49. Изменение климата в геологической истории Земли: докембрии, фанерозое, плейстоцене и голоцене.

Геологическая история Земли — последовательность событий в развитии Земли как планеты. Среди этих событий — образование горных пород, возникновение и разрушение форм рельефа, наступания и отступания моря, оледенения, появление и исчезновение видов живых существ. Изучается по слоям горных пород (см. Стратиграфия); делится на отрезки согласно геохронологической шкале.

докембрий

Большую часть геологической истории Земли (7/8 всей продолжительности существования планеты) занимает докембрий. На самых первых этапах эволюции Земли после завершения образования планеты, разогревания ее недр, формирования ядра, приведших к активным проявлениям магматизма и, в частности, вулканизма, начались дегазация мантии и образование гидросферы и атмосферы. В архее появились микроскопические одноклеточные водоросли, которые могли осуществлять фотосинтез органических веществ из диоксида углерода и воды с выделением свободного кислорода. (См. первые организмы) Этот кислород шел на окисление аммиака до молекулярного азота. Около 1,8 млрд лет назад, скорость образования кислорода при фотосинтезе стала достаточно высокой и кислород перестал быть малой примесью в атмосфере. С начала этой стадии парциальное давление кислорода все время увеличивалось, пока не достигло современного значения.

Временные масштабы докембрия позволяют выявить в истории Земли не только крупные периодические, но и необратимые изменения климата. О тех и других можно судить по наиболее ярким климатическим событиям − оледенениям, которые образуют как бы каркас климатической истории нашей планеты. Главными литологическими индикаторами, которые могут быть использованы для реконструкций в докембрии, являются тиллиты, эвапориты (гипсы, соли) и карбонатные платформы. Менее однозначны карбонатные и особенно бескарбонатные красноцветы.

Распространение оледенений в геологической истории было весьма неравномерным. Частота и масштабы оледенений возрастали со временем. Такое распределение не могло быть результатом только недостаточной изученности более древних отложений. За последние 30−40 лет были существенно уточнены возраст и ареалы распространения древних ледниковых отложений, но практически не было открыто ни одного нового ледникового горизонта. Поэтому есть основания думать, что с достаточным для нас приближением современные данные отражают реальное распространение оледенений в геологической истории.

Достоверных данных об оледенениях в раннем и среднем архее нет. Первые следы оледенений, еще очень редкие и пространственно ограниченные, известны в верхнем архее на небольшом кратоне Каапваал в ЮАР. Это тиллиты надгруппы Витватерсранд и одновозрастной группы Мозоан. Оледенение Мозоан было покровным, поскольку частично представлено бассейновыми отложениями с дропстоунами, а оледенение Витватерсранд имело, видимо, предгорный или горный характер. Возраст надгруппы Витватерсранд и группы Мозоан сейчас оценивается около 2,9 млрд лет.

Значительно шире распространены ледниковые отложения в нижней части раннего протерозоя. Они известны на четырех континентах. Преобладание среди нижнепротерозойских ледниковых отложений мариногляциальных фаций свидетельствует о покровном характере этих оледенений. В Северной Америке нижнепротерозойские ледниковые отложения известны в четырех регионах на противоположных концах континента. В разрезе раннепротерозойской Гуронской надгруппы к северу от Великих озер установлено три ледниковых горизонта. Их возраст оценивается приблизительно в 2,33−2,22 млрд лет, на Балтийском щите нижнепротерозойские ледниковые отложения имеют возраст между 2,4 и 2,3 млрд лет, в Южной Африке давно известны ледниковые отложения возраст которых 2,4−2,2 млрд лет. В Западной Австралии – ледниковые отложения возраст которых тоже заключен между 2,4 и 2,2 млрд лет. Однотипные изотопно-углеродные аномалии, связанные с карбонатными отложениями, перекрывающими перечисленные выше раннепротерозойские ледниковые отложения, подтверждают, что нижнепротерозойские оледенения были приблизительно одновозрастными. Вероятно, в нижнем протерозое в мантии Земли существовала одна конвективная ячейка, что и способ­ствовало развитию обширных оледенений Континентальное покровное раннего протерозоя в литературе часто называется Гуронским оледенением.

фанерозой

Начало палеозоя (570 млн лет назад), т.е. кембрийский период, характеризовалось теплым климатом. Основные массы суши были сосредоточены в тропических и умеренных широтах; Южный и особенно Северный полюс омывались океаном, и это, по−видимому, препятствовало образованию льда. Эволюция биосферы в кембрии Похолодание климата, приведшее к новому крупному оледенению, отмечено около 450 млн лет назад в позднем ордовике. К этому времени на поверхности земного шара произошли значительные перемещения материковых плит: на западе существовали обособленные друг от друга древние аналоги Северной Америки и Евразии. На востоке материки объединились в суперконтинент, называемый Гондваной, в который входили устойчивые «блоки» Африки, Южной Америки, Индии, Антарктиды и Австралии. Позднеордовикский Южный полюс находился на месте нынешней Сахары. Здесь и развилось огромное покровное оледенение. Во время этого оледенения ледниковые щиты достигали 2 км толщины и покрывали до 30% поверхности материков. Оледенение было существенно асимметричным – оно захватывало Южное полушарие и располагалось на материке Гондвана и, возможно, распространялось также на шельфовые области (Хромов С.П., Петросянц М.А., 2001).

К силуру, т.е. 440 млн лет назад, средняя температура Земли, снова выросла примерно до 20 °С. Это на 5 °С выше современной температуры. Климат стал более теплым. Биосфера ордовика и силура.

Потепление продолжалось и в девоне (от 400 до 350 млн лет назад), когда средняя температура Земли достигла 25 °С (на 10 °С выше, чем сейчас). Во многих районах бурно развивалась растительность, климат был тропическим. Такие же условия сохранялись и в раннем карбоне: на планете господствовал влажный тропический климат, средняя температура Земли оставалась равной 25 °С. В Северной Америке среднегодовые температуры составляли 25–30 °С, в Закавказье 25—27 °С, на Урале 22–24 °С. В более высоких широтах в раннем карбоне существовал климат, напоминающий современный субтропический или умеренно теплый. Однако его отличительной чертой было отсутствие прохладных сезонов. От тропического типа климата он отличался сравнительно низкими среднегодовыми и среднемесячными температурами. Северный полюс в это время располагался на суше Сибирской платформы. Несмотря на близость полюса, климат здесь был относительно теплым, а это позволяло развиваться сравнительно теплолюбивой растительности.

плейстоцен

В эпоху плейстоцена – ближайшую по времени эпоху жизни Земли – продолжилось характерное для всей кайнозойской эры снижение температуры. Резкие колебания климата в плейстоцене сопровождались крупными оледенениями. Возникали большие ледниковые покровы в Северной Америке и Европе. Рассмотрим климатические условия во время последнего максимального оледенения, т.е. примерно 18 тысяч лет назад. В это время в Северной Америке и Европе температура была ниже современной на 12 – 15 С. Общепланетарное похолодание составило примерно 6 С. Значительным изменениям климата подвергалась Атлантика – так, в Карибском море температура была ниже на 5 – 6 С. Тихий океан был затронут значительно слабее – здесь понижения температуры достигали всего 2 – 3 С в тропиках и около 5 С в средних широтах.

На материках субтропики и тропики были более сухими. Площадь влажных экваториальных лесов была существенно меньше, чем сегодня, и их место занимали саванны. Увеличилось и горное оледенение – как в высоких широтах, так и в низких (в частности, в Тибете).

После похолодания в плейстоцене, климат стал быстро теплеть. Распад ледниковых щитов начался около 16,5 тысяч лет назад и протекал очень быстро – так, за 3 тысячи лет растаяло около 60% объема ледникового покрова Северной Америки. Потепление шло не совсем непрерывно, а с возвратом к холодному климату.

Основной причиной изменений климата в плейстоцене стали изменения угла наклона оси Земли к плоскости, в которой происходит движение планеты вокруг Солнца.

Другое причиной изменения климата явился парниковый эффект атмосферы. Исследование ледяного керна на российской антарктической станции "Восток" показало, что в холодные эпохи содержание углекислого гада (СО2) в атмосфере было примерно 190 молекул газа на миллион молекул воздуха, а в теплые эпохи – примерно 270. Это весьма существенные различия, способные вызвать заметные колебания температуры.

голоцен

Голоцен – это эпоха в четвертичном периоде кайнозойской эры. По решению VIII конгресса Международной ассоциации по изучению четвертичного периода (Париж, 1969) нижней границей голоцена принято считать рубеж 10 тыс. лет назад. (11700±99 лет относительно 2000 г.). Промежуток времени между концом последнего вюрмского оледенения (17 тыс. лет назад) и началом голоцена (10 тыс. лет назад) носит название позднеледниковье.

Повышение температуры, таяние ледников и разрушение ледниковых покровов началось 16 000 лет назад. Это потепление климата имело глобальный характер. Оно сопровождалось деградацией вюрмских ледниковых покровов Европы и Северной Америки, но этот процесс не был монотонным. Позднеледниковье характеризовалось крайне неустойчивым климатом: потепления, которые называются раунис (Ra), бёллинг (Вё) и аллерёд (А1), прерывались пятью резкими и глубокими похолоданиями – порт−брюс, дриас I (13,2 тыс. лет назад), фьёрос−нева (12,8 тыс. лет назад), дриас II (12,2 тыс. лет назад) и наиболее сильным похолоданием дриас III около 10,8−10,5 тыс. лет назад. Во время потеплений бёллинг и аллерёд температура воздуха в умеренных широтах была близка к современной или даже несколько выше. В Западной Европе и на Таймыре восстанавливалась лесная растительность. Однако во время похолоданий и особенно во время дриас III ландшафты возвращались ко времени максимума вюрмского оледенения: на Северо−Западе Европы, в Британии и на севере Русской равнины леса деградировали и заменялись растительностью холодных степей и тундры. В Сибири в дриасе III древесная растительность отступала к югу на 700−800 км, а температура понижалась на 5−6 °С по сравнению с современной. Похолодание носило глобальный характер, его следы отмечены в Южной Америке, Новой Зеландии и Антарктиде.

Новое глобальное потепление началось около 10,3−10,2 тыс. лет назад. Таким образом, голоцен начался интенсивным потеплением. В результате исчезновение Скандинавского ледникового покрова произошло около 8,5 тыс. лет назад, а Северо−Американских покровов – около 6,5 тыс. лет до н.э. В бореальном периоде таежные леса продолжали отгеснять тундру к северу. За ними следовали широколиственные леса, которые заняли Южную и отчасти Северную Европу. Остатки Лаврентийского ледникового щита сохранялись на полуострове Унгава вплоть до 5,5 тыс. лет назад.