ОКЕАНСКИЕ ГЛУБИНЫ И ПРОШЛОЕ

Смотрите также:

ДРЕВНЕЕ ОЛЕДЕНЕНИЕ И ЖИЗНЬ

Великое оледенение

Как часто были ледниковые эпохи в истории Земли...

Люди эпохи великого оледенения - Рисское

Климатические условия ледниковых эпох

Где были ледники на территории России

Сколько длилась ледниковая эпоха

Ледниковые периоды. Причины оледенений

История оледенений Евразии ...

Климаты Четвертичного периода, плейстоцена

Если бы дело о теории Миланковича слушалось в суде, то можно было бы с полным основанием заявить протест, поскольку все аргументы обвинения базировались лишь на данных, собранных на поверхности суши. Между тем в осадочных образованиях материков следы древних климатов сохраняются лишь фрагментарно, так что любой свидетель, который выступил бы на таком процессе, мог быть уличен не только в предвзятости, но и в плохом Знании фактов.

Одним из первых, кто сумел понять принципиальную неполноту наземной летописи древних климатов, был Джеймс Кролль. Он же пророчески предсказал, что более полные данные по истории ледниковых эпох будут получены лишь тогда, когда геологи обратят свои взоры на осадки океанского дна. «В глубочайших уголках океана, захороненные под сотнями футов песка, ила и гравия, нас ждут растительные и животные остатки, которые... были во множестве вынесены туда реками с суши. А вместе с ними должны покоиться скелеты, раковины и панцири созданий, благоденствовавших тогда в самом океане». Однако эти слова Кролля лишь плод абстрактных размышлений. И это понятно: в его время научные знания об океанских глубинах почти полностью отсутствовали, во всяком случае об океанском дне знали меньше, чем о поверхности Луны.

Однако океан не мог вечно хранить свои тайны. В 1872 году британское правительство снарядило кругосветную экспедицию на 2360-тонном паровом корвете «Челленджер», которая была рассчитана на три с половиной года. Группой из шести ученых, работавших на «Челленджере» под руководством Уайвилла Том- сона, были созданы методы промера глубин, сбора проб воды, отлова морских животных и растений, драгирования дна на всех глубинах. И уже к 1875 году, когда экспедиция вернулась в Англию, многие тайны океана были развеяны.

Наблюдения, выполненные с борта «Челленджера», подтвердили большинство предсказаний Кролля. Если исключить отдельные участки, где были встречены выходы массивных базальтов, дно океана оказалось действительно покрыто плащом осадочного материала. У краев материков в составе этого плаща резко преобладал материал, вынесенный реками и перераспределенный морскими течениями. Здесь дно океана покрыто слоями песка и ила, в которые включены фрагменты сухопутных растений и других организмов. Однако вдали от материков основные площади дна, как выяснилось, были выстланы вязкими тонкозернистыми илами. Исследовав их под микроскопом, геологи с «Челленджера» обнаружили, что они часто почти целиком состояли из окаменелых остатков мельчайших животных и растений. Немногим раньше был открыт и живой источник этих организмов. На специальных сетках, которые протаскивались через приповерхностную водную толщу океана, биологи экспедиции увидели бесчисленное множество плавучих организмов, собирательно называемых планктоном; минерализованные остатки с океанского дна были аналогичны этим планктонным организмам. Таким образом, стало ясно: образование органогенных илов было связано с длительным процессом выпадения скелетов таких организмов из водной толщи на дно.

Участники экспедиции установили, что обширные площади океанского ложа покрывались особым типом глубоководного ила, который состоял из известковых остатков планктонных животных, называемых форами- ниферами. Этот тип осадков явно преобладал в умеренных и тропических зонах океана, в тех их частях, глубины которых не превышали 4000 метров. А в более холодных-арктических и антарктических-районах океана широким развитием пользовались органогенные илы другого типа. Они состояли главным образом из опала-стекловидного минерала, который извлекают из воды особые планктонные организмы: мельчайшие животные-радиолярии, и водоросли-диато- меи. Когда экспедиция закончилась и ее результаты предстали в виде карты донных осадков, ученые впервые поняли, что эти два типа илов занимают половину дна Мирового океана, или распространены на площади, равной всем материкам Земли. Однако в частях океана, глубины которых превосходили 4000 метров, донные осадки были представлены не органогенными илами, а коричневой глиной, в которой никаких окаменелостей не было. Исследователи решили, что на столь больших глубинах морская вода обладает особыми свойствами, благодаря которым кремневые и известковые скелеты растворялись, не успев достичь дна. А этих глубин достигали только тончайшие частицы глины, принесенные морскими течениями и ветром.

Для обработки колоссальной массы данных, собранных экспедицией на «Челленджере», была создана международная группа специалистов во главе с английским ученым Джоном Мёрреем. Лишь к 1895 году эти данные были проанализированы и результаты работы опубликованы в виде пятидесятитомного отчета. Из него исследователи климатов прошлого смогли впервые узнать, что морская микрофауна и флора пригодны для определения палеотемператур океана. В самом деле, экспедиция выяснила, что одни виды фораминифер и прочих планктонных организмов обитают только в холодной воде, тогда как другие-только в теплой. Благодаря этому появилась возможность воплотить в жизнь мечту Кролля, а именно научиться читать историю климата, анализируя слои глубоководных осадков океана. Ведь в ответ на изменения климата должны были сдвигаться границы ареалов распространения тех видов планктонных организмов, которые чувствительны к колебаниям температур. Поэтому каждый конкретный разрез донных осадков должен навсегда запечатлеть в себе летопись всех событий ледникового периода.

Но оставалось решить еще одну проблему. Ведь прежде чем начать расшифровку истории климата по сменам окаменелостей в глубоководных осадках, надо было еще научиться извлекать эти осадки с океанского дна. Было сделано немало попыток создать соответствующие устройства, причем все их проекты основывались на одном и том же принципе: предлагался снаряд в форме полой стальной трубы, который должен сначала заглубляться в дно, а затем извлекаться наружу вместе с вошедшей в него грунтовой колонкой. Первые такие устройства назывались ударными трубками; они вдавливались в дно под действием одной лишь силы тяжести. Такие снаряды подвешивались на тросах над поверхностью дна, а затем отпускались, и инерция падения заставляла их войти в толщу донных осадков. К сожалению, ударные трубки могли брать лишь колонки, длины которых редко превышали один метр; этого обычно не хватало для получения летописи всего ледникового периода. Для увеличения длины колонок прибегали к разным средствам. Трубки утяжеляли дополнительными грузами, однако выигрыш при этом был небольшим: слишком велики были силы трения, препятствовавшие их заглублению. Испытывались и другие устройства, в частности снаряд, изобретенный Шарлем Пигго, в котором использовался динамит. Однако и он оказался неудовлетворительным, так как взятые с помощью взрывов осадки оказывались сильно дислоцированными.

Несмотря на малую глубину проникновения ударных трубок, собранные ими колонки уже могли стать предметом научного анализа. Пионером такого рода работ стал немецкий палеонтолог Вольфганг Шотт, который взялся за изучение колонок, поднятых в экваториальных районах Атлантического океана в 1925— 1927 годах немецкой экспедицией на пароходе «Метеор». Результаты исследований Шотта, опубликованные в 1935 году, стали моделью последующих работ по плейстоценовому планктону. Шотт начал с составления карт распространения 21 вида планктонных фора- минифер в современных донных осадках. Затем он изучил и описал образцы, отобранные через равные промежутки из «метеоровских» колонок. В итоге он смог выделить три слоя, из которых первый (верхний), имевший в большинстве случаев толщину 3(М0 сантиметров, вмещал сообщество фораминифер, которое сильно отличалось от такого же сообщества нижележащего (второго) слоя, но было аналогично современному. Второй слой включал в себя многие виды микроорганизмов, характерные для первого, но их количественные соотношения были иными. Главная же разница состояла в том, что в первом слое преобладали «теплые» виды фораминифер, а во втором значительную роль играли их «холодные» виды. Был, правда, один вид, который присутствовал в слоях 1 и 3, но полностью отсутствовал в слое 2. Названию этого вида фораминифер -Globorotalia menardii- было суждено надолго попасть в фокус усиленного внимания геологов. По заключению Шотта, слой, который не содержал menardii, образовался в последнюю ледниковую эпоху, когда поверхностные воды экваториальной Атлантики охлаждались; первый слой, богатый фораминиферами menardii, был отложен в послеледниковье, а слой 3, также включавший много menardii,- в межледниковье, которое предшествовало последнему оледенению.

Результаты Шотта разожгли аппетиты палеонтологов. Вместе с тем они показали настоятельную необходимость получения более длинных колонок. В самом деле, если метровые разрезы, вскрытые ударными трубками, несли с собой информацию, которая охватывала все время от современности до последнего межледни- ковья, то сколько же нового можно узнать из колонок десятиметровой длины?

Проблема взятия таких колонок была решена в 1947 году шведским океанографом Бьёре Кулленбергом. Последний ввел в конструкцию трубок особый поршень, благодаря которому в них создавалось разрежение, и донные осадки не просто вдавливались, а всасывались в их полости. Кулленберговские - ударно- поршневые- трубки могли брать колонки длиной до 10- 15 метров, что означало новую эру в изучении истории климата.

Первую «обкатку» эти трубки прошли в 1947-1948 годах, в Шведской глубоководной экспедиции на исследовательском судне «Альбатрос». Совершив кругосветное плавание, ученые «Альбатроса», во главе которых стоял Ханс Петтерссон, подняли длинные колонки со дна всех океанов. Колонки из Тихого океана были направлены в Скриппсовский институт океанографии (Калифорния) Густафу Аррениусу. Химический анализ образцов грунта, взятых из этих колонок, позволил установить, что для содержания карбоната кальция (извести) в них характерны циклические изменения: слои с высокой концентрацией известковых окаменелостей чередовались со слоями, в которых их концентрация была низкой. Не ограничившись установлением факта этих изменений, Аррениус предложил и его объяснение; по его мнению, колебания в концентрации карбоната кальция в изученных им колонках должны отражать изменения в интенсивности циркуляции вод Тихого океана, которые были связаны с чередованием ледниковых и межледниковых эпох.

Эти исследования показали, что для познания климата плейстоцена, во всяком случае климата, характерного для плейстоцена Тихого океана, могут быть полезны данные не только палеонтологов, но и химиков. Впрочем, вслед за тем такие же, циклические, изменения содержания карбоната кальция удалось выявить и в атлантических колонках, которые изучались в другом университете США-Колумбийском. Однако в Тихом и Атлантическом океанах цикличность оказалась противоположной: если в Тихом океане «холодные» слои имели относительно высокую концентрацию карбоната, а «теплые»-низкую, то в Атлантике их соотношение было обратным. Оставалось допустить, что названные океаны по-разному реагировали на глобальные изменения климата.

Судя по работе Аррениуса, осадконакопление в Тихом океане шло с очень низкой скоростью-около одного миллиметра в столетие. С одной стороны, это давало определенное преимущество для палеонтологов, так как даже сравнительно короткие колонки могли содержать палеоклиматическую информацию по всему плейстоцену, но, с другой стороны, было и недостатком, поскольку низкая скорость седиментации почти полностью исключала возможность детального выяснения климатической истории.

В Атлантическом океане, как выяснилось, накопление осадков шло в два-три раза быстрее, поэтому можно было ожидать, что климатическая летопись, заключенная в атлантических колонках, отличается значительно большей полнотой. Естественно, что геологи с особым интересом следили за ходом работ, которые велись над 39 длинными колонками, взятыми Хансом Петтерссоном в Атлантике. Анализ этих колонок был поручен сотрудникам Скриппсовского института Фреду Флегеру, Френсису Паркеру и Джин Пирсон. Его итогом явилась монография, изданная в 1953 году. Она содержала сенсационный вывод: в колонках глубоководных осадков Атлантического океана присутствуют следы по меньшей мере девяти ледниковых эпох. В ходе этого анализа также выяснилось, что палеоклиматическая интерпретация разрезов донных отложений имеет ряд специфических трудностей. В частности, в нескольких колонках, поднятых с больших глубин, были обнаружены прослойки песка с мелководными фораминиферами, которые, очевидно, каким-то образом переотложились из прибрежных районов океана. Механизм, при помощи которого этот песок оказался включенным в разрезы тонких органогенных илов, образовавшихся за счет «планктонного дождя», тогда казался необъяснимым.

Прежде чем стать профессором океанографии Скриппсовского института, Флегер провел несколько лет в Океанографическом институте Вудс-Хол на мысе Код. Именно тогда его ассистентом стал Дейвид Эрик- сон, уже давно, еще в годы его работы в Геологической службе Флориды, убедившийся в необходимости изучения морских осадков. В Вудс-Холе работал и геофизик Морис Юинг, делавший тогда первые шаги на пути, который в конце концов привел его к открытиям, бросившим свет на природу земной коры под океаном. В 1949 году Юинг как раз готовил экспедицию к Срединно-Атлантическому хребту, и ему был нужен помощник, имеющий опыт и знания в области морской палеонтологии. Таким помощником и стал Эриксон.

В 1950 году Юинг стал работать в Колумбийском университете; он перебрался в Нью-Йорк, забрав с собой весь запас образцов донных осадков. Как позже писал Эриксон, «Юинг переехал вместе со своими колонками». Вскоре вокруг Юинга сплотилась группа ученых, техников и студентов, которые были привлечены его планами исследований происхождения океанских бассейнов. Очень скоро Юингу и его «команде» стало тесно в отведенном им помещении. К счастью, именно тогда университет получил в дар от известного промышленника и мецената Томаса Ламонта усадьбу в Палисейдс, штат Нью-Йорк. Группа расположилась в усадьбе, и через несколько лет на ее базе вырос всемирно известный центр океанографических и геофизических исследований, получивший название Ламонтской геологической обсерватории.

Понимая потенциальную важность изучения глубоководных колонок, Юинг настоял на том, чтобы суда обсерватории, независимо от их конкретных исследовательских заданий, повседневно зондировали дно и брали колонки. Благодаря этому у него скапливались новые и новые сотни колонок, которые в ожидании своей очереди в лабораторию складировались в хранилищах. В итоге ламонтская коллекция морских геологических образцов стала богатейшей в мире, так что Эриксон получил великолепные возможности для исследований истории климата. Будучи знаком с работами, ранее выполненными Шоттом и группой из Скриппсов- ского института, он горел нетерпением продолжить их, добившись большей точности и детальности. Но ему было известно, что в некоторых районах океана серьезную проблему представляли слои переотложенных осадков, подобных тем, которые поставили в тупик Флегера.

Однако в 1952 году, когда книга Флегера и соавторов была еще в печати, загадка этих слоев была решена. Главная заслуга в ее раскрытии принадлежала коллегам Эриксона по Ламонтской обсерватории-Брюсу Хизену и все тому же Морису Юингу. Изучая следы землетрясения, происшедшего в 1929 году на Большой Ньюфаундлендской банке, они установили, что одним из его следствий был гигантский оползень осадочной толщи, покрывавшей соседний материковый склон. Огромные массы донных осадков были при этом взмучены, подняты придонным турбулентным слоем воды и транспортированы вниз, в глубоководную область в виде мощных мутьевых потоков. Последние, двигаясь со скоростью экспресса, порвали подводные телефонные кабели и отложили песок и ил на обширной площади дна, внеся нарушения в нормальный процесс глубоководной седиментации.

Получив, таким образом, объяснение природы переотложенных слоев, Эриксон смог взяться за разработку методов их выявления, которые позволили бы очистить климатический сигнал от того «шума», который вносился процессом осадконакопления. Вместе со своим ассистентом Гёста Воллином он начал просматривать подряд все колонки из ламонтского хранилища, что было совсем не простым делом, так как их поступление уже шло со скоростью до двухсот штук в год. Чтобы ускорить работу, Эриксон взял на вооружение упрощенную методику лабораторного анализа, предложенную еще Шоттом. Вместо подсчета всех особей микрофауны, относящихся ко всем видам, представленным в образцах, Эриксон и Воллин сосредоточили внимание лишь на тех видах фораминифер, которые считались особенно чувствительными к изменениям климата (). Вначале они просто оценивали степень обилия таких видов-индикаторов. Впоследствии же, когда потребовались более точные результаты, пришлось перейти к настоящим подсчетам. В низких широтах первым кандидатом на роль вида-индикатора был тот самый вид Globorotalia menardii, который, как мы помним, присутствовал только в «теплых» слоях Шот- та и отсутствовал в его «ледниковом» слое. Анализ колонок из низких широт Атлантики, проведенный Эриксоном, подтвердил вывод Шотта, что в теплых зонах океана колебания в количестве menardii могут служить надежным показателем изменений климата. Но в колонках, взятых в более высоких и холодных широтах, menardii вообще отсутствовали. В этих широтах роль индикаторов климата прошлого должны были играть другие виды.

К 1956 году Эриксон убедился, что его упрощенный метод палеоклиматических реконструкций дает хорошие результаты. Этот вывод подтверждался и данными других исследователей, прежде всего работами коллег по Ламонтской обсерватории геохимиков Уоллеса Брёккера и Лоренса Кальпа. Датируя границу между двумя верхними слоями Эриксона-самым молодым, включавшим menardii, и вторым сверху, их не содержавшим,-они установили: изменение условий на этой границе было исключительно резким и произошло около 11 ООО лет назад. Полученная ими дата оказалась очень близкой ко времени столь же внезапного потепления суши, датированного с помощью радиоуглеродного метода. В статье, вышедшей в 1956 году, Эриксон, Брёккер, Кальп и Воллин писали: «Материал колонок с полной очевидностью свидетельствует, что короткий интервал времени, который начался чуть раньше и кончился чуть позже 11000 лет назад, сыграл критическую роль в истории оледенения. Продолжение работ по увязке событий этого времени, имевших место в океане и на суше, по-видимому, прольет свет на некоторые факты, вызывавшие оледенения». Эта статья была результатом сотрудничества палеонтологов и геохимиков; она носила междисциплинарный характер, что в последующем стало отличительной особенностью большинства работ, вышедших из стен Ламонтской обсерватории.

Независимых подтверждений палеоклиматических выводов Эриксона можно было ожидать и от ряда других исследований, в частности от разработки принципиально нового метода определения температур плейстоценового океана. Такой метод, базировавшийся на изотопном составе атомов кислорода из ископаемых фораминифер, был создан в 1955 году в Чикагском университете Чезаре Эмилиани.

Причем применение обоих методов- микропалеонтологического и изотопно-кислородного к изучению одних и тех же колонок дало вполне удовлетворительные результаты-правда, лишь пока речь шла о приповерхностных частях разрезов донных осадков.

 Однако при переходе к их более глубоким частям данные разных методов явно расходились, чему еще было суждено стать предметом длительных дискуссий.

К 1961 году Эриксон успел изучить более ста колонок и был готов к составлению обобщенной схемы климатической истории плейстоцена. Для облегчения дела он ввел собственную систему терминов, которая устранила необходимость в таких тяжеловесных фразах, как «третья сверху зона, в которой отсутствуют Globorotalia menardii». Это упрощение предложил вечно спешащий редактор, работавший над рукописью статьи Эриксона, Юинга, Воллина и Хизена; для обозначения главных слоев в ней использовались буквы латинского алфавита. Например, «теплый» слой, сформированный на новейшем этапе истории океана, получил название зоны Z Эриксона. Слой, образованный в последнюю ледниковую эпоху, стал зоной Y, а слой, отвечающий предшествующему межледниковью с его температурами, близкими к современным,-зоной X (рис. 33). Теперь было легко увидеть существенную особенность климатической кривой Эриксона: его зона V с характерной для нее высокой концентрацией menardii была ненормально длинной, а расположенная под ней зона U-необычно короткой. Эриксон не мог не заметить, что его длительная зона V по своей позиции соответствовала Великому межледниковью Европы, выделенному Пенком и Брюкнером. И хота сам он не относился к сторонникам Миланковича, кривая menardii стала немалым утешением для горстки приверженцев астрономической теории.

Со временем Эриксон все острее ощущал конфликт между его схемой и данными, получаемыми на основе метода изотопной палеотермометрии. Пытаясь разрешить его, Эриксон и Эмилиани подвергли параллельному анализу одни и те же образцы из трех колонок, поднятых со дна Карибского моря (рис. 33). При этом результаты измерений Эмилиани были выражены в градусах Цельсия, а данные Эриксона показывались кривыми, отражавшими лишь общие температурные тенденции. Следуя Аррениусу, Эмилиани обозначил свои палеотемпературные стадии порядковыми номерами, следующими сверху вниз. Черты сходства и различий графиков, построенных на базе этих двух методов, будут подробно рассмотрены в главе 11, здесь же отметим, что в том интервале, который соответствовал зонам W-Z схемы Эриксона и стадиям 6-1 схемы Эмилиани, они были в общем похожими. Но при более тщательном сравнении и здесь проступали досадные несоответствия. Так, зона X первой схемы оказалась короче стадии 5 Эмилиани, а во многих колонках последнего выявился отчетливый теплый интервал внутри стадии 3, которому не было аналога в зоне Y. Что же касается более древних частей колонок, то в их интерпретации было больше различий, чем сходства. Ненормально длинная зона V Эриксона на схеме Эмилиани не выглядела единой, а распадалась на несколько самостоятельных флуктуаций, а зона U, по Эриксону единая и холодная, на схеме Эмилиани состояла из трех стадий, две из которых-11 и 13-были теплыми. Причем на поиск удовлетворительного объяснения этих расхождений еще предстояло затратить почти целое десятилетие.

К 1963 году Эриксон, Юинг и Воллин добились значительных успехов в документации климатической истории плейстоцена. Проанализировав «более 3000 колонок, поднятых со дна всех океанов и краевых морей в 43 океанографических экспедициях, начиная с 1947 года... мы смогли обнаружить восемь, в которых была четко выражена граница резких изменений в составе ископаемых планктонных организмов». По их заключению, эта граница маркировала начало первой ледниковой эпохи плейстоцена. Одним из самых примечательных событий, приуроченных к данной границе, было вымирание океанских звездообразных водорослей-дискоастеров, что, по их определению, произошло около полутора миллионов лет назад.

Однако основная масса геологов продолжала сомневаться в правильности выводов, сделанных Эрик- соном и его коллегами. Хронология Эриксона, базировавшаяся на целом ряде труднодоказуемых утверждений, казалась проблематичной. Не вызывала особого доверия и предложенная им климатическая интерпретация всей последовательности зон menardii. Этот скептицизм не был развеян и выпущенной в 1964 году книгой «Океанские глубины и прошлое», в которой Эриксон и Воллин дали подробное описание своих методов. Ведь было известно: наряду с их концепцией существует и совсем другая, принадлежащая Эмилиани и основанная на данных по тем же океанам, а часто и по тем же самым колонкам.

К содержанию книги: Джон Имбри - Тайны ледниковых эпох