ПАЛЕОКЛИМАТОЛОГИЯ

 

 

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ПАЛЕО-КЛИМАТОЛОГИИ. Метод изотопной палеотермии. Определения палеотемператур

 

До недавнего времени о климатах прошлого можно было судить только по их отражению на процессах литогенеза и условиях существования органического мира. В начале 50-х годов было установлено, что некоторые геологические документы могут быть изучены количественно химическими и физическими методами. Примерами являются измерение палеотемператур по соотношению изотопов кислорода в органогенном кальците (изотопная палео- термия) и исследование остаточной намагниченности горных пород (палеомагнетизм).

 

ИЗОТОПНАЯ ПАЛЕОТЕРМИЯ

 

Один из основных элементов климата — температура вод — количественно может быть определена для морских бассейнов прошлого по соотношению изотопов кислорода 180 и 1вО в кальците раковин ископаемых беспозвоночных.

 

В основе палеотермического метода лежит идея Г. Юри о равновесном изотопном обмене 180 и 160 между водой и осаждающимся из нее карбонатом кальция. Скорость этого обмена зависит от температуры морской воды, из которой происходит осаждение. Если температура воды относительно низкая, содержание 180 в кальците соответственно высокое и изотопные различия их выражены резко. Повышение температуры осаждения способствует уравниванию изотопного состава воды и образующегося кальцита. Таким образом, если будет измерено соотношение изотопов кислорода 180 : 1вО в кальците ископаемых остатков, окажется возможным рассчитать температуру морской воды, в которой эти животные обитали.

 

Разработка и первые попытки практического применения метода изотопной палеотермии принадлежат американским геохимикам Г. Юри, Г. Лоуенштаму, С. Эпштейну, Ц. Эмилиани и Ч. Мак-Кинни. В Советском Союзе этот метод применили и усовершенствовали Д. П. Найдин, Р. В. Тейс, М. С. Чупахин.

 

Пока метод изотопной палеотермии дает лишь приближенные результаты с погрешностью 2° С, а может быть, и больше. Главные трудности метода заключаются в следующем.

 

 

Во-первых, установлено, что после осаждения первоначальный изотопный состав кальцита может измениться под влиянием различных воздействий: диффузии через твердое вещество, процессов выщелачивания и перекристаллизации, что существенно отразится на результате палеотермических определений. Опыты показали, что из всех испытанных органических остатков первичный изотопный состав лучше всего сохраняют ростры белемнитов, раковины пелеципод и гастропод и фораминиферы, обладающие компактной кристаллической структурой. Скелетные остатки других групп, в особенности кораллов и иглокожих, имеющие неплотное мелкокристаллическое сложение, к тому же часто пронизанные каналами и порами, первичных соотношений изотопов 180 и 10О не сохраняют и для палеотермических исследований не годятся. Итак, первым источником ошибок метода является возможность того, что первичные соотношения изотопов кислорода в испытуемом материале окажутся нарушенными.

 

Во-вторых, установлено, что изотопный состав органогенного кальцита зависит не только от температуры осаждения, но и от изотопного состава воды, из которой он образовался. Исследования американских геохимиков, в особенности Ц. Эмилиани, показали, что изотопный состав современных природных вод подвержен значительным колебаниям. Оказалось, что относительное содержание 180 в морской воде возрастает по мере повышения солености в связи с тем, что давление пара Н'Ю выше, чем Н'Ю, и поэтому Н^О больше испаряется. В аридной области, где испарение особенно велико, поверхностный слой морских вод обогащен Н^Ю, соответственно и скелеты обитающих в нем организмов содержат 180 в повышенном количестве. Морские воды, систематически разбавляемые континентальным стоком или таянием ледников, оказываются относительно бедными Н^О. Этих колебаний содержания Н'Ю в морской воде метод изотопной палеотермии не учитывает, что также является источником сомнений в достаточной точности получаемых результатов.

 

Известно, что в истории Земли интенсивность испарения и соответственно количество влаги, задерживавшейся в атмосфере в виде пара, на континентах— в водах озер, рек и грунтов и в ледяных щитах, периодически изменялось (чередование фаз аридных и гумидных климатов). Поэтому среднее содержание "О в Мировом океане не сохранялось постоянным. По расчетам Ц. Эмилиани, только в результате растопления современных льдов содержание "О в океанической воде понизилось бы на 0,3%, что выразилось бы в уменьшении изотопных температур в среднем на 1,3° С.

 

К трудностям физико-химического порядка прибавляются еще биологические, связанные с неясностью сроков наращивания кальцита раковин у разных групп и с обитанием животных на глубинах с различным термическим режимом. У белемнитов наращивание ростра происходит в течение всего года, несколько больше летом и меньше зимой, что допускает определение по ним как сезонных (отдельные кольца), так и среднегодовых (вся масса ростра) температур. Палеотемпературы, полученные по белемнитам (13,3—18,6° С), как правило, ниже тех, которые дают совместно встречающиеся с ними брахиоподы и пелециподы (20—28° Q. Например, белемниты Крыма, изученные Д. П. Най- диным, Р. В. Тейс и М. С. Чупахиным [1957|, показали температуру на 4— 7° С ниже результатов, полученных по брахиоподам и пелециподам, заключенным в одном с ними слое. Подобные различия палеотемператур объясняют тем, что пелециподы населяют литораль, воды которой хорошо прогреваются солнцем, а белемниты являются обитателями пелагиали, главным образом в интервале глубин 100—200 м, на которых температура морской воды ниже и амплитуда ее сезонных колебаний меньше (последнее, вероятно, было одной из причин круглогодичного развития ростров белемнитов). Пелециподы (устрицы, пектиниды) наращивают раковину преимущественно в теплую половину года, поэтому получаемые по ним данные соответствуют не среднегодовым, а летним температурам литорали.

 

Трактовка палеотермических результатов еще больше затруднится, если оправдаются предположения о том, что слоистая структура раковин и соответственно чередование максимумов и минимумов на палеотермической кривой не являются ни сезонными, ни годовыми, а отвечают интервалам неизвестного происхождения [Nairn, Thorley, 1961]. Перерывы в накоплении кальцита, обусловливающие слоистое строение раковины, могут быть вызваны катастрофическими событиями в жизни животного и внезапными изменениями в среде обитания, происходящими через неопределенные промежутки времени.

 

Накопилось уже значительное количество палеотермических определений, причем подавляющая их часть приходится на меловой период, для которого, таким образом, оказалось возможным наметить некоторые как геохронологические, так и географические закономерности изменения температуры морских вод.

 

Г. Лоуенштам и С. Эпштейн для Западной Европы и Северной Америки установили такую последовательность изменения температуры в меловых бассейнах- В готериве, барреме и апте температура была 13,3° С и устойчиво сохранялась в течение всего этого времени. В альбе наступил климатический оптимум, в течение которого температура морских вод даже в полярной области достигала 15° С ( 16).. В сеномане температура понижается, и тем больше, чем выше широта пункта наблюдения. В полярной области среднегодовые температуры сеномана составляли уже 12—10° С. В коньяке—сантоне достигается максимум за весь меловой период с температурами 24—18° С на широтах 50—60°. В кампане температура на этих широтах понижается до 17— 15° Q в раннем Маастрихте следует ее дальнейшее падение до 14—13° С, а в позднем Маастрихте она снова увеличивается до 14,5—15,5° С.

 

Подобный ход изменения палеотемператур в течение мелового периода подтвердили также исследования советских геохимиков на материале по Русской платформе и смежным с ней территориям, с той лишь разницей, что температурный максимум по этим данным закончился в коньяке, а в сантоне температура морских вод уже упала до 14,9—14,4° С.

 

На наличие географической закономерности в распределении меловых палеотемператур, выраженной в понижении их с запада на восток, указал Д. П. Найдин [1958]. В частности, для раннего Маастрихта устанавливается такая последовательность температур: Англия 16,8, Южная Швеция 16, Дания 16,5—15,4, Украина 15—13, Эмбинский район 12,4—10,1° С.

 

Определения палеотемператур, выполненные на объектах юрского возраста (ростры белемнитов), еще единичны, и достоверность их невелика. По ним, однако, прослеживается такой ход температур: в ранней юре отмечаются наиболее высокие температуры, в середине периода происходит их понижение, в позднеюрскую эпоху наступает возрастание с максимумом в оксфорде.

 

 

К содержанию: В.М. Синицын «Введение в палеоклиматологию»

 

Смотрите также:

 

Науки о Земле    Древние климаты   Климат в неолите   Оледенение и Жизнь