Тема: Исторические колебания климата

Лекция 15. Палеоклиматология как наука о климатах прошлого

Источники сведений о климате прошлого:

-инструментальные (с 18-19 в.);

-исторические (3-5 тыс. лет);

-палеоклиматология и палеогеография.

История науки

Предыстория Палеогеографические сведения содержатся уже в самых первых геологических работах. Попытки представить обстановки прошлого содержатся в трудах натуралистов древности (Бируни, Авиценна, Леонардо да Винчи, Стенона). Однако до середины 19в. специальных палеогеографических работ не было. Первые палеогеографические карты составляются во второй половине 19 в., но на картах лишь очертания древних морских бассейнов, а первые работы являются журнальными статьями.

1.В 1686 г. анг. физик и математик Р.Гук на основе ископаемых органических остатков установил, что раньше климат на Земле был теплее и связал это с изменением положения земной оси.

2.18-19 века. Открытие в Европе следов четвертичного оледенения.

3.В 1880х годах становление пелеоклиматологии как науки - помимо палеонтологических данных стали исполь- зовать литографические (климатические индикаторы): соль (аридный климат), бокситы и бобовая руда (чере- дование влажного и сухого теплого климата), торф,

каменный уголь, каолин (влажный климат), известняк (теплый климат), ледниковые морены (холодный климат).

4.Первые монографии по истории древних климатов: Э.Даке (1915), В.Кеппен и А.Вегенер (1924), К.Брукс (1926), М.Шварцбах (1950). Преимущество отдавалось одному из факторов (палеогеографические условия (Брукс), перемещение полюсов и дрейф материков (Кеппен и Вегенер).

5.1912 г.Революционная теория дрейфа континентов Альфреда Вегенера по палеоклиматическим данным.

6.Конец 20 – начало 21 в. Проект EPICA (Антарктида), бурение ледников Гренландии, континентальных озер с длительной историей осадкообразования: Байкал, Иссык-Куль, Каспий (история климата четвертчного и третичного периодов).

Методы палеоклиматологии (косвенные и принцип актуализма)

«Земля круглая, вращается и ось её вращения наклонена относительно плоскости эклиптики.

Отсюда следует наличие градиента экватор – полюс, западного переноса в атмосфере и смена времен года. Для подавляющего числа палеореконструкций нарушается, по меньшей мере, одно из исходных условий…»

1. Изучение осадочных пород

Породы связаны с климатом в котором они образовались.

Во время оледенений образуются морены, тиллиты и породы с валунами, транспортированные ледниками.

Когда ледник отступает, то на его обнажённом ложе начинаются ураганы, которые переносят огромные массы песка и пыли, отлагающиеся в виде лёссов.

Вусловиях жаркого и влажного климата происходит интенсивное химическое выветривание горных пород, приводящее к разрушению неустойчивых минералов.

Вжарком климате пустынь формируются отложения песчаников и эвапоритов.

При сухом жарком климате химическое выветривание менее интенсивно и разрушение пород происходит под действием ветра и перепада температуры.

В сухих районах осадочных отложений мало, во влажных – много, в основном аллювиальные.

Минерал глауконит, выглядящий как зелёная глина, образуется только при температуре воды ниже 15°C и часто используется как признак в климатических реконструкциях.

Речные террасы.

Парные террасы по обоим берегам реки соответствуют изменениям уровня дна долины в древности. Река прорезала дно все глубже каждый раз, когда при наступлении ледников опускался уровень моря. 1. Первое межледниковье. 2. Второе межледниковье. 3. Третье межледниковье. 4. Послеледниковый период.

Средний минералогический состав песчаных пород Русской платформы и его связь с условиями образования

2. Биогеографические методы (ископаемые флора и фауна)

Основаны на связи ареалов распространения живых организмов в зависимости от климата. Многие виды животных

и растений могут жить только в узком диапазоне климатических условий, и по

ареалам их распространения можно восстановить климатические зоны.

Ископаемая пыльца отлично сохраняется в ископаемом состоянии и является надежным датчиком экологической обстановки прошедших эпох.

По пыльце из одного торфяного болота в Дании можно судить о том, что на этом месте 4300 лет назад местные земледельцы временно расчистили лес под пашню. Высота закрашенного поля на диаграмме изменяется в зависимости от численности тот или иной период тех растений, которые эта диаграмма представляет.

А — Древний лес. Б — Расчищенный участок. В — Участок, вновь заросший лесом.

а — Вяз, липа и ясень. б — Дуб. в — Береза.

г — Травянистая растительность. д — Дикие травы.

е — Хлебные злаки. ж — Подорожник (сорняк среди посевов).

Ископаемые грызуны.	А Ледниковые периоды: деревья немногочисленны.
	1.	Норвежский лемминг (холодные степи).
	2.	Лесная мышовка (березовые леса).
	3.	Лесная мышь (лесистая местность).
	4.	Садовая соня (лесистая местность).
	5.	Земляные белки (холодные степи).
	6.	Сурок (щебнистые склоны холмов).
	7.	Пашенная полевка (луга).
	8.	Северная водяная полевка (болота).
	9.	Арктический лемминг (холодные степи).
	Б Межледниковые периоды: леса.
	10.		Обыкновенная белка (лесистая местность).
	11. Соня-полчок (лесистая местность).
	12.		Лесная мышь (лесистая местность).
	13.		Садовая соня (лесистая местность).
	14.		Рыжая полевка (лесистая местность; остальные виды
	полевок обитали в открытой местности).
	15.		Обыкновенная соня (лесистая местность).

3. Дендрохронология

Деревья, произрастающие в климатических зонах с сезонным климатом, летом и зимой растут неодинаково: основной рост происходит летом, зимой же рост сильно замедлен. Различие условий приводит к тому, что древесина, нарастающая зимой и летом, отличается своими характеристиками, в том числе плотностью и цветом. Визуально это проявляется в том, что древесный ствол на поперечном распиле имеет чётко видимую структуру в виде набора концентрических колец. Каждое кольцо соответствует одному году жизни дерева («зимний» слой тоньше и визуально просто отделяет одно «летнее» кольцо от другого). Общеизвестным является способ определения возраста спиленного дерева путём подсчёта числа годичных колец на распиле.

Толщина летних колец зависит от продолжительности сезона, температуры, осадков и т.д.

Если для деревьев, произраставших в одной местности в одно время, построить графики изменения толщины годичных колец по годам, то эти графики будут достаточно близки, а для деревьев, произраставших в разное время, они не совпадут (в силу случайности действия климатических факторов точное совпадение последовательности толщин колец за достаточно длительные периоды крайне маловероятно).

Сопоставление последовательности годичных колец, сохранившихся в деревянном предмете, и образцов, датировка которых известна, позволяет выбрать образец с совпадающим набором годичных колец и, таким образом, определить, в какой период было спилено дерево, из которого изготовлен предмет.

Такое сопоставление - дендрохронологическое датирование.

На основании исследования образцов древесины, датировка которых заведомо известна, строится дендрохронологическая шкала — последовательность толщин годичных колец деревьев определённой породы в определённой местности, от текущего момента и как можно далее в прошлое.

Перекрестная датировка, абсолютная и относительная шкала. Абсолютная шкала (по 2 млн. образцов деревьев).

Ирландия — 7300 лет, Западная Европа (по дубу) — свыше 7 тыс. лет,

Центральная Европа (по дубу) — свыше 8 тыс. лет, Центральная Европа (по сосне) — свыше 11 тыс. лет, Юго-Запад США (по сосне) — 8700 лет, Район Великого Новгорода — 1200 лет, Северное Приобье — 900 лет.

4. Изотопные методы исследований

Изотопный анализ - определение изотопного состава химического элемента. Наиболее распространенным является масс-спектрометрический метод, с помощью которого можно проводить изотопный анализ всех элементов периодической системы.

Масс-спектрометры

Для анализа изотопного состава лёгких элементов (углерод, водород, кислород, сера, азот и т. д.) используется ионизация электронным ударом.

Для анализа изотопов более тяжелых элементов используется термоионизация или ионизация в индуктивно-связанной плазме.

Применимость для палеоклиматологии

Соотношение изотопов в различных состояниях воды зависит от температуры, при которой протекали процессы испарения и конденсации, или плавления и замерзания.

Следовательно, изотопный состав атмосферных осадков может служить индикатором как сезонных, так и длительных колебаний температуры приповерхностного слоя атмосферы.

Развитие изотопных методов исследования привело к появлению приборов, позволяющих изучать изотопный состав ледяных кернов и древесины годичных колец.

Изотопный метод определения палеотемператур

Разработан ам. Г.К.Юри (ноб. лауреатом) по изотопному составу кислорода карбонатов в начале 1950х годов.

Сущность: в природе множество процессов сопровождается изотопным фракционированием, в том числе происходят изменения в содержании стабильных изотопов кислорода - наиболее распространенного в земной коре элемента. Существуют три стабильных природных изотопа кислорода: 16О, 17О и 18О, причем изотоп 16О - самая распространенная разновидность. Обычно количество изотопа 18 примерно соответствует 1 : 500 по сравнению с изотопом 16. Однако соотношение 18О/1бО (изотопный коэффициент) в природных условиях колеблется в пределах 10% (наиболее низкий у льда около полюсов, наиболее высокий у СО2 в атмосфере, в воде наибольшее

соотношение 18О для высокой солености). Коэффициент 18О/1бО зависит от температуры и эта зависимость для раковин некоторых морских беспозвоночных определена экспериментально и в результате получена шкала геологического термометра.

Если кальцит раковин или хемогенный, образовавшийся в равновесии с водой, в дальнейшем был без изменения захоронен, то в нем сохранилось и соответствующее первоначальному изотопное соотношение, несущее информацию о древних температурах (погрешность коэффициента по масс-спектромутру 0.01%, фактическая погрешность определяемых температур 0.5-1.00С.).

Теоретически изотопный метод позволяет определить температуры образования карбонатов с возрастом до 700 млн. лет.

Изотопный метод определения палеотемператур (ограничения)

1.Изотопный состав кислорода в кальците может быть в значительной мере изменен после образования раковин или карбонатного осадка вследствие процессов диффузии, перекристаллизации, доломитизации и т. п., которые могут происходить как при диагенезе, так и в течение всего последующего существования породы. Особенно этим процессам подвержены образования с недостаточно компактной структурой, испытавшие значительное погружение и обладающие значительным геологическим возрастом.

2.Многие животные и растения могут отлагать карбонаты кальция без сохранения изотопного равновесия кислорода карбонатов и воды. Выявить, существовало или отсутствовало такое равновесие для ископаемых объектов, не всегда возможно или по крайней мере не легко.

3.Еще не известен изотопный состав кислорода древних океанов. Предположение же о том, что он был тождествен современному, может быть ошибочным.

4.Содержание 180 в воде зависит от ее солености. В конечном итоге опреснение сказывается так же на отношение 180/16О в карбонате, как и повышение температуры

Определение сезонных температур

По сезонной пробе, взятой для анализа из скелетного образования, формировавшегося только в определенный сезон года, определяется осредненная температура соответствующего сезона, а по аналогичной пробе, взятого из образования, формировавшегося круглогодично – среднегодовая.

При отборе вещества на анализ по радиусу белемнитов последовательно от центра к периферии или последовательно из разных слоев нарастания раковин некоторых моллюсков, наращивающих раковину круглогодично, можно выявить

колебания температур, связанные с сезонными изменениями.

Сезонные температуры роста раковин гребешков Chlamys (по Р.В.Тейс, Д.П.Найдину, 1973), 1 – 15 – номера проб для определения содержания 18О.

Использование данных о палеотемпературах эффективно при массовых исследованиях, как в конкретных районах по времени, так и по пространств.

5. Химические методы

Т.С.Берлин и А.В.Хабаков разработали метод оценки температур среды обитания беспозвоночных на основе определения отношения кальция и магния в их карбонат- ных скелетах.Метод основан на закономерности увеличения в более теплых морях доли магния в кальцитовых скелетах различных групп беспозвоночных.

Древние температуры морей определяют на основе серийных анализов карбонатного вещества скелетов групп беспозвоночных животных, постоянно обитающих в море. При этом используют результаты экспресс-анализов на кальций и магний небольших

проб карбонатного вещества раковин моллюсков, фораминифер и др., а также писчего мела и меловых мергелей посредством титрования с трилоном Б после разложения карбоната 2%-ной соляной кислотой.

Отношения Ca/Mg и Sr/Ca для целей палеотермометрии теоретически малообоснованны и менее надежны, чем метод изотопов кислорода, так как распределение магния и стронция в раковинах беспозвоночных зависит от минеральной формы карбоната (кальцит или арагонит), филогенетического уровня организмов и их физиологии, солености бассейна и других факторов среды.

Тем не менее Ca/Mg-отношения используются в палеотермометрии юрского и более молодых периодов. Большое преимущество этого метода по сравнению с изотопно-кислородным - оперативность и дешевизна, однако погрешности данного метода выше и в несколько раз превосходят ошибки изотопного. Минимальные погрешности в определении палеотемператур Ca/Mg методом составляют 1-2°С.

Палеогалометрия

Биогеохимические методики определения солености основаны на устойчивых корреляциях между содержанием химических элементов в воде и в карбонатных скелетах беспозвоночных. Один из таких методов разработан на раковинах устриц Crassostrea virginica (атлантическое побережье Северной Америки) в водах с известной соленостью (13-30,5 %о). Установлено, что содержание Mg + Sr обратно пропорционально солености, а содержание Na с возрастанием солености увеличивается.

Другим методом определения палеосолености являются исследования карбонат-протеиновых отношений. Это отношение растет в кислых опресненных водах, поскольку усиливаются органическая матрица скелета, защищающие минеральную его составляющую от растворения при низкой рН, и падает в щелочных условиях повышенной солености, когда организм интенсивнее наращивает минеральную составляющую скелета. Справедливо в отношении некоторых донных моллюсков.

Химические методы менее надежны, чем изотопные и не могут быть использованы только вместе с остальными.

6. Палеомагнитый метод

Метод позволяет вычислить положение древних широт с использованием остаточной намагниченности некоторых вулканических и осадочных пород, содержащих ферромагнитные минералы (магнетит, гематит, титаномагнетит), приобретённой под влиянием магнитного поля Земли, существовавшего во время формирования этих пород.

Метод основан на явлении палеомагнетизма: порода, нагретая до точки Кюри (500-7000С), остывая, «запоминает» направление и интенсивность магнитного поля Земли на данный момент. Поскольку же расположение магнитных полюсов, как и интенсивность магнитного поля, постоянно меняются, то это обстоятельство и служит датировке. При практическом применении метода, отобранные в полевых условиях пробы направляются в лабораторию и исследуются с помощью магнитометра.

Для отдаленных геологических эпох основой служит явление инверсии магнитных полюсов (при котором эти полюса меняются местами), так что всегда можно сказать, при каком положении магнитного поля образовалась порода — прямом (соответствующем современному) или обратном (противоположном ему). Интервалы геологического разреза, характеризуемые одинаковой полярностью, называют магнитозонами. Для абсолютного датирования данной магнитозоны служит шкала, разработанная с помощью различных методов датирования: физических, палеонтологических, палеоботанических и т. п.

Палеомагнитная шкала части кайнозойской эры.