, skąd wywodzi się większość klasyfikacji. Ciągłe serie osadowe należą do wyjatków, np.: lessy Europy Środkowej, osady jeziorne w zapadliskach tektonicznych. (Mojski, 1988)

Glacjałom i interglacjałom nadaje się rangę pięter, a stadiałom i interstadiałom – podpięter.

Wielu geologów ma jednak wątpliwości co do takiego stanu rzeczy : klasyfikacja opiera się nie tyle na zapisie osadowym, co na zmianach klimatycznych z tych osadów wydedukowanych. Istnieją często kłopoty z prawidłowym rozpoznaniem i oceną "klimatyczną" osadu (np. odróżnienie osadów peryglacjalnych od glacjalnych). Trudno ustanawiać granice jednostek jeśli większość granic ma charakter diachroniczny: interglacjał rozpoznany na podstawie sukcesji roślinnej w klimacie umiarkowanym (analiza pyłkowa) zostanie wcześniej stwierdzony w średnich szerokościach geograficznych, niż w szerokościach wyższych.(Lindner, 1992)

W okresach przedczwartorzędowych transgresje morskie prowadziły do wytworzenia sekwencji diachronicznych.

W czwartorzędzie rolę tę spełniają zmiany klimatyczne. Powtarzające się cykle klimatyczne prowadzą do powstania powtarzających się sekwencji skalnych. Aczkolwiek różnego wieku, sekwencja skalna w jednym stanowisku przypomina sekwencję z innego stanowiska - są to jednostki homotaksjalne.

Czwartorzęd posiada specyficzne cechy, które nie są jednak przeszkodą dla

stosowania procedur stratygraficznych używanych w odniesieniu do okresów

starszych.

Współczesna nauka dysponuje szerokimi możliwościami klasyfikacji utworów czwartorzędowych. Spośród nich szczególne znaczeniu dla czwartorzędu mają jednostki (Lindner, 1992):

* klimatostratygraficzne

* morfostratygraficzne

* kinetostratygraficzne

* pedostratygraficzne

* allostratygraficzne

* magnetostratygraficzne

* litostratygraficzne (sensu stricto, pedostratygraficzne, kriostratygraficzne)

Jednostki lito-, bio- i chronostratygraficzne są raczej uzupełniającymi.

Litostratygrafia

Klasyfikacja ta ma na celu systematyczne uporządkowanie warstw skalnych lub innych ciał geologicznych skorupy ziemskiej. Uporządkowanie to wyraża się określeniem jednostek wyróżnianych na podstawie wielu cech litologicznych, pedologicznych lub kriostrukturalnych. Te 3 kryteria stanowią 3 oddzielne formalne jednostki litostratygraficzne osadów czwartorzędowych.

Jednostki litostratygraficzne sensu stricto: grupa (gr), formacja (fm), ogniwo (og), warstwa (wt). (Racki G., Narkiewicz M., 2006)

Fig.2. Jednostki litostratygraficzne na równinach Lancashire i Cheshire wg. P. Worsley’a (1967) w: Mojski, red. 1988.

Biostratygrafia (Borówka, 1996)

Metoda ta jest wykorzystywana do podziału czwartorzędu przez wielu badaczy, jest szeroko stosowana na całym świecie ze względu na dość dobre możliwości badawcze, jednak częstą jej wadą jest mała rozdzielczość. Przykłady:

- hominidy: niewielka przydatność do podziałów szczegółowych

- gryzonie: metoda obiecująca, ciągle dopracowywana

- ssaki Ameryki Płn.: niewielka zdolność rozdzielcza

"Wieki ssakowe": * Blancan (zazębiający się z pliocenem)

* Irvingtonian (prawie cały plejstocen)

* Rancholabrean

Mimo sporych ograniczeń, metoda ta znajduje duże znaczenie badań paleoekologicznych, gdyż zmiany środowisk rekonstruowane w oparciu o zmiany zespołów fauny i flory.

Oddzielną gałęzią biostratygrafii jest palinostratygrafia, zajmująca się porządkowaniem i klasyfikacją skał skorupy ziemskiej na podstawie zawartego w nich pyłku i zarodników. Jednostką palinostratygraficzną są utwory wyodrębione na podstawie sporomorf. Jednostka ta może być wyróżniana na podstawie ilościowego występowania wybranej liczby taksonów, oraz następstwa taksonów. Ważne jest, aby podstawa wyróżniania danej jednostki była wyraźnie określona i jasna.

Kategorie jednostek: sukcesja, poziom (zona), podpoziom (subzona).(Mojski, 1988)

Fig.3. Przykład poziomu pyłkowego (Mojski, 1988).

Pedostratygrafia(AAPG 1983)

Ma na celu uporządkowanie w jednostki o różnych nazwach gleb kopalnych i reliktowych wytworzonych z różnych skał, a wyróżnianych na podstawie cech diagnostycznych: biofizykochemicznych i morfologicznych oraz ich zmienności. Podstawową jednostką pedostratygraficzną jest geosol. Wg AAPG - INQUA: “geosol” oznacza “dający się śledzić obocznie, kartowalny profil wietrzeniowy o jednoznacznej pozycji stratygraficznej”.

Profil pedologiczny

O - poziom ściółki

A - poziom organiczno-mineralny

B - poziom iluwialny

C - zwietrzałe podłoże

R - niezwietrzałe podłoże skalne

Kriostratygrafia (Mojski, 2005)

Ma na celu uporządkowanie w jednostki (zespoły, poziomy) o różnych nazwach epigenetycznych struktur peryglacjalnych (szczelinowych, inwolucyjnych), uformowanych na różnych skałach i osadach, a wyróżnianych na podstawie właściwych sobie cech diagnostycznych i ich zmienności. Jednostki: kriohoryzont, kriozona.

Fig.4. Pozycja stratygraficzna struktur peryglacjalnych zlodowacenia północnopolskiego w środkowej Polsce (Mojski, 1985).

Kinetostratygrafia (Mojski, 2005)

Jednostka kinetostratygraficzna jest definiowana jako jednostka osadowa zdeponowana przez lądolód lub strumień lodowcowy o charakterystycznym układzie i kierunku ruchu. Analiza rys lodowcowych podłoża, orientacji głazików oraz analiza strukturalna deformacji glacjalnych pozwalają na wyróżnienie jednostek zdeponowanych przez kolejne nasunięcia lądolodu następujące z różnych kierunków.

Struktury deformacyjne związane z lądolodem są badane w kontekście stratygraficznym, a poszczególne jednostki osadowe są grupowane w jednostki kinetostratygraficzne, w oparciu o wskaźniki kierunkowe - związek ze stratygrafią zdarzeniową. W obszarach zaburzonych glacitektonicznie struktury deformacyjne są nałożone na starsze struktury deformacyjne - stąd też trudność w stosowaniu litostratygrafii. Dolna granica jednostki kinetostratygraficznej znajduje się w spągu osadów zdeponowanych w związku z nasunięciem i recesją danego lądolodu. (Berthelsen, 1978)

Fig.5. Przykład jednostki kineto stratygraficznej (Mojski, 1988).

Allostratygrafia

Jest to nowa kategoria jednostek stratygraficznych, według której podstawowym kryterium wyróżniania i definiowania jednostek jest określenie powierzchni nieciągłości takich jak: nieciągłość erozyjna, zmiana barw, cech genetycznych osadów, lub też powierzchni geomorfologicznej. Granice jednostek mogą przebiegać w obrębie kompleksów o podobnej litologii, a same jednostki wykazywać zarówno w pionie, jak i w poziomie dużą zmienność charakterystyki wewnętrznej. Stąd widać, że kryterium wydzielania jednostek allostratygraficznych może być interpretacja genetyczna, która ma decydujące znaczenie przy wyborze granic. W charakterystyce wewnętrznej tych jednostek główną rolę odgrywają natomiast cechy fizyczne, chemiczne i paleontologiczne. (AAPG, 1983).

Klasyfikacja ta znajduje szerokie zastosowanie w badaniach młodych utworów osadowych, czego dobrym przykładem mogą być badania teras Dunajca w Karpatach.

Fig.6. Podział allostratygraficzny utworów rzecznych na przykładzie doliny Dunajca (Mojski, 2005).

Fig.7. Allostratygrafia utworów czwartorzędowych okolicy Łącko – Podegrodzie (Mojski, 2005).

Klimatostratygrafia

Klimatostratygrafia jest bardzo obszernym działem stratygrafii wykorzystującym nowe i zaawansowane metody datowań osadów morskich i lądowych. Szczególnie bogaty dorobek badań dotyczy osadów morskich współczesnych i kopalnych, np. wykresy krzywych tlenowych, charakterystyka i udział izotopów tlenu w osadach płytko i głębokomorskich, analiza pyłkowa w osadach rozprzestrzenionych na całej kuli ziemskiej.

Ogrom zagadnień związanych z tą dziedziną spróbowano ująć w fig.10, podając źródła informacji o osadach i rekonstruowane za ich pomocą parametry.

Wielki wpływ na klimat Ziemi w czwartorzędzie miały wydarzenia powtarzające się cyklicznie w pewnych odstępach czasu, sterowane czynnikami astronomicznymi, czyli tzw. cykle Milankovicia. (Fig.9). Analizując profile i rdzenie, można dostrzec powtarzalność pewnych sekwencji osadów w równych interwałach czasowych, wynoszących mniej więcej 100 000, 42 000 i 21 000 lat.

Fig.8. Czynniki astronomiczne przyczyniające się do zmian klimatu wg teorii Milankowicia (Borówka, 1996).

Mając na uwadze klimatostratygrafię obszaru Polski, dysponujemy już nieco uboższym wachlarzem metod rekonstrukcji klimatostratygraficznych, przede wszystkim z powodu danych bazujących na osadach kontynentalnych plejstoceńskich zlodowaceń, które są pełne luk stratygraficznych i diachronicznych granic. Jednak w wyniku korelacji lokalnych profili osadów, udało się sporządzić tabelę jednostek klimatostratygraficznych czwartorzędu Polski na tle jednostek z Europy Zachodniej. Podział ten jest aktualny i pomocny w dzisiejszych pracach nad profilami osadów czwartorzędowych, jednak wraz z postępem prac następuje redefinicja wieku niektórych granic, co czyni tę skalę coraz dokładniejszą i użyteczniejszą.

Fig. 9. Klimatostratygrafia Polski (Lindner, 2004).

Fig. 10. Źródła danych dla klimatostratygrafii i zakres ich wykorzystania (Borówka, 1996).

Literatura:

1. International Commission od Stratigraphy. Request for IUGS Ratification to Establish the Quaternary as a System/Period of the Cenozoic and revise the associated base of the Pleistocene Series. www.stratigraphy.org/request.pdf .

2. Ber A., Lindner L., Marks L. Propozycja podziału stratygraficznego czwartorzędu Polski. Przegląd Geologiczny, 48(2): 115-118.

3. Borówka, R. K. 1996. Ewolucja Ziemi. Wielka Encyklopedia Geografii Świata. Tom III. Wyd. Kurpisz s.c., Poznań.

4. Lindner, L. (red.) 1992. Czwartorzęd. Osady, metody badań, stratygrafia. Wydawnictwo PAE, Warszawa.

5. Mojski, J. E. (red.) 1984. Budowa geologiczna Polski. Tom I. stratygrafia, część 3b, kenozoik, czwartorzęd. Wyd. Geol., Warszawa.

6. Mojski, J. E. 2005. Ziemie polskie w czwartorzędzie. Zarys morfogenezy. Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa.

7. Racki G., Narkiewicz M. (red. 2006) Polskie zasady stratygrafii. Państwowy Instytut Geologiczny. Warszawa.

8. North American Stratigraphic Code. AAPG Bulletin, v. 89, no. 11 (November 2005), pp. 1547–1591.