GEOGRAFIA CUATERNARULUI Tutore curs: Conf. univ. dr. Marian ENE

PALEOMEDIULUI CUATERNAR METODE DE CERCETARE A PALEOMEDIULUI CUATERNAR

Cuaternarul intră sub incidenţa de cercetare a mai multor ştiinţe ─ geologie, paleontologie, geomorfologie ş.a., motiv pentru care şi metodele de cercetare sunt multiple, diferenţiate după scop. Metoda lito-biostratigrafică. Folosind fenomenul ireversibil al evoluţiei biologice metoda este frecvent folosită în ordonarea succesiunilor stratigrafice ale depozitelor marine, lacustre şi continentale. Se încearcă stabilirea unor litofaciesuri şi stratotipuri (straturi care conţin o asociaţie unică de fosile) prin care să se facă posibilă paralelizarea unor formaţiuni care s-au depus în aceleaşi condiţii de sedimentare (medii de sedimentare). De asemenea, stabilirea tipurilor de depozite în funcţie de geneza lor (glaciare, fluvioglaciare, eoliene, lacustre, fluviatile, de mlaştină etc.) necesită şi tehnici foarte diverse de studiere a formaţiunilor cuaternare ─ mineralogice, granulometrice, rularea, şlefuirea şi strierea galeţilor şi grăunţilor de nisip etc. Prin asemenea investigaţii au fost evidenţiate caracterele litologice şi mineralogice ale morenelor, stabilindu-se sursa lor de provenienţă şi direcţia de deplasare a gheţarilor. Pe baza principiului superpoziţiei orizonturilor litofaciale şi biostratigrafice a fost posibilă stabilirea unei cronologii relative a formaţiunilor şi principalelor evenimente din timpul Cuaternarului

Formaţiunile glaciare, alcătuite din materiale detritice, sunt însă aproape complet lipsite de fosile. Astfel, aplicarea metodelor clasice ale biostratigrafiei, bazate pe evoluţia faunelor şi florelor, devine foarte dificilă pentru studiul depozitelor cuaternare, chiar şi numai pentru faptul că în perioade atât de scurte puţine specii noi au dispărut.

Metode geomorfologice Metode geomorfologice. Au avut şi au încă un loc important în descifrarea şi cunoaşterea reliefului şi depozitelor cuaternare, în stabilirea dinamicii gheţarilor, a relaţiilor dintre oscilaţiile gheţarilor şi reliefurile fluviatile şi marine. Prin cartarea şi explicarea genetică a tuturor formelor de relief create de agenţii de modelare care au activat în timpul Cuaternarului (gheaţă, zăpadă, îngheţ, apă curgătoare, vânt ş.a.) geomorfologii au dat imaginea spaţială şi foarte diversificată a reliefului cuaternar. Prin asemenea metode au fost puse în evidenţă: extinderea gheţarilor în raport cu morenele, legătura dintre formele acumulative şi erozive şi retragerea sau înaintarea gheţarilor, raportul dintre terasele fluviatile şi terasele marine şi legătura acestora cu fluctuaţiile gheţarilor şi oscilaţiile eustatice.

c       A. Penck şi Ed. Brückner (1909) stabilesc, pe baza relaţiilor geomorfologice şi stratigrafice dintre morenele, depozitele fluvio-glaciare şi terasele fluviatile din Alpi prima cronologie a glaciaţiunii alpine. Cele patru glaciaţiuni succesive ─ Günz, Mindel, Riss, Würm ─ rezultă din existenţa celor patru serii de pietrişuri şi terase existente pe marginea nordică a Alpilor şi afluenţilor principali de la izvoarele Dunării. Terasele şi pietrişurile corespund fazelor aluvionare din timpul glaciaţiunilor, iar formarea văilor şi tăierea frunţilor de terasă corespund interglaciarelor. A.Penck a urmărit în amonte cele patru serii de pietrişuri de terasă şi a observat trecerea lor în morene cu grade diferite de alterare: terasele superioare trec în morene mai vechi, mai alterate, günziene şi mindeliene, iar cele inferioare în morene mai recente, rissiene şi würmiene    Trecerea depozitelor de terasă în depozite morenice (după Penck şi Brückner, 1909)

c       Ch.Dépèret (1923) propune o clasificare a teraselor marine din bazinul Mediteranei şi racordarea acestora cu terasele fluviatile, în raport cu glacio-eustatismul şi glaciaţiunile cuaternare (acumulare = transgresiune= interglaciar). Prin aceasta se completează sistemul de corelare geomorfologic şi geocronologic între sistemele de modelare glaciar, fluviatil şi marin. Cronologia teraselor marine din bazinul Mediteranei (după Dépèret, 1923)

Metoda varvelor (argilelor rubanate) Metoda varvelor (argilelor rubanate). Fundamentată de geologul Gerald de Geer şi prezentată la Congresul Internaţional de Geologie din 1910 de la Stockholm, constă în numărarea stratelor diferenţiate granulometric şi coloristic depuse în lacurile şi depresiunile proglaciare. Vara, când apele provenite din topirea gheţarului sunt abundente, se acumulează un orizont predominant detritic (nisipuri), mai gros şi mai deschis la culoare. În schimb, toamna şi iarna, când aporturile detritice sunt mult sau complet reduse, în depresiunile şi lacurile proglaciare se decantează argile, mâluri şi materiale organice, ce formează un orizont mai subţire şi mai închis la culoare. O pereche alcătuită din două secvenţe sedimentare, de vară şi de iarnă, constituie o varvă (fig.2.4.). Prin numărarea stratelor anuale (varvelor) G. de Geer (1912) face primele datări de vârstă absolută a sedimentelor proglaciare (geocronologia varvelor), prin această metodă stabilindu-se cu multă precizie fazele de retragere ale ultimei calote glaciare scandinave (fig.2.5.), apoi a celei din jurul Marilor Lacuri (America de Nord), Patagonia etc. Alcătuirea unei varve din două secvenţe sedimentare   Cronologia retragerii ultimei calote glaciare scandinave

Metoda sporo-polinică Metoda sporo-polinică. Are în vedere aprecierea cantitativ-statistică a grăunţilor fosili de spori şi polen conservaţi în formaţiunile sedimentare, cu precădere turbă, cărbune, mâl, argilă. Prin stabilirea frecvenţei diverselor specii de arbori de la care au provenit sporii şi polenul se reconstituie spectrul asociaţiilor vegetale dintr-un anumit teritoriu, pe baza cărora pot fi deduse condiţiile climatice care au existat în timpul acumulării orizontului sedimentar. Metoda a fost pusă la punct de geologul suedez Lenard von Post care, în anul 1916, la o întrunire a naturaliştilor scandinavi, prezintă prima diagramă polinică rezultată în urma unor studii stratigrafice. Metoda, cea mai importantă în cunoaşterea evoluţiilor mediilor vegetale, permite stabilirea unui cadru cronologic mai exact, bazat şi pe evoluţia climatelor, doar pentru timpurile Tardiglaciarului şi Postglaciarului. La început a fost folosită cronologia paleobotanică (Preboreal, Boreal, Atlantic, Subboreal, Subatlantic) propusă de A. Blytt (1876), la care s-au adăugat ulterior zonele palinocronologice, numerotate de la I la X, ale lui F. Firbas (1946) (fig.). Cronologia Tardiglaciarului şi Holocenului fixată pe baza evoluţiei vegetaţiei

Metoda radiometrică. Este cea mai bună metodă pentru determinarea vârstei absolute a unui eşantion mineral sau organic, având la bază timpul de înjumătăţire a izotopilor radioactivi. A fost inventată de fizicianul american W.F. Libby (1949), care a folosit izotopul radioactiv C14, provenit din reacţia neutronilor produşi de reacţiile cosmice cu izotopul de azot (N14). Izotopul de C14 este absorbit din atmosferă de corpurile organice şi se păstrează în cantitate constantă până la moartea acestora, după care începe să se dezintegreze cu o perioadă de înjumătăţire de 5.730±40 ani. Măsurarea conţinutului rezidual în C14 dintr-un corp organic permite calcularea vârstei sale. Datorită perioadei scurte de înjumătăţire metoda radiometrică ce foloseşte ca izotop C14 poate fi folosită pentru datări până la vârste de 50 – 60.000 ani (tabel 2.2.).  

Pentru stabilirea unor vârste mai mari se folosesc alte elemente radioactive a căror dezintegrare radioactivă este lentă. Majoritate rocilor conţin cantităţi minuscule de elemente radioactive cum sunt uraniu (U243), potasiu (K40), thoriu (Th230), rubiniu (Ru), care prin dezintegrare gradată pot forma alte elemente. Cunoscându-se ritmul acestei dezintegrări se poate calcula vârsta rocilor prin măsurarea cantităţii de elemente radiogenice, secundare, prezente azi în asemenea roci. Prin metode radiometrice au fost datate multe orizonturi sedimentare cuaternare, reuşindu-se o mai bună cronologie şi corelare regională a acestora. Prin convenţie, dată de referinţă zero, prezentul, a fost fixată la anul 1950, şi în mod obişnuit valorile care exprimă vârsta respectivă sunt urmate de iniţialele B.P. (lb. engleză: before prezent = faţă de prezent; de exemplu 73.500±150 B.P.).

Metoda izotopilor de oxigen Metoda izotopilor de oxigen. Având în vedere rezultatele excelente pe care le-a dat este tot mai mult folosită pentru determinarea paleotemperaturilor apelor marine din diferite timpuri geologice, dar mai ales în timpul Cuaternarului. Oxigenul se găseşte în natură sub forma a trei izotopi stabili ─ O16 (99,76%), O17 (0,04%) şi O18 (0,20%), varietăţi identice din punct de vedere chimic, dar cu greutăţi atomice diferite. Chimistul american H. Urey (1947) a constatat că abundenţa relativă a izotopilor de O18 şi O16 înmagazinaţi în CO3Ca din cochiliile foraminiferelor depinde în mare măsură de temperatura apei marine, păstrând proporţia din timpul formării acestora, iar proporţia (O18/O16) variază indirect cu creşterea temperaturii apei (fig. 2.7.). Stabilindu-se relaţia dintre proporţia de O18/O16 şi temperatura apei marine actuale se pot calcula temperaturile apelor oceanice din trecutul geologic prin măsurarea proporţiei de O18/O16 conservat în CO3Ca din cochiliile foraminiferelor fosile. Compoziţiile izotopice determinate sunt exprimate prin δO18 (‰): Descreşterea abundenţei relative a O18 odată cu creşterea temperaturii apei (după Urey, 1951)

c stadiile 1-18 corespund epocii paleomagnetice Brunhes; În urma determinărilor făcute pe carotele extrase de pe fundul Oceanului Atlantic, C. Emiliani (1955), apoi J.N. Shackleton şi N. Opdyke (1973) au realizat curba variaţiei O18 şi a paleotemperaturilor apelor marine în ultimii 800.000 ani, identificând 23 stadii climatice (numerotate de la 1 la 23), dintre care 11 sunt reci, şi au făcut unele aprecieri: c       stadiile 1-18 corespund epocii paleomagnetice Brunhes; c       stadiile 2,3,4, şi 5 corespund ultimei glaciaţiuni (inclusiv substadiile 5a, 5b, 5c şi 5d); c       substadiul 5e aparţine ultimului interglaciar; c      în epoca paleomagnetică Brunhes au avut loc 8 glaciaţiuni: 18, 16, 14, 12, 10, 8, 6 plus ultima glaciaţiune; c       succesiunea alternativă evidentă glaciar-interglaciar a apărut în ultimii 800.000 ani. Curba paleotemperaturilor cu stadiile paleoclimatice şi terminalele glaciare (după Shackleton şi Opdyke,1973).

Metoda paleomagnetică Metoda paleomagnetică. Frecvent folosită în reconstituirile paleogeografice, se poate aplica atât în rocile vulcanice, cât şi în cele sedimentare. Pentru orice timp dat, câmpul magnetic poate fi definit prin trei parametri: c       declinaţia (D), unghiul dintre nordul magnetic şi nordul geografic; c       înclinaţia sau dip (I), înclinaţia faţă de orizontală a unui ac suspendat, liber, şi care variază de la 0° la ecuatorul magnetic la 90° la polul magnetic; c       intensitatea (F) sau puterea câmpului, care este de 1,5 ori mai puternică la ecuator faţă de cea de la poli. Rocile care conţin minerale de fier devin magnetice în cazul în care topiturile magmatice şi lavele cu temperaturi peste 1 000°C (la aceste temperaturi ridicate proprietăţile magnetice sunt distruse) s-au solidificat sub 600°C. La aceste temperaturi particulele minerale de fier, pe care le conţin rocile sunt magnetizate şi orientate în direcţia câmpului magnetic dominant al Pământului. Rocile sedimentare sunt formate şi din particule ce conţin minerale de fier, deja magnetizate, care provin din erodarea rocilor preexistente. Depuse în lacuri, mări şi oceane aceste particule magnetice se reorientează şi se cimentează, odată cu roca, în direcţia câmpului magnetic existent în timpul sedimentării. Această magnetizare remanentă, conservată în rocile vulcanice sau sedimentare, nu mai este afectată de schimbările ulterioare ale câmpului magnetic, fapt pentru care ele înregistrează direcţia câmpului magnetic al Pământului din timpul în care s-au format. În consecinţă, ambele tipuri de roci, vulcanice şi sedimentare, pot conţine o magnetizare remanentă care reflectă direcţia polului magnetic din timpul când s-a format roca.

Pe baza studiilor detaliate ale paleomagnetismului rocilor a putut fi reconstituită migrarea polului geomagnetic în decursul trecutului geologic, dar mai ales în timpul Cuaternarului (fig.), faţă de care V. Bucha (1976) leagă şi o parte din evenimentele climatice din emisfera nordică. Schimbarea poziţiei nordului magnetic în ultimii 38.000 ani (după Bucha, 1976)

Există şi un alt aspect, foarte important, care a rezultat din studiul paleomagnetismului rocilor, şi anume că în decursul timpului, câmpul magnetic al Pământului a suferit modificări, iar emanaţia remanentă poate fi normală (la fel cu cea actuală) sau inversă. Cercetările au arătat că inversarea polilor magnetici are loc în câteva mii de ani, iar polaritatea normală sau inversă este apoi menţinută pentru perioade ce variază între 100 000 ani şi 50 milioane ani. Folosind rocile vulcanice, inclusiv cele situate de o parte şi de alta a riftului medio-atlantic, a fost întocmită scara schimbărilor de polaritate ale câmpului magnetic al Pământului (A. Cox, R. Dolli şi G. Dalrymple, 1963, 1965) pentru cel puţin patru milioane de ani (fig.2.10.). Timpul când câmpul magnetic a avut aceeaşi polaritate corespunde unei epoci (Gilbert, Gauss, Matuyama, Brünhes), iar diferitele schimbări de polaritate de durată mai mică din interiorul acestora corespund unor evenimente (Olduvai, Jaramillo etc.). A. Scara polarităţii geomagnetice; B. Epocile paleomagnetismului de o parte şi alta a riftului medio-atlantic

Tefrocronologia (lb. greacă: tephros = cenuşă) Tefrocronologia (lb. greacă: tephros = cenuşă). Este o metodă utilizată în studiul depozitelor cuaternare atât pentru stabilirea stratigrafiei, cât şi pentru datarea acestora. Cenuşile vulcanice (cu conţinut mineralogic şi chimic asemănător) intercalate în formaţiunile cuaternare constituie orizonturi reper ce pot fi clar identificate (sub raport chimic şi mineralogic), dar şi bine datate (prin metode radiometrice). Astfel, în toate turbăriile Patagoniei stratele de cenuşă vulcanică sunt datate la 10.000, 6.700, 2.300 şi 1.000 ani B.P. Depunerea lor a fost însoţită de mari incendii ale pădurii (ce au permis studii dendocronologice succesive), care au avut, fără îndoială, un mare rol în preistoria regiunii (A. Auer, 1960). Această metodă a fost folosită şi în orizontalizarea şi datarea formaţiunilor cu resturi de hominide din Africa de Sud şi Africa de Est.

Dendrocronologia (lb. greacă: dendron = arbore) Dendrocronologia (lb. greacă: dendron = arbore). Metoda, care a fost pusă la punct de către A.E. Douglas (1920) în S.U.A., se bazează pe studiul inelelor de creştere ale arborilor ce au o mare longevitate. De exemplu Pinus aristata şi Sequoia gigantea în S.U.A, sau stejarul în Europa, care au permis datări de la 9.000 la 5.000 ani B.P. Fiecare inel anual este format din celule lemnoase mai mari, ce cresc primăvara, şi din celule mai mici, corespunzătoare anotimpurilor de vară şi toamnă. Verile mai umede produc inele de creştere mai groase, pe când verile secetoase micşorează mult dimensiunea acestora. Lăţimea inelelor de creştere este condiţionată în America de Nord de precipitaţii, iar în Scandinavia de temperaturile estivale. Metoda este folosită pentru datarea unor depozite cuaternare recente (istorice), dar mai ales pentru reconstituirea condiţiilor de mediu din timpul creşterii copacilor respectivi. Corelându-se inelele de creştere ale copacilor dintr-o succesiune stratigrafică din vestul S.U.A., s-a reuşit realizarea unei dendrocronologii ce se întinde peste aproape tot Holocenul.

Metodele arheologice. Sunt folosite pentru estimarea vârstei relative a formaţiunilor cuaternare, luându-se ca reper orizonturile care conţin culturi materiale ale căror caracteristici arată apartenenţa la o anumită epocă de dezvoltare a acestora. Valoarea stratigrafică este mai puţin precisă deoarece în regiuni diferite evoluţia culturii materiale nu s-a realizat în acelaşi timp, începând mai devreme sau încheindu-se mai târziu. Totuşi, pe baza dezvoltării culturilor materiale din diferite regiuni ale lumii a rezultat scara cronologică arheologică (tabel 2.3.), fixarea în timp a resturilor materiale făcându-se prin metode radiometrice, sporopolinice şi biostratigrafice.

Metode pedologice. Se bazează pe analiza succesiunii orizonturilor de paleosoluri (corespunzătoare interglaciarelor sau interstadialelor) şi loessuri (glaciare sau stadiale), contribuind la cunoaşterea asociaţiilor climatice şi la orizontarea stratigrafică a Pleistocenului, îndeosebi a celui superior. Identificarea în cadrul acestor complexe stratigrafice a structurilor periglaciare (pene, involuţii) permite şi mai mult fixarea condiţiilor climatice şi a proceselor criogene care s-au succedat în timpul Pleistocenului, la periferia calotelor glaciare, adică în regiunile periglaciare. Corelate cu analizele sporopolinice (care stabilesc asociaţiile vegetale din timpul formării solurilor fosile), cu stadiile paleotemperaturilor rezultate din variaţia izotopilor de oxigen şi cu evenimentele paleomagnetice, s-a reuşit în ultima vreme stabilirea unor subdiviziuni cronostratigrafice regionale ale loessului şi paleosolurilor Subdiviziuni cronostratigrafice regionale ale loessului şi paleosolurilor

MULŢUMESC PENTRU ATENŢIE! Conf. univ. dr. Marian ENE