Четвертичная палеоокеанология Атлантического океана. Том 1 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Бараш, Макс Семенович

• Бараш, Макс Семенович
• 1984

Оглавление диссертации Бараш, Макс Семенович

Введение

Актуальность теш исследования.

Цель и задачи работы

Материал и методы исследования.«.

Защищаемые положения .II

Научная новизна работы.

Практическое значение работы.

Ацробация диссертации и публикации

Объем диссертации.

Глава I. Краткий очерк современных условий в Атлантическом океане

Основные черты рельефа и -геоморфология.

Современные осадки

Гидрологическая характеристика.

Глава 2. Четвертичный период. Четвертичные отложения Атлантического океана.

Четвертичный период.

Стратиграфия четвертичных отложений океанов

Палеомагнитная геохронологическая шкала

Изотопно-кислородная шкала и климатостратиграфия

Биостратиграфия четвертичных отложений океанов

Палеонтологическая климатостратиграфия

Датировочные уровни и зональная стратиграфия

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Четвертичная палеоокеанология Атлантического океана. Том 1»

Краткий очерк основных сведений по биологии планктонных фораминифер. 100

Некоторые закономерности формирования танатоценозов 106 Расцределение раковин видов планктонных фораминифер в осадках в зависимости от среднегодовой температуры поверхностной воды. 112

Климатические группы видов. 173

Температура воды и число ввдов.Г79

Танатоценозы планктонных фораминифер в поверхностном слое осадков. 185

Палеотемпературный и "палеоклиматический" микрофаунистические методы.197

Палеотемпературный метод.199

Палеоклиматические" кривые, метод "скользящей шкалы" .205

Глава 4. Изотопно-кислородный метод.216

Изотопно-кислородная палеотермометрия . 216

Изотопно-кислородный состав раковин донных фораминифер . 223 Метод изотопно-кислородной палеотермометрии по комплексу ввдов.225

Сравнение микропалеонтологического и изотопного методов палеотемпературного анализа. 229

Т о м 2

Глава 5. Региональная стратиграфия и палеоокеанологические реконструкции.235

Поднятие Риу-Гравди.235

Северная область Атлантического океана . 259

Зоны влияния Канарского и Бенгельского апвеллингов.284

Южная область северного субтропического круговорота . 307

Глава 6. Палеоокеанология Атлантического океана в четвертичное время.323

Основные черты четвертичной палеоокеанологии Атлантики . 323

Последнее межледниковье .333

Последнее оледенение .354

Время дегляциации и голоцен. 383

Климатическая зональность Атлантического океана в позднечетвертичное время . 400

Палеоэкология планктонных фораминифер. 410

Заключение . 440

Литература. 453

Приложения. 499

1. Положение исследованных проб . 499

2. Радиоуглеродные датщювки.509

3. Распределение видов планктонных фораминифер в поверхностных пробах осадков .514

4. Распределение видов планктонных фораминифер в скв.516 б/с 'Тломар Челленджер" .550

5. Распределение видов планктонных фораминифер в скв.518 Ô/с 'Тломар Челлевджер".564

6. Распределение видов планктонных фораминифер в осадках горизонта последнего стадиала оледенения (около

18 тыс.лет назад) .587

7. Распределение видов планктонных фораминифер в осадках горизонта последнего межстадиала оледенения. около 40 тыс.лет назад) .599 4 —

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность теш исследования. Изучение осадков Мирового океана, особенно интенсивное в последние 15 лет, показало, что в них содержатся разнообразные свидетельства сильных и многократных климатических изменений, имевших место на протяжении четвертичного периода. Океан является важнейшим эвеном единой климатической системы атмосфера-океан-суша. Для понимания взаимосвязи звеньев этой системы в ее предельных состояниях - режимах оледенений и межледниковий, динамики процессов возникновения таких режимов и их эволюции во времени необходимы палеоклиматические реконструкции.

Исследование океанских осадков микропалеонтологическими, диалогическими, геохимическими, изотопными и другими методами позволяют не только проследить эволюцию важнейших палеоокеанологиче-ских параметров (температуры поверхностной воды, режимов придонной циркуляции, изотопно-кислородного состава поверхностной и придонной воды, факторов осадконакопления, палеоэкологических условий существования организмов и др.) по отдельным разрезам, характеризующим определенные районы, но и составить палеоокеаноло-гические реконструкции для важнейших возрастных срезов. Последние, кроме перечисленных параметров, дают возможность представить поля палеотемператур, а по ним с учетом литологических и палеоэкологических данных - положения основных водных масс, течений, гидрологических фронтов, границ распространения плавучих льдов и др. Полученные данные, наряду с результатами палеогеографических реконструкций на континентах, открывают возможности для моделирования разных режимов всей климатической системы. Как отмечает А.С.Монин (1982), поскольку климат является важным экологическим фактором существования населения земного шара, модели климата уже сейчас становятся необходимым блоком так называвмых мировых моделей, предназначенных для количественных прогнозов демографического и экономического развития человечества.

Настоящая работа выполнена в рамках программы 0.74.01п.05.05 (проект "Палеоокеанология") государственного плана, утвержденного Госкомитетом по науке и технике при Совете Министров СССР (головная организация - Институт океанологии им. П.П.Ширшова АН СССР, руководитель - член-корреспондент АН СССР А.П.Лисицын). Проект предусматривает всестороннее исследование геологической истории Мирового океана.

Рядом учреждений проводится разработка Комплексной программы исследования климата Земли (координаторы Госкомгидромет СССР и АН СССР), которая включает сбор данных и восстановление климатов геологического прошлого, осуществление реконструкций и моделирование природно-климатических изменений за последние 100 тыс.лет и в позднем кайнозое (темы ГКНТ 0.74.11.0202 и 3.5.1.4.1, в которых автор принимает участие).

Актуальность темы исследования демонстрируется активным развитием этого направления науки не только в ряде зарубежных стран (например, осуществление проекта ЮШМАП в США), но и в рамках международных научных организаций. Так, СКОР и МОК в 1980 г.основали комитет "Климатические изменения и океан", в задачи которого входят оценка роли океана в изменениях климата, влияния таких изменений на физику, химию и биологию океана, а также путей, по которым исследование океана может внести вклад в понимание и прогноз климатических изменений. Комитет включает Рабочую группу по высокоразрешающей палеоклиматологии, членом которой является автор.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является создание обобщающего исследования по палеоокеанологии Атлантического океана в течение четвертичного периода. Для ее выполнения последовательно ставились и решались следующие задачи.

1. Исследование закономерностей распределения в поверхностном слое осадков Атлантического океана раковин планктонных фораминифер и разработка на этой основе метода палеотемпературных реконструк« ций.

2. Стратиграфическое расчленение осадков Атлантического океана микропалеонтологическими методами с использованием данных ли« тологических, геохимических, изотопных, физических методов и ра*. диоуглеродных датировок.

3. Реконструкция палеоокеанологических характеристик (палео-температур, распределения микропалеонтологических объектов, соотношения изотопов кислорода в раковинах фораминифер, особенностей осадконакопления) по разрезам океанских осадков с целью установления последовательности колебаний и взаимосвязей этих характеристик в течение четвертичного периода в отдельных районах Атлантического океана.

4. Создание комплексных палеоокеанологических реконструкций в масштабе всего океана для наиболее характерных этапов его четвертичной истории с учетом тесной взаимообусловленности разных палеоокеанологических характеристик (распределения палеотемпера-тур верхнего слоя вода океана, положения водных масс и гидрологических фронтов, течений, активности апвеллингов, придонной циркуляции, климатической зональности, палеобиогеографии организмов, процессов осадконакопления и др.) и их связи с палеогеографическими характеристиками окружающих материков и Земли в целом.

Материал и методы исследования. Основным материалом для настоящей работы послужили колонки и дночерпательные пробы осадков Атлантического океана, собранные в 23 рейсах научно-исследовательских судов АН СССР и других организаций: 1~7, 10, 12, 13 и 18 рейсах НИС "Михаил Ломоносов" (1957-1965 гг.), 4-м рейсе ЭОС

Экватор" (1958 г.), 1,2 и 4 рейсах ЭОС "Седов" (1957-1960 гг.), 1-м рейсе НЮ "Дмитрий Менделеев" (1969 г.), 3,5,6,9,11 и 20 рейсах НЮ "Академик Курчатов" (1968*4975 гг.), рейсах судов "Полюс", "Николай Коломейцев", "Яков Смирницкий". В пяти рейсах автор принимал участие. Кроме того, были исследованы образцы осадков из двух полных четвертичных разрезов скважин 72 рейса б/с "Гломар Челленджер", предоставленных руководством Проекта глубоководного бурения.

Основным методом исследования был количественный анализ комплексов раковин планктонных фораминифер. Обоснованная автором (Бараш, 1970) методика лабораторной обработки и разработанные методы интерпретации результатов в настоящее время используются многими исследователями для стратиграфического расчленения четвертичных осадков и палеоокеанологических реконструкций.

Поскольку раковины планктонных фораминифер имеют размеры от нескольких микрон до нескольких миллиметров, для получения сравнимых количественных результатов из разных районов океана необходимо было выбрать целесообразный нижний предел. Вслед за классической работой Шотта (W.Schott, 1935) таким пределом был выбран размер 0,1 мм - видовые определения и количественный подсчет проводились в гранулометрической фракции более 0,1 мм. При слишком высоком нижнем пределе исследуемой фракции из поля зрения могут ускользнуть виды с мелкими раковинами. С другой стороны, слишком низкий предел может привести к ошибкам и ложным построениям по следующим основным причинам.

Уменьшается надежность видовых определений. Мелкораковинные виды часто настолько количественно подавляют остальные, что не позволяют вскрыть закономерности их количественного распределения. Уменьшается возможность определения связей между экологическими условиями существования видов в составе планктона и их распределением в танатоценозах, т.к. процесс опускания на дно мелких раковин может продолжаться в течение нескольких недель. Мелкие раковины в большей степени подвержены переотложению под действием придонных течений. На больших глубинах океана мелкие раковины растворяются в первую очередь, тогда как крупные сохраняют характерную структуру танатоценоза. Эти выводы были получены при сравнении результатов количественных определений во фракциях более 0,1 мм и 0,1-0,05 мм по 120 образцам (Бараш, 1970).

Близость использованной размерности к размерности, принятой в подобных исследованиях в зарубежных странах (обычно более 0,125 мм), дает возможность прямого взаимного использования опуб~ ликованных результатов. Например, карты распределения видов планктонных фораминифер в Северной Атлантике (Бараш, 1964j,1970) были использованы при составлении карт для Мирового океана (Parker, 1971; Be, 1977).

Методика палеотемпературного анализа по планктонным форами-ниферам, предложенная Имбри и Кипп (Imbrie, Крр, 1971} Kipp, 1976), основана на определениях фораминифер во фракции более 0,149 мм. Эта методика широко применялась всеми сотрудниками 10-летнего проекта КЛЙМАП, результатами которого стали многочисленные палеоокеанологические реконструкции на временной уровень 18 тыс.лет назад и др. (CIIMAP, 1976, 1981; Cline, Hays, 1976; и др.), и применяется десятками других исследователей.

Отметим, что для палеоокеанологических реконструкций по донным фораминиферам используются фракции более 0,125, 0,149, 0,250 мм (Schnitker, 1979; Streeter, bavery, 1982; Peterson, Lohmen, 1982).

Результаты количественного анализа соотношения видов в современных танатоценозах были использованы для создания метода палеотемпературных реконструкций, который послужил основой для климатостратиграфического расчленения колонок и палеоокеанологиче-ских построений. Этому посвящено главное содержание настоящей работы.

Анализ планктонных фораминифер проведен более чем в 2000 проб (346 проб поверхностного слоя осадка, остальные - из 95 колонок осадков и кернов 2 скважин глубоководного бурения) (рис. I, приложение I).

Другим важнейшим методом был изотопно-кислородный - определение соотношения изотопов кислорода в СаС03 раковин планктонных фораминифер, впервые в СССР примененный к этому объекту (Бараш, Громова, 1969). В основном использовалась предложенная автором модификация этого метода - определения по всему комплексу раковин (Бараш, Николаев, Блюм, 1973; Бараш, 1980). Колебания комплекса отражают наиболее существенные колебания изотопного состава и температуры воды на средневзвешенных глубинах обитания планктонных фораминифер - в разных районах от 100 до 400 м (Николаев и др., 1982). Этот метод дал возможность прямого сравнения изотопно-кислородных кривых, построенных по изученным колонкам, со стандартными кривыми и расчленения позднечетвертичных отложений согласно общепринятой для океанских осадков изотопно-кислородной стратиграфии. Кроме того, он был использован для независимого подтверждения микропалеонтологических палеотемпературных реконструкций. Изотопно-кислородные определения были проведены приблизительно в 600 образцах.

Для оценки условий осадконакопления примерно в 800 образцах определена карбонатность осадка. В Атлантическом океане, кроме приантарктического района, она характеризует главным образом соотношение терригенного и биогенного процессов осадконакопления.

По 143 образцам выполнены оценки абсолютного возраста радиоуглеродным методом (приложение 2). Содержание титана и железа по

Ряс, I. Положение исследованных проб (см. Приложение I)

I - пробы поверхностного слоя осадков; 2 - колонки; 3 - скважины б/с "Гломар Челлевджер". Обозначения судов: "С" - ЭОС "Седов". "Э" - ЭОС"Экватор", "Й" - НИС "Дмитрий Мецделеев", "К" - НИС"Ака демик Курчатов", "П" - НИС "Полюс", "СМ" - г/с"Яков Смирницкий", "И" -б/с"Гломар Челлевджер", остальные - НИС "Михаил Ломоносов" данным 750 определений в 130 колонках использовано в качестве показателей влияния вулканогенного и терригенного процессов осадко-накопления. По единичным разрезам выполнены палеомагнитные определения, применение этого метода ограничивалось недостаточным стратиграфическим объемом колонок.

Кроме материалов собственных исследований, для полноты па-леоокеанологических реконструкций широко привлекались опубликованные данные.

Защищаемые положения

1. Распределение раковин видов планктонных фораминифер на дне океана зависит от температуры воды. По положению максимальных концентраций, градиентам их снижения и ареалам выделяются группы видов. Природные типы танатоценозов планктонных фораминифер, определяемые по соотношению групп видов, соответствуют климатическим поясам, подтипы танатоценозов распространены в пределах субширотных полос и соответствуют 2-3-градусным интервалам температуры. Эта связь дает возможность реконструировать четвертичные палеотемпературы, выделять климатостратиграфиче-ские подразделения.

2. Палеоокеанологическая эволюция Атлантики в течение четвертичного времени определялась климатическими условиями, которые оказывали решающее влияние на количественные характеристики и последовательность изменений важнейших палеоокеанологических параметров: палеотемператур и изотопно-кислородного состава воды, положение водных масс, течений, гидрологических фронтов, распространение плавучих льдов, активность апвеллингов и океанской циркуляции в целом, придонную циркуляцию, осадконакопление, палеобиогеографию планктонных фораминифер, уровень моря.

3. В течение эоплейстоцена (1,9-0,8 млн.л.н.) колебания параметров, в частности палеотемператур и изотопного состава воды, были относительно небольшими. В период 0,9-0,7 млн.л.н. произошло первое резкое понижение температуры и изменились все палеоокеано-логические характеристики. В дальнейшем эти изменения имели колебательный характер, они коррелируются с этапами материковых оледенений.

4. Условия оптимума последнего межледниковья (около 125 тыс. л.н.) по всем характеристикам были близки к современным при общем несколько более высоком уровне теплового баланса. В Северной Атлантике располагались широтные полосы небольших (до 2°С) отличий температур от современных. Океанская циркуляция была более вялой.

5. В период максимума последнего оледенения (около 18 тыс. л.н.) температура в среднем по океану была на 5°С ниже современ« ной, развивался крупный субарктический циклонический круговорот, полярный фронт и граница плавучих льдов смещались к экватору на 2000 км, смещались также все климатические пояса, сокращались антициклонические субтропические круговороты, резко усиливались ап-веллинги и активизировалась вся океанская циркуляция, усиливались процессы терригенного осадконакопления, существенно изменялась придонная циркуляция.

6. В период межстадиала (около 40 тыс.л.н.) температура в среднем была на 2°С ниже современной. Другие характеристики имели промежуточное значение между ледниковыми и межледниковыми, ближе к последним. Существовал Северо-Атлантический дрейф.

Научная новизна работы

I. На единой методической основе впервые составлены схемы процентного распределения раковин видов планктонных фораминифер в поверхностном слое осадков Атлантического океана. Установлена количественная связь между структурой танатоценозов и температурой поверхностной воды, что позволило создать первый метод палеотемпературных реконструкций по танатоценозам.

2. На основе этого метода с использованием результатов диалогических, геохимических, изотопно-кислородных исследований и радиоуглеродных датировок проведено климатостратиграфическое расчленение осадков Атлантического океана.

3. Установлены последовательность изменений и некоторые количественные характеристики важнейших палеоокеанологических параметров на протяжении четвертичного времени: палеотемператур и изотопно-кислородного состава воды, положения основных водных масс, течений, гидрологических фронтов, границ плавучих льдов, активности апвеллингов и океанской циркуляции в целом, факторов осадконакопления, палеобиогеографии планктонных фораминифер, некоторых черт придонной циркуляции, уровня моря.

4. Для трех временных уровней (оптимума последнего межлед-никовья - около 125 тыс.л.н.Ф межстадиала - около 40 тыс.л.н., максимума оледенения - около 18 тыс.л.н.) созданы разносторонние площадные палеоокеанологические реконструкции, которые характеризуют условия многочисленных климатических этапов четвертичного времени (для первых двух уровней - впервые).

5. Детальное исследование распределения планктонных фораминифер в двух полных четвертичных разрезах осадков поднятия Риу-Гранди позволило наметить эволюционные изменения в составе комплексов и предложить региональную стратиграфическую схему.

Таким образом, на основании оригинальных исследований и опубликованных данных представлена первая обобщающая работа по четвертичной палеоокеанологии Атлантики. Она явилась результатом создания и развития нового научного направления, основанного, главным образом, на методе палеотемпературного анализа по планктонным фораминиферам, а также на других методах.

Практическое значение работы. Палеоокеанологические реконструкции для четвертичного периода - последнего и одного из самых динамичных этапов геологической истории, в течение которого сформировалось человечество, имеют теоретическое и практическое значение для более полного понимания сложных закономерностей формирования климатических условий не только в области Атлантического океана, но и на всей Земле, поскольку соответствующие реконструированным в Атлантическом океане и квазисинхронные им палеогеографические изменения происходили на всей ее поверхности.

Все возрастающее влияние хозяйственной деятельности человека на климат позволяет предположить в ближайшем будущем быстрые и значительные климатические изменения, которые, как полагают, приведут к палеогеографической ситуации, близкой к ситуации оптимума последнего межледниковья (около 125 тыс.лет назад). Для этого времени впервые создана палеоокеанологическая реконструкция для северной половины Атлантического океана, оказывающей важнейшее влияние на условия в Европе и Северной Америке.

Разработка методов палеоокеанологических реконструкций путем установления количественных связей между современными физико-географическими условиями и их микропалеонтологическим и литоло-гическим отражением в составе океанских осадков, а также апробация этих методов на позднечетвертичных разрезах разных районов Мирового океана дают возможность на актуалистической основе реконструировать палеоокеанологические параметры более ранних этапов геологической истории, что необходимо для понимания процессов формирования осадочных отложений и связанных с ними полезных ископаемых в океанах. Предложенные автором методы палеоклиматиче-ских и палеотемпературных реконструкций применяются не только рядом исследователей в ИОАН СССР и его Атлантическом и Южном отделениях, но и в других научных учреждениях.

Представленные в работе реконструкции выполнены в рамках подготовки палеоокеанологического атласа и объяснительного текста к нему - планируемого результата выполнения проекта "Палео-океанология" государственного плана, утвержденного ГКНГ при Совете Министров СССР. Они используются также для выполнения Комплексной программы исследования климата Земли, которая предусматривает реконструкции палеоклиматов в позднем кайнозое и за последние 100 тыс.лет.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались на У1 Всесоюзном микропалеонтологическом совещании (Новосибирск, 1973), XIX и ХХ1У сессиях Всесоюзного палеонтологического общества (Ленинград, 1973, 1978), 1-м съезде советских океанологов (Москва, 1977), Всесоюзной школе по морской геологии (Геленджик, 1974, 1976, 1978, 1980, 1982), советско-американском совещении по палеоклиматам (Иркутск-Якутск, 1980), совещаниях "Методы реконструкции палеоклиматов (Москва, ИГ АН СССР, 1980), "Стратиграфия и микропалеонтология морских и океанических осадков" (Одесса, 1981), "Стратиграфия и история геологического развития Атлантического океана в мезозое и кайнозое" (Ленинград, 1982) и др. Диссертация в целом докладывалась на XI Конгрессе ИНКВА (Международного союза по изучению четвертичного периода (Москва, 1982), П съезде советских океанологов (Ялта, 1982) и на коллоквиуме Геолого-физического сектора Института океанологии им .П. П.Ширшова АН СССР (1983).

По теме диссертации опубликовано более 50 работ, из них 26 выполнено автором лично, остальные в соавторстве с другими исследователями, в том числе две монографии (одна в соавторстве).

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 432 наименования, в том числе 300 иностранных источников, и приложения с табличными данными. Работа содержит 286 страниц текста, 1X9 рисунков, 28 таблиц, 3 фото^таблицы с изображениями раковин фо