Океанская и климатическая эволюция в миоцене

Океанская и климатическая эволюция в миоцене

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.