ДРЕВНИЙ КЛИМАТ

Палеотермометрические исследования. Метод изотопной, магнезиальной палеотермометрии и стронциевый метод

Важное значение при палеоклиматических исследованиях принадлежит методам определения температуры воды древних морских и пресноводных бассейнов. Значения температуры не только позволяют уточнять качественные термические условия, установленные по составу литогенетических формаций, типам осадочных пород, ареалу распространения стенотермной фауны морских беспозвоночных и наземной фауны, по особенностям растительного покрова, но и дают возможность определить температурные условия тех частей морского бассейна, по которым отсутствуют палеоклиматические индикаторы, и особенно способствуют количественной оценке одного из важнейших показателей климата.

Метод изотопной палеотермометрии

Обоснование и развитие изотопной палеотермометрии связано с фундаментальными исследованиями Г.Лоуэнстама [54, 157, 158], Р. Боуэна [13], Р. В. Тейс, Д. П. Найдина и др. [85]. На основе установленной зависимости равновесного распределения тяжелого изотопа кислорода в воде и органогенном карбонате от температуры образования последнего и возможности сохранения первичного изотопного состава в ископаемых организмах, были определены температуры мелового и юрского периодов для Северной Америки и Европы.

Однако метод изотопной палеотермометрии имеет ряд ограничений. К их числу относятся неодновременная концентрация изотопов кислорода в скелетных карбонатах с температурой, т. е. неравновесное накопление 180 и 160 в некоторых организмах с изотопным составом кислорода воды, зависимость концентрации изотопов кислорода от водного фона или солености, нарушение первичного изотопного состава кислорода в ходе диагенетических преобразований скелетных карбонатов (загрязнение, вторичный обмен, полиморфизм карбоната кальция, перекристаллизация и т. д.). При сильном таянии ледников, когда усиливается приток пресных вод, морские воды обогащаются легким изотопом кислорода, а при развитии оледенений, наоборот, в связи с изъятием пресных вод увеличивается соленость и моря обогащаются тяжелым изотопом кислорода.

Многочисленные экспериментальные данные однозначно свидетельствуют о невозможности использования для палеотемператур- ных определений скелетов организмов, дышавших кислородом воздуха. Мало перспективны скелеты организмов, обитавших в приливно-отливной части моря, а также скелеты иглокожих, известковых водорослей и кораллов, которые в процессе жизнедеятельности могли соприкасаться с воздухом.

Нарушение прижизненного изотопного состава кислорода скелетных карбонатов в процессе диагенеза в определенной степени ограничивает применение этого метода. В этом случае происходит образование вторичного карбоната кальция, заполняющего поры, пустоты и щели скелета после отмирания организма. Довольно часто вторичный кальцит образуется на скелетах с рыхлой, пористой или ячеистой структурой (гастроподы, некоторые двустворчатые моллюски, панцири иглокожих), а также по трещинам, сколам и отверстиям, оставленным сверлящими моллюсками. Кроме того, изменение первичного изотопного состава происходит в результате обмена между водной массой и раковинами организмов на дне моря под воздействием иловых вод.

Метод магнезиальной палеотермометрии

Данный метод основан на изменении концентрации магния и отношения кальция к магнию в раковинах организмов от географической широты и глубины обитания организмов, в основе которого лежит температурный фактор. На возможность подобного определения температур указывали К. Чейв [120, 121] и Ч. Чилингар [122]. Между отношением кальция к магнию и температурой среды обитания существует обратная (гиперболическая) зависимость.

Т.С.Берлин и А. В. Хабаков [8—И] разработали и широко применили химико-аналитический метод оценки температур по магнезнальности карбонатных скелетов беспозвоночных. Разработанная ими палеотемпературная шкала магнезиальное™ ростров белемнитов свидетельствует, что на каждые 15 индексов магнезиальное™ температура изменяется на 1 °С.

Исследования последних лет обнаружили изменение концентрации магния и отношения кальция к магнию в зависимости от таксономической принадлежности организмов, и, следовательно, для объективного определения температур среды обитания организмов необходимо создание палеотемпературных шкал для отдельных отрядов и семейств, а возможно и для более низких таксономических единиц.

Исходя из распределения магния и изменения кальций-магниевых отношений в кальцитовых скелетах различных групп современных и ископаемых организмов, в которых эта величина зависит от температурных условий, были разработаны палеотемпературные шкалы [81]. Ввиду того что в раковинах, сложенных первичным кальцитом, по сравнению с арагонитовыми структурами лучше сохраняются прижизненные концентрации магния, эквивалентные реальным температурам, можно считать, что только формы с каль- цитовой раковиной являются пригодными для палеотемпературных определений.

Значительным ограничением метода магнезиальной палеотермометрии долгое время считалась соленость. На первых этапах Для снятия фона солености привлекались только стеногалинные организмы, в частности брахиоподы, белемниты, крупные форами- ниферы. Б дальнейшем были установлено, что исздсйстп"с солености на концентрацию магния в раковинах сказывается довольно слабо. Слабое засолонение или опреснение мало влияет на кальций-магниевое отношение.

По магнезиалыюсти раковин планктонных форм (планктонные фораминиферы, кокколитофориды) и организмов, обитавших в литоральной части (кораллы, брахиоподы, известковые водоросли, двустворчатые моллюски), определяются или средние годовые температуры или температуры наиболее теплого времени года приповерхностных зон морских бассейнов. По бентосным организмам мелкого или глубокого шельфа устанавливаются средние температуры среды обитания, в полной мере зависимые от глубины. Многие из используемых для палеотемпературного анализа организмов являлись эвритермными, т. е. они развивались в довольно широких температурных диапазонах. Например, брахиоподы, устрицы, пек- тиниды и другие двустворчатые моллюски обитали не только в тропических водах, но и в морях умеренного пояса. Организмы, обитавшие в тропических морях, наращивали раковины более или менее равномерно в течение года, и, следовательно, их магнези- альность отражает средние годовые температуры. Аналогичные формы, но из морей в субтропической или умеренной зоне наращивали раковины только в теплое время; следовательно, по ним определяются средние температуры теплого сезона. Средние годовые температуры независимо от местообитания устанавливаются по магнезиальное™ скелетных образований кораллов, мшанок, известковых водорослей, белемнитов и т. д.

Стронциевый метод палеотермометрии

Хотя концентрация стронция в раковинах морских организмов, по-видимому, не зависит от температурного режима, установлено, что в раковинах пресноводных моллюсков арагонитового состава она имеет палеотем- пературную значимость [103].

Определение кальций-стронциевых отношений, проведенное на 70 образцах современных пресноводных моллюсков, и сравнение их значений со средними годовыми температурами соответствующих мест обитания в реках северных, умеренных и южных широт СССР и тропической аридной области Африки позволили предварительно оценить пределы колебания этих отношений в зависимости от температурного режима. Отношения кальция к стронцию менее 100 характерны для тропических зон, а более 500 — для умеренно-холодного климата, причем коэффициент корреляции равен —0,94.

Стронциевый метод был применен для определения температурных условий плиоценовой и четвертичной эпох европейской части СССР [107]. Полученные абсолютные значения хорошо согласуются с палеотемпературными определениями методом магнезиальное™ прилегающих морей, палеоклиматическими и палеогеографическими данными.