СТРАТИГРАФИЯ. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ, 2004, том 12, № 2, с. 7-32
УДК 551.581:55
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЛОБАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ ПО ГЕОЛОГИЧЕСКИМ ДАННЫМ
© 2004 г. Н. М. Чумаков
Геологический институт РАН, Москва Поступила в редакцию 15.07.2003 г.
Современные палеоклиматические данные позволяют установить следующие закономерности климатических изменений. 1. На протяжении трех миллиардов лет на Земле происходило медленное глобальное похолодание, выражавшееся в увеличении частоты, продолжительности и масштабов оледенений. По этим признакам в геологической истории можно выделить три климатических этапа: а) безледниковый (ранний архей), б) с эпизодическими оледенениями (поздний архей - средний рифей) и в) с частыми периодическими оледенениями (поздний рифей - ныне). 2. Направленные изменения климата осложнялось и маскировалось многочисленными наложенными друг на друга температурными колебаниями разной периодичности и амплитуд. В фанерозое устанавливается иерархия соподчиненных климатических колебаний 10-12 рангов, от сверхдлинных (первые сотни миллионов лет) до вну-тривековых (десятки лет). Следы климатических колебаний первых двух-трех рангов удается уловить в ледниковых разрезах протерозоя. 3. Иерархия климатических колебаний была устойчивой на протяжении, по крайней мере, фанерозоя. 4. Амплитуды климатических изменений определялись степенью синфазности составляющих элементарных климатических колебаний и характером их обратных связей в биосфере. 5. Теплый, безледниковый климат существенно преобладал в геологической истории не только в докембрии, но и в фанерозое. Суммарно он составлял больше 90% фанерозоя и более 95% послеархейской геологической истории. 6. Многие климатические колебания, в том числе все колебания первых рангов, были глобальными, синхронными и синфазными. 7. Региональные климатические изменения имели палеогеографические причины. 8. Глобальные климатические изменения вызывали трансформацию широтной климатической зональности. Вводится понятие глобальный климат, которое характеризует тип климатической зональности, существовавший на планете. Ма-крогеографические факторы трансформировали широтные климатические пояса в субширотные. 9. Выделяются два главных типа глобального климата: безледниковый и ледниковый. При смене безледникового климата на ледниковый или обратно на Земле происходили быстрые качественные перестройки зональности. 10. Каждый тип глобального климата подразделяется на градации. 11. Характерной особенностью глобального климата Земли было асимметричное расположение климатических поясов относительно экватора. В безледниковые периоды асимметрия проявлялась слабо, но чрезвычайно сильно возрастала во время оледенений, особенно великих.
Ключевые слова. Направленные климатические изменения, квазипериодические колебания, их иерархия, глобальность, синхронность, синфазность, климатическая зональность, ее перестройки, асимметрия.
ВВЕДЕНИЕ
Во второй половине прошлого века в главных чертах была понята история фанерозойского климата (Schwarzbach, 1974; Монин, Шишков, 1979 и др.) и выдвинут ряд гипотез о причинах климатических изменений (Монин, Шишков, 1979; Будыко, 1980; Ргакез ^ а1., 1992 и др.). В последнее десятилетие палеоклиматология сильно расширила свою фактологическую и методическую базы и претерпела качественные изменения, благодаря изучению трудно доступных регионов, бурению в океанах, широкому использованию новых подходов и методов (мобилистских палеогеографических реконструкций, геохимии стабильных изотопов, количественного послойного изучения разрезов разными методами, компьютерного моделирования климатов, многовариантного ма-
тематического анализа палеоботанических и ли-тологических данных и др.). Количество и качество палеоклиматических данных существенно возросло. Это дает сейчас возможность выявить в климатической истории Земли некоторые общие закономерности. Данные закономерности имеют эмпирический характер и наиболее ясно выражены в фанерозое, хотя некоторые из них улавливаются и в протерозое, особенно позднем. Часть этих закономерностей является основными, другие - в той или иной мере представляют их следствие. Некоторые закономерности - более очевидны, другие нуждаются в дальнейшем подтверждении и их правильнее рассматривать, как рабочие гипотезы.
Особенно много новых данных имеется по истории и динамике оледенений, соленакоплению,
Страти- Млрд. лет Климати- Оледенения
графи- PH палеошироты
шкала этапы циклы 30° 60° 90° | 1
Kz - 0 Q1
PH Mz - « 0.29 ПХ
hQ ш 1
Pz _ й и и д 0.15 P1
-0.5 е л и 0.16 O3 V2 ............;
V к о е
- V и д о и 0.14 V1
R3 - р е с ? 3
- 1.0 - ? - 3
pr2 R2 — ? — ?
R1 - 1.5
- « 1.201.45
PR, pr2 - 2.0 ы ш о к и и д е л и к о е V и д
- о и п m Гурон Грикватаун PR1
pr1 -2.5 1 Сариолий Метеорит Бор
- 0.6
А2
А Мозоан . 2 Витватерсранд 2 1 1 1 1 1 54321 число континентов
- 3.0 Безледниковый
Рис. 1. Распространение оледенений в геологической истории.
Сплошные тонкие горизонтальные линии - ледниковые эпохи (гляциоэпохи). Их длина пропорциональна максимальному распространению оледенений в данную эпоху (в фанерозое - палеоширотам, в докембрии - числу континентов). Обводящая штриховая линия - ледниковые периоды. А - архей; ПХ - мезозойское похолодание.
стабильным изотопам, обстановкам осадкона-копления, палеобиогеографии и т.д. Эти материалы позволяют производить качественные, полуколичественные и реже количественные оценки температурам и влажности климатов. Температурам уделено в работе основное внимание, так как они являются ведущим фактором, который определяет режим работы климатической системы Земли и обуславливает другие климатические параметры, в том числе масштабы и интенсивность глобального влагопереноса.
1. ДИНАМИКА КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ
В геологической ретроспективе достаточно ясно устанавливаются направленные, необратимые климатические изменения и наложенные на них квазипериодические климатические колебания.
1.1. Общая направленность климатических изменений. Об общей направленности климатических изменений на Земле можно судить по оледенениям. Их частота и масштабы, в общем, сильно возрастали со временем (рис. 1). Столь неравномерное распределение оледенений не может быть результатом только недостаточной изученности более древних отложений. В последние два -три десятилетия детальным геологическим картированием и поисками были охвачены почти все территории Земли, сложенные древними породами, в том числе и в слабо развитых странах. Были открыты многочисленные новые месторождения различных полезных ископаемых. При подобных обстоятельных исследованиях трудно было бы не заметить ледниковые отложения, которые обычно образуют крупные тела, имеют региональное распространение и привлекают внимание геологов своим неординарным видом и происхождением. Справедливость этого заключения подкрепляется тем, что масштабы оледенений на протяжении геологической истории возрастают и их временная структура усложняется. Кроме того, за последние 30-40 лет были существенно уточнены датировки и площади распространения ледниковых отложений, но практически не было открыто ни одного нового ледникового уровня. Основанные на астрономических предпосылках предсказания о том, что оледенения на Земле начались с раннего архея1 и повторялись, начиная с 3460 млн. лет назад, каждые 400-370 млн. лет (Steiner, 1978), не подтвердились. Нет также геологических свидетельств о длительном глобальном оледенении ранней Земли, которое предпо-
1 В данной работе используется российская стратиграфическая терминология и российская геохронометрическая шкала для докембрия (Семихатов и др., 1991; Семихатов, 2000; Решение III Всерос. совещ..., 2001). Для фанерозоя принимается геохронометрическая шкала Б. Харланда с соавторами (Harland et al., 1990) с уточнениями для кембрия (Семихатов, 2000).
лагалось многими исследователями в связи с представлениями о "слабом" раннем Солнце. По-видимому, поверхность нашей планеты в раннем архее была "прохладной" (Valley et al., 2002) лишь в том смысле, что ее температура была ниже 100°С и стало возможным существование на ее поверхности гидросферы.
Приведенные выше соображения позволяют считать, что имеющиеся в настоящее время данные отражают с достаточным для наших целей приближением реальное распространение оледенений в геологической истории.
Достоверных следов оледенений в раннем архее сейчас неизвестно. Первые следы оледенений, еще очень редкие и пространственно ограниченные, отмечаются в позднем архее в надгруппе Витватер-сранд (Hambrey et al., 1981) и группе Мозоан (Young et al., 1998), в пределах сравнительно небольшого кратона Каапваал в Южной Африке. Возраст этих оледенений оценивается приблизительно в 2.9 млрд. лет (Nelson et al., 1999). Оледенение Витватер-сранд было, видимо, предгорным или горным, а оледенение Мозоан - покровным, поскольку в этой группе в значительном количестве встречаются дропстоуны (следы айсбергового разноса).
Следующие оледенения произошли лишь в начале раннего протерозоя, т.е. спустя 600-700 млн. лет после позднеархейских оледенений. Ранне-протерозойские оледенения имели существенно большие масштабы и преимущественно покровный характер. Их отложения обнаружены сразу на 4-х удаленных друг от друга континентах: на Канадском щите (Young, 1970), в Южной Африке (Visser, 1981), на Балтийском щите (Marmo, Ojakangas, 1984) и в Западной Австралии (Martin, 1999; Eriksson et al., 1999). Ранее эти оледенения вместе с витватерсрандскими (которые тогда считались раннепротерозойскими) были объединены нами в канадскую гляциоэру (Чумаков, 1978). Теперь выяснилось, что витватерсрандские (и вообще каапваальские) ледниковые отложения имеют значительно более древний архейский возраст, а возраст собственно нижнепротерозойских ледниковых отложений на основании обобщения многих радиоизотопных данных оценивается в довольно узком интервале 2.3-2.2 млрд. - лет (Crowell, 1999). Поэтому следует отделить каапваальские от нижнепротерозойских ледниковых событий и говори
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.