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.