И.А.Басов
Введение
В последнее десятилетие мы являемся свидетелями бурного развития во всем мире исследований эволюции океанов Земли. Пристальный интерес к изменениям в океанской среде, особенно к тем, которые произошли в позднем кайнозое, объясняется осознанием решающей роли океана в формировании климата планеты. Поэтому для создания надежных моделей его эволюции в прошлом и на этой основе прогнозирования колебаний в будущем так важно восстановить хронологическую последовательность океанских процессов и их связь с другими явлениями. Это стало возможным благодаря бурению в разных океанах на протяжении трех десятилетий в рамках международного Проекта глубоководного бурения и его преемницы - Программы океанского бурения с помощью буровых судов "Гломар Челленджер" и "ДЖОЙДЕС Резолюшн" 1 . Тысячи скважин дали в руки исследователей колоссальный фактический материал для решения различных геологических проблем, в первую очередь проблемы эволюции палеосреды. Больше всего данных получено для позднекайнозойского этапа развития Земли. Благодаря изучению осадочного чехла океанов и содержащихся в нем остатков различных карбонатных ( фораминиферы, нанопланктон) и кремневых ( радиолярии, диатомеи, силикофлагелляты), планктонных микроорганизмов, а также использованию новейших (прежде всего изотопных) методов удалось в общих чертах восстановить последовательность основных океанских и климатических событий на протяжении неоген-четвертичного времени.
Эти исследования показали, что в эволюции океанской циркуляции и климата периоды относительного покоя или плавных изменений сменялись периодами резких перестроек, что приводило к кардинальному перераспределению химических и физических характеристик в океанской среде. Миоценовый этап эволюции Земли - критический в ее кайнозойской истории. Именно в миоцене завершился переход от режима теплой биосферы, господствовавшей в меловое время, к холодной - ледовой, когда климат планеты стал определяться наличием мощных покровных льдов в полярных областях. Прелюдией к окончательной трансформации послужили тектонические и связанные с ними океанские события палеогенового времени, которые в конечном итоге привели к преобразованию механизма циркуляции в океане и формированию системы глобальной циркуляции, подобной современной. Прежде всего это отделение Австралии от Антарктиды и позднее - раскрытие пролива Дрейка, в результате чего появилась глубоководная связь между Тихим, Атлантическим и Индийским океанами в высоких широтах Южного полушария и сформировалось современное Циркумантарктическое течение. Возникла термическая изоляция Антарктиды, и в ее пределах сформировалось покровное оледенение. Тектонические процессы в Южном полушарии сопровождались движением литосферных блоков на север. В конечном итоге в низких широтах прекратился свободный водообмен между океанами и на месте Западного Тетиса образовался Северо-Атлантический бассейн, сообщавшийся с Тихим океаном через проливы между Северной и Южной Америкой, а также полузамкнутый Средиземноморский бассейн.
В среднем миоцене (около 15-14 млн лет назад) закрылся Восточный Тетис и циркумэкваториальное течение, до этого определявшее характер глобальной циркуляции, прекратило свое существование. В каждом из океанов сформировалась собственная система циркуляции с меридиональными течениями и переносом водных масс и тепла. Решающее влияние на эволюцию океана и климата оказали также тектонические процессы в Северной Атлантике, в результате которых появилась устойчивая связь между Норвежско-Гренландским бассейном и Северной Атлантикой, началось интенсивное формирование североатлантической глубинной водной массы и ее распространение по всему Мировому океану. Все эти изменения, пик которых приходится на миоценовое время, непосредственным образом влияли на характер осадконакопления и распределение океанской биоты, что находит отражение в осадочных разрезах.
Ранний миоцен (23.5-16 млн лет назад)
Материалы бурения показывают, что ледовый щит в Антарктиде начал формироваться еще в палеогеновое время. Это фиксируется по появлению в осадочном чехле материала ледового разноса (обломков пород, разносимых плавающими льдами). Наиболее древний, раннеолигоценовый возраст достоверно установлен для такого материала в разрезах осадков моря Уэдделла, залива Придз и южной части плато Кергелен, а также моря Росса. Полученные данные свидетельствуют, что к этому времени льды Восточной Антарктиды достигли окружающего ее шельфа. Об интенсивном образовании ледового покрова и интенсификации циркуляции водных масс вблизи Антарктиды свидетельствует и начавшееся формирование в высоких широтах Южного полушария пояса биогенных кремнистых осадков, которые отмечены на Фолклендском плато, в Аргентинской впадине, во впадине Эмеральд, в районе моря Росса и к югу от о.Тасмания 2. Изотопные исследования показывают, что в начале раннего миоцена существенно потеплело после довольно резкого похолодания на рубеже олигоцена и миоцена. Это потепление имело глобальный характер и нашло отражение во всех широтных зонах океана. При этом в разных районах оно проявилось по-разному. В низких и умеренных широтах температуры повсеместно были высокими. Проведенный нами анализ распределения планктонных фораминифер в миоценовых осадках Северо-Восточной Атлантики показал, что вся область от экватора на юге до плато Рокколл на севере была заселена их довольно разноообразной ассоциацией. В то же время в высоких широтах и планктонные фораминиферы, и известковый нанопланктон представлены единичными видами. В приантарктических районах в это время шла интенсивная эрозия, количество материала ледового разноса в осадках увеличивалось, росло кремненакопление, что свидетельствует о дальнейшем развитии здесь процессов апвеллинга и понижении поверхностных температур. Таким образом, можно предположить, что в начале миоцена в высоких широтах уже существовал, возможно, периодически Полярный фронт, разделявший водные массы с разными температурными характеристиками. О зарождении широтной дифференциации водных масс в это время говорит также пик в видообразовании планктонных фораминифер в умеренных и высоких широтах, осваивавших новые водные массы.
Во второй половине раннего миоцена продолжалось потепление, отразившееся в растущем облегчении изотопного состава кислорода в раковинах планктонных фораминифер, которое достигло своего максимума на рубеже раннего и среднего миоцена. Tемпература поверхностных вод в Южной Атлантике повысилась на 2° С за период 22-16 млн лет назад 3. Потепление хорошо заметно в распределении карбонатного нанопланктона и планктонных фораминифер. На рубеже раннего и среднего миоцена в Северной Атлантике широко распространились их типичные экваториально-тропические виды, которые достигают широт плато Рокколл. Хотя изотопные исследования не регистрируют понижения температур в приантарктических районах во второй половине раннего миоцена, увеличение содержания в осадках материала ледового разноса в районе поднятия Королевы Мод свидетельствует о постепенном росте ледового щита в Восточной Антарктиде. При этом ледовый покров разрастался, по-видимому, именно благодаря потеплению и вследствие этого увеличению испарения с поверхности океана, а также выпадения осадков над охлажденной Антарктидой.
В связи с равномерно тепловодными условиями на большей части океана и отсутствием значимых температурных градиентов глобальная циркуляция в океанах, в том числе придонная, была, вероятно, слабой, что подтверждается, в частности, исследованиями бентосных фораминифер в Северной Атлантике. Их ассоциации в нижнемиоценовых осадках на 90% состоят здесь из представителей рода Bolivina, которые характерны для осадков с высоким содержанием Сорг, формирующихся в условиях дефицита кислорода в придонном слое либо в результате высокой продуктивности поверхностных вод. Так, например, происходит в современных зонах апвеллинга либо в районах очень вялой придонной циркуляции, как в Средиземном море во время накопления осадков с высоким содержанием органических веществ (сапропелей). Одновременно у западных побережий континентов в раннем миоцене развивались крупные зоны апвеллинга и связанные с ними процессы эрозии. Особенно интенсивными они были у побережий Северо-Западной Африки и Западной Европы, где в ряде районов (Сахарское побережье, поднятие Виго у Пиренейского полуострова, Бискайский залив, поднятие Рокколл) в это время накапливались чистые биогенные кремнистые осадки или же осадки, обогащенные остатками кремневых микроорганизмов. В этих же районах нередко фиксируются перерывы осадконакопления внутри нижнемиоценового интервала или на границе нижнего и среднего миоцена.
1Initial Reports of the DSDP. Wash., 1969-1986; Proceedings of the ODP. College Station, 1988-1995.
2Кеннетт Дж. П. Морская геология М., 1987. Ч.2. С.3; Крашенинников В.А., Басов И.А. Стратиграфия кайнозоя Южного океана. М., 1986.
3Hodell D.A., Kennett, J.P. // Geol. Soc. Amer. Mem. 1985. N 163. P.317-337.
Средний миоцен (16-11 млн лет назад)
Средний миоцен отмечен событиями, которые кардинальным образом трансформировали глобальную ситуацию в океане и климате, привели к значительным изменениям в распределении поверхностной биоты и осадков. Именно в это время была заложена близкая к современной циркуляция, которая характеризуется значительными вертикальным и широтным температурными градиентами и определяющей ролью водных масс, формирующихся в высокоширотных областях Южного и Атлантического океанов. В разных широтных зонах по изотопным данным фиксируются синхронные сдвиги в сторону похолодания 4. При этом увеличение тяжелых изотопов кислорода наблюдается в раковинах и планктонных, и бентосных видов. Это свидетельствует о быстром росте в это время объема льда в Антарктиде, который, как показывает анализ, происходил в два этапа: 14.5-14 и 13.5-12.5 млн лет назад. В эти периоды окончательно сформировался ледовый покров в Восточной Антарктиде, объем которого в последующие эпохи претерпевал лишь незначительные изменения. Начало быстрого роста ледового щита в южной полярной области совпало с закрытием Восточного Тетиса и прекращением свободного водообмена между всеми океанами в экваториальной области. Связь между этими событиями очевидна.
Второе событие, с которым связаны эти кардинальные изменения, - возникновение в начале среднего миоцена глубоководной связи между Норвежско-Гренландским бассейном и Северной Атлантикой и интенсивное формирование североатлантической глубинной водной массы. Оно началось после погружения Фареро-Исландского порога на рубеже раннего и среднего миоцена. С этого времени североатлантическая вода в больших объемах распространяется на юг вдоль Американского континента и затем, смешиваясь в высоких широтах Южной Атлантики с антарктической глубинной водной массой, формирующейся главным образом в море Уэдделла, проникает через Индийский океан в юго-западную часть Тихого океана, откуда течет на север, достигая Алеутской островной дуги. Здесь глубинные воды поднимаются на поверхность и течениями переносятся обратно в Северную Атлантику, образуя таким образом глобальный круговорот, так называемый конвейер Брокера 5.
Эти два взаимосвязанных события (резкое увеличение объема льда в Антарктиде и начало интенсивного формирования североатлантической водной массы) предопределили всю дальнейшую эволюцию океана и климата планеты. Формирование в это время системы циркуляции, принципиально схожей с современной, привело к устойчивой стратификации водных масс и развитию резких температурных градиентов. Если в раннем миоцене температуры поверхностных вод в низких и высоких широтах различались незначительно, то к концу миоцена в Тихом океане градиент между температурами вод на экваторе и в приантарктических районах составил 12° С. Рост градиентов сопровождался интенсификацией как поверхностной, так и придонной циркуляции, что отразилось в широком распространении в океанах перерывов в осадконакоплении 6. Последствия этих событий наиболее заметно проявились в глобальном распределении планктонных микроорганизмов и осадков.
Начиная со среднего миоцена становится отчетливой широтная дифференциация карбонатного микропланктона, наблюдаемая во всех океанах. Это хорошо видно на примере распространения планктонных фораминифер в Северной Атлантике. Если состав раннемиоценовых ассоциаций от экватора до плато Рокколл был очень близким и различия заметны только в их структуре, то в среднем миоцене их широтная дифференциация уже хорошо выражена 7. В это время среди них достаточно отчетливо выделяются экваториально-тропическая, субтропическая, переходная и бореальная, или субарктическая группировки. Похожие изменения претерпело и распределение карбонатного нанопланктона 8.
В осадках среднего миоцена приантарктических районов заметно увеличились содержание и размерность материала ледового разноса. Одновременно в Южном океане происходит расширение области распространения этого материала. В это время северная ее граница значительно отодвигается на север, достигая широты плато Кэмпбелл к югу от Новой Зеландии.
Наиболее существенные изменения в среднем миоцене произошли в биогенном кремненакоплении. В то время как вокруг Антарктиды пояс кремнистых осадков продолжал расширяться, в других частях Мирового океана происходило перераспределение центров кремненакопления (в американской литературе этот феномен получил название "silica shift", или "silica switch"). На рубеже раннего и среднего миоцена ареалы биогенных кремнистых осадков, до этого широко развитые в разных районах Северной Атлантики 9, начали здесь резко сокращаться или постепенно исчезать. К концу раннего миоцена они сохранялись только в Лабрадорском море, в районах плато Рокколл и регионального апвеллинга у берегов Северо-Западной Африки. В это же время (около 17-15 млн лет назад) биогенные кремнистые осадки начали интенсивно накапливаться в северной части Тихого океана и у калифорнийского побережья. Следует отметить, что на подводных поднятиях Обручева и Паттон-Меррей в северной части Тихого океана повышенные содержания кремнистых организмов отмечены уже в основании нижнемиоценового разреза. Но собственно биогенные кремнистые осадки в этих районах появились приблизительно на рубеже раннего и среднего миоцена, что подтверждает наблюдения американских исследователей.
Воды современного океана, особенно поверхностные, в целом недонасыщены кремнием, поэтому подавляющее большинство скелетов кремневых микроорганизмов растворяются, не достигнув дна. Подсчитано, что более 90% биогенного опала, продуцируемого микроорганизмами в поверхностных водах, растворяется при погружении отмерших раковин на дно. Поэтому накопление кремнистых осадков с содержанием биогенного SiO2 более 30% возможно только в тех районах, где, с одной стороны, продуктивность кремневого микропланктона в поверхностных водах исключительно высока, а, с другой стороны, промежуточные и глубинные воды в достаточной мере насыщены кремнием. Учитывая, что поверхностные воды океана сильно недонасыщены этим элементом, высокая продуктивность кремневых микроорганизмов в настоящее время отмечается только в зоне экваториальной дивергенции (расхождения течений) и в районах апвеллингов. В этих областях ресурс кремния в поверхностных водах постоянно пополняется за счет его поступления с поднимающимися на поверхность промежуточными и глубинными водами.
В настоящее время глубинные и промежуточные воды в океане представляют собой смесь так называемых "молодой" и "старой" вод, которые резко различаются по степени насыщения кремнием. "Молодая" вода образуется за счет североатлантической глубинной водной массы, интенсивное формирование которой началось, как говорилось выше, на рубеже раннего и среднего миоцена в Норвежско-Гренландском бассейне. Она резко недонасыщена растворенным кремнием. "Старая" вода, заполняющая глубоководную часть океана, напротив, отличается более высоким его содержанием. Североатлантическая водная масса, погружаясь и распространяясь на юг, "омолаживает" "старые" воды, понижая в них концентрацию кремнезема. Однако на своем пути из Северной Атлантики в Тихий океан она постепенно насыщается этим элементом, и поэтому глубинные и промежуточные воды Северной Пацифики характеризуются повышенным его содержанием.
Тот факт, что перемещение центров биогенного кремненакопления из Северной Атлантики в Северную Пацифику произошло во время климатического оптимума, т.е. несколько раньше начала интенсивного роста ледового щита в Восточной Антарктиде и глобального понижения температуры вод в океанах, дал основание предполагать, что это событие связано в первую очередь именно с началом формирования больших объемов "молодой" североатлантической глубинной водной массы. Последовавшее затем глобальное похолодание, вероятно, привело лишь к ускорению этого перемещения и расширению масштабов кремненакопления в северной части Тихого океана, с одной стороны, путем интенсификации процесса формирования указанной водной массы, а с другой, за счет усиления общей циркуляции и подъема на поверхность глубинных вод, обогащенных питательными элементами, в том числе кремнием, в высокоширотных областях Северного и Южного полушария. Расширение пояса кремненакопления вокруг Антарктиды на протяжении среднего миоцена и в более поздние эпохи подтверждает это предположение.
Поздний миоцен (11-5 млн лет назад)
В позднем миоцене тенденция похолодания, отчетливо проявившаяся в среднемиоценовое время, получила дальнейшее развитие. Изотопные исследования показывают, что в это время температуры поверхностных вод в высокоширотных областях океанов продолжали неуклонно понижаться, испытывая колебания во времени. В низких же широтах они не менялись и даже несколько повышались. Это указывает на прогрессирующее похолодание и дальнейшую дифференциацию водных масс. Продолжалось формирование ледового щита в Антарктиде, в том числе и в ее западной части. Наиболее интенсивно ледник рос в начале (около 10-9 млн лет назад) и в конце (6.5-5 млн лет назад) позднего миоцена. Это привело к понижению температуры поверхностных вод в Приантарктическом регионе до 3° С (и менее) и к исчезновению здесь планктонных микроорганизмов с карбонатным скелетом.
Похолодания начала и конца позднего миоцена были разделены периодом потепления, который отмечен возвращением в море Уэдделла планктонных фораминифер и нанопланктона и миграцией тепловодных видов нанопланктона в высокие широты Северной и Южной Атлантики. Это потепление также фиксируется изотопными исследованиями.
В конце миоцена объем льда достиг максимальных значений 10. Это подтверждается значительным (на 300 км) смещением в северном направлении границы распространения биогенных кремнистых осадков, которые к этому времени сформировали сплошной пояс вокруг Антарктиды, а также широким развитием эрозионных процессов. Резко ускорившееся накопление льда синхронно понижению уровня океана на 40 м и глобальной регрессии, что, как считается, стало причиной так называемого "мессинского кризиса", т.е. полной изоляции Средиземного моря и накопления мощной соленосной толщи.
К концу миоцена в океане, вероятно, уже сформировалась система циркуляции, близкая к современной, с хорошо выраженными широтной климатической зональностью и гидрологическими фронтами в обоих полушариях, что нашло отражение в четкой биполярности в распределении карбонатных планктонных организмов. Например, в высоких широтах Северной Атлантики в позднем миоцене развивается сообщество планктонных фораминифер, практически идентичное существующему в Австрало-Новозеландском регионе. Интересно отметить, что в этом районе ареал распространения сообщества смещен в более низкие широты, что указывает на асимметрию в расположении климатических поясов в Северном и Южном полушариях за счет влияния антарктического ледового щита.
В позднем миоцене появляются также первые признаки оледенения в Северном полушарии. Сплошное покровное оледенение здесь сформировалось позднее, около 2.6 млн лет назад, о чем свидетельствует резкое увеличение количества материала ледового разноса в осадках и расширение районов его распространения в Северной Пацифике и Северной Атлантике. Однако отдельные гальки и обломки пород, разносившиеся плавающими льдами, отмечаются здесь намного раньше. В северной части Тихого океана первые их находки датируются поздним миоценом, около 6 млн лет. В Северной Атлантике ледовый разнос начался еще раньше. Наиболее древний материал ледового разноса имеет здесь возраст около 11 млн лет в проливе Фрама, 8- 9.5 млн лет в Баффиновом заливе и Лабрадорской впадине, 7 млн лет во впадине Ирмингер и 5.5 млн лет на плато Воринг. Приведенные данные свидетельствуют о том, что в позднем миоцене в Арктике активно формировались горные ледники, при этом некоторые из них, по-видимому, достигали уровня моря, хотя сплошного покровного оледенения здесь, разумеется, не существовало. Различия в возрасте материала ледового разноса в разных районах указывают, что оледенение в Арктике началось, вероятно, в Гренландии и постепенно распространялось в восточном и западном направлениях.
Заключение
Изложенные материалы, разумеется, не могут претендовать на полный охват всех аспектов исключительно сложной истории океана и климата в миоцене. Такие важные события, как колебания уровня океана, изменения во времени глубины карбонатной компенсации (границы, ниже которой CaCO3 растворяется), оказавшие значительное влияние на осадконакопление и биоту, здесь не были рассмотрены из-за ограниченного объема статьи. Степень решенности проблем, упоминающихся в данном обзоре, также весьма различна. Некоторые из них, например точное время, причины и механизм перераспределения центров биогенного кремненакопления, по существу только сформулированы. Еще ждет своего решения проблема зарождения и эволюции покровного оледенения в Северном полушарии.
В данный момент можно только констатировать, что усилиями огромного числа исследователей и научных коллективов из разных стран уже прочитаны многие страницы кайнозойской истории океанов, однако полная расшифровка миоценовой летописи еще далека от завершения.
4Kennett J.P. A review of polar climatic evolution during the Neogene, based on the marine sediment record // Paleoclimate and Evolution with Emphasis on Human Origins. New Haven, 1995. P.49-64.
5Broecker W. // Geol. Soc. Amer. Today. 1997. V.7. N 5. P.1-7.
6Barron J.A., Keller G. // Geology. 1982. V.10. P.443-470; Басов И.А. // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1988. N 12. С.59-68.
7Крашенинников В.А., Басов И.А. Планктонные фораминиферы миоцена Северо-Восточной Атлантики (стратиграфия, палеоэкология) // Тез. докл. XII Междунар. школы морской геологии. М., 1997. Т.2. С.233-234.
8Haq B.U. // Micropaleontology. 1980. V.26. N 4. P.414-443.
9Baldauf J.G., Barron J.A. Evolution of biosiliceous sedimentation patterns - Eocene through Quaternary: paleoceanographic response to polar cooling // Geological History of the Polar Oceans: Arctic versus Antarctic. Amsterdam, 1990. P.575-607.
10Savage M.L., Ciesielski P.F. A revised history of glacial sedimentation in the Ross Sea region // Antarctic Earth Science, Canberra, 1983. P.555-559.
В основу статьи положены результаты исследований в рамках проекта РФФИ N 96-05- 64257.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.nature.ru/
Похожие работы
... также запасами минеральных вод (нарзан). Всего на Курильских островах насчитывается 39 действующих вулканов. Полезные ископаемые Курильские острова весьма богаты различными полезными ископаемыми.2. Вулканы Тихоокеанского складчатого пояса в пределах Камчатско-Курильской гряды 2.1 Вулканы Камчатки Полуостров Камчатка – часть сложной Камчатско – Курильской вулканической островной дуги, на ...
... (рациональная система нефтепроводов). Это, однако, не означает полного возврата к старой модели управления. 4) Сохранение единого экономического пространства - условия выживания топливно-энергетического комплекса. 5) Найти четкую и продуманную программу инвестиций в нефтяную промышленность. 6) Организовать единый Российский банк нефти и газа, государственная внешнеторговая фирма, включающая ...
... с середины четвертичного периода Крым был плотно заселен первобытным человеком, о чем свидетельствуют многочисленные стоянки людей каменного века в горах и степях полуострова. Об основных чертах геологического строения Крыма можно судить по геологическому разрезу полуострова. На нем показаны основные толщи осадочных пород и их взаимоотношения, массив глубинной магматической породы, контакт по ...
... вертикали кислорода и сероводорода. Получены и анализируются расчетные профили изменчивости концентраций кислорода и сероводорода, отражающие динамику процессов формирования в геологическом прошлом (за последние 10 тыс. лет) на разных этапах формирования анаэробной зоны Черного моря. По результатам этих расчетов анализируются основные потоки. Отравит ли Черное море ложка яда? Жители планеты ...
0 комментариев