Введение Актуальность выбранной темы

Введение
Введение
Введение
Актуальность выбранной темы
Изучение палеоокеанологии дальневосточных морей и прилегающей части Тихого океана
является неотъемлемой составной частью исследований региональных и глобальных
изменений климата. Известно, что изменения климата оказывают огромное влияние на
среду обитания людей, экономику и социальные вопросы. Поэтому изучение
региональных и глобальных изменений климата и среды, их прогнозирование имеет
огромное практическое значение и является одной из наиболее важных проблем
человечества. Для достоверного прогнозирования изменений климата требуется
понимание физических, химических и биологических процессов и их взаимодействия в
климатической системе Земли океан-суша-атмосфера-ледники. Для этого очень важно
понять как климатическая система Земли функционировала в прошлом, и каковы
основные движущие механизмы, щ процессы их взаимодействия и взаимосвязи при
изменениях климата с
различной периодичностью.
Исторические источники содержат информацию различной степени достоверности о
климатических вариациях за последние сто или несколько сотен лет. Для получения более
длительных рядов климатических данных обычно используют сведения, "записанные" в
осадочных породах на континентах, в морях и океанах и в ледовых покровах Гренландии,
Антарктиды и горных ледников. Морские глубоководные осадки содержат более
длительные по времени записи и менее подвержены различного рода нарушениям при
седиментации, чем континентальные отложения, и с успехом используются для изучения
изменений климата и среды морей и океанов в прошлом.
Проводимые в работе исследования ограничены во времени поздним
плейстоценом и голоценом (последние 125 тыс. лет), когда уже А ^ сформировались
современные границы материков и океанов и основные
Введение
геоморфологические черты морей и океанов, а значит - основные характеристики
современной физической океанологии. Наиболее грандиозные изменения, происходившие
на поверхности Земли за последние 125 тыс. лет, - это смены ледниковых эпох, когда в
результате похолодания климата на континентах северного полушария образовывались
ледники и уровень моря падал на 120 метров, межледниковьями, когда при потеплениях
климата покровные ледники Северной Америки и Европы таяли частично или полностью
и уровень моря поднимался (Марков и др., 1968, Четвертичное оледенение, 1974). К
настоящему времени посредством преимущественно изотопно-геохимических (изотопный
состав кислорода раковин планктонных и бентосных фораминифер) исследований
морских осадков и их хронологии достоверно установлено, что такие климатические
изменения Земли с периодичностью в сотни и десятки тыс. лет индуцированы
изменениями приходящей солнечной инсоляции в высокие и умереные широты северного
полушария в летний период в результате изменения параметров орбиты Земли
относительно Солнца (эксцентриситета, наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты
и прецессии оси вращения) - так называемых орбитальных циклов Миланковича (Hays, et
al., 1976; Imbrie et al., 1984). Однако изменения палеоокеанологических условий,
происходившие в позднем плейстоцене и голоцене в связи с глобальными сменами
ледниковых эпох межледниковыми, в дальневосточных морях и северо-западной части
Тихого океана изучены значительно хуже, чем в других морях и океанах.
За прошедшее десятилетие в палеоклиматологии произошла революция в понимании
процессов и механизмов функционирования глобальной машины климата. В начале 90-х
годов в керне льда Гренландии были обнаружены 17-19 циклов быстрых изменений
климата за последние 70 тыс. лет (Dansgaard et al., 1993). Переходы из холодного
климатического состояния в теплое (так называемые Дансгор-Ошгер события)
происходили очень быстро, в течение нескольких десятков лет, и как показывают новые
данные, имели глобальный характер. Источником таких осцилляции предположительно
был океан (Alley,
Введение
Clark, 1999). Позже климатически обусловленные изменения палеоокеанологии с такой же
периодичностью были обнаружены в осадках северной части Атлантического океана
(Bond et al., 1993; Dokken, Janson, 1999). Кроме того, 6 раз за этот же период (60 тыс. лет)
происходил интенсивный распад Гренландского ледникового щита с массовым сбросом
армады айсбергов в Атлантический океан (события Хайнриха) (Heinrich, 1988; Bond et al.,
1993). Интенсивные исследования последних 3-5 лет, стимулированные работами по
Гренландским ледовым кернам, выявили подобные циклы в разных частях планеты, в том
числе и в северной части Тихого океана (Hendy, Kennett, 2000; Kiefer et al., 2001) и в
континентальном Китае (Wang et al., 2001). Новые факты о резких и быстрых изменениях
климата в прошлом могут существенно изменить наше представление об антропогенной
природе современного потепления. Поэтому проблема понимания механизмов,
управляющих глобальными изменениями климата, в т. ч. и на тысячелетней шкале,
является одной из важнейших научных и экономических проблем современности.
Представленная работа направлена на реконструкцию и изучение орбитально
индуцированных и суборбитальных квазипериодических изменений палеосреды и
седиментации Японского, Охотского и Берингова морей и северо-западной части Тихого
океана в плейстоцене и голоцене, а также их взаимосвязей с глобальными изменениями
климата. Дальневосточные моря географически значительно вдаются в прилегающую
сушу, и их климат и среда испытывают сильное влияние со стороны восточной части
Азиатского континента. С другой стороны, среда дальневосточных морей, которые
являются краевыми бассейнами и сообщаются с Тихим океаном посредством водообмена,
в значительной степени определяется гидрологией северозападной части Тихого океана и
в свою очередь также влияет на гидрологию прилегающей части Тихого океана
посредством охлаждения и опреснения поверхностных вод. Поэтому палеоокеанология и
седиментация дальневосточных морей очень чувствительны к региональным и
глобальным изменениям климата. Окраинные высокоширотные дальневосточные моря в
Введение
настоящее время обладают сезонным ледовым покровом, изменения которого в прошлом
являются дополнительным критерием региональных изменений климата прилегающей
суши и среды морских бассейнов. Кроме этого, дальневосточные моря являются
своеобразной ловушкой терригенного материала, поступающего с окраины прилегающего
континента, поэтому высокие скорости осадконакопления в них позволяют получить
высокоразрешающие записи изменения среды и климата в прошлом.
Берингово и Охотское моря являются одним из наиболее продуктивных районов
Мирового океана и могут играть значительную роль в изучении стока углекислого газа из
атмосферы в гидросферу и его захоронении в виде органического вещества в осадках этих
бассейнов. Изучение изменений и взаимодействия абиотической среды и экологических
структур планктонных и бентических биологических сообществ окраинных морей,
происходивших при вариациях климата в прошлом, чрезвычайно важно для понимания
экологии флоры и фауны дальневосточных морей в настоящем и прогнозирования их
изменений и биологической продуктивности морей в будущем.
Глобальные изменения климата и уровня моря, происходившие в позднем плейстоцене и
голоцене, несомненно оказывали сильное влияние на подготовку терригенного материала
на суше, способы транспортировки его на дно морских бассейнов и океанов,
гранулометрическую и минералогическую дифференциацию кластической компоненты
осадка при седиментации (Лисицин, 1978). Поэтому в работе большое внимание уделено
изучению литофизических параметров осадков в связи с изменениями климата и
литодинамики бассейнов (магнитной восприимчивости осадка и содержанию крупной
фракции, в том числе ледовому разносу).
В связи с вышеизложенным дальневосточные моря и прилегающая часть Тихого океана
представляются ключевыми районами для изучения природы быстро протекающих
гидрологических, седиментационных и биологических процессов (со значительными
изменениями среды в масштабе жизни одного
Введение
поколения) и климатических взаимосвязей океан - континент.
На современном этапе палеоокеанология дальневосточных морей (Японского, Охотского
и Берингова) и северо-западной части Тихого океана изучена значительно слабее северной
части Атлантического океана и других морей. Это объясняется высоким уровнем
карбонатной компенсации в данных бассейнах, что приводит к низкими концентрациями
биогенного карбоната кальция в осадках, и закрытостью до недавнего времени изучаемого
региона для зарубежных исследователей. В определенной степени это связано также с
тем, что современная система глубинной вентиляции вод в океанах (глобальный водный
конвейер (Broecker, 1997) формируется в высоких широтах северной части
Атлантического океана и в Южном океане вблизи Антарктиды, поэтому изучению
северной части Тихого океана уделялось меньше внимания. В настоящее время в северной
части Тихого океана не происходит образования глубинных вод (Warren, 1983); по своим
геохимическим параметрам глубинные воды северной части Тихого океана являются
наиболее старыми водами Мирового океана.
Есть предположение, что в настоящее время Охотское и Берингово моря в значительной
степени определяют вентиляцию промежуточных вод северной части Тихого океана
(Talley, 1991). В то же время остается во многом неясна роль дальневосточных морей как
в региональных, так и в глобальных климатических изменениях в прошлом. Исходя из
вышеизложенного, представляется, что изучение изменений палеоокеанологических
условий дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана в позднем
плейстоцене и голоцене является крайне актуальной проблемой для понимания
функционирования как региональных, так и глобальных климатических процессов и
взаимосвязей восточной окраины Азии и северной части Тихого океана.
Достоверное изучение изменений палеоклимата и палеосреды изучаемого региона во
времени и корреляция их с глобальными событиями и вариациями климата в соседних
территориях требует знания детальной стратиграфии и
Введение
надежной хронологии верхнечетвертичных осадков дальневосточных морей и северозападной части Тихого океана как временной основы для реконструкций. В связи с
недостаточной стратиграфической изученностью верхнечетвертичных осадков
дальневосточных морей и прилегающей части Тихого океана и слабо разработанной
временной шкалой осадков к периоду проводимых работ изучение палеоокеанологии
региона потребовало дополнительных хроностратиграфических исследований на
современном уровне с использованием изотопно-кислородной хроностратиграфии..,
радиоуглеродного датирования и других методов. Поэтому палеоокеанологические
исследования по отдельным дальневосточным морям и прилегающей части Тихого океана
в представленной работе предваряются изучением детальных хроностратиграфических
шкал верхнечетвертичных осадков региона. Мы использовали радиоуглеродное
датирование, изотопно-кислородные, геохимические, палеонтологические и
литофизические записи, полученные по опорным колонкам дальневосточных морей, и
разработанную по ним региональную тефрохронологию . Выявленные нами региональные
закономерности изменений во времени определенных геохимических,
палеонтологических и литофизических параметров в осадках региона преимущественно
определяются глобальными и региональными изменениями климата и среды, и поэтому
они также могут служить основой для построения региональных хроностратиграфических
шкал. Исследования по детальной стратиграфии и хронологии осадков изучаемого
региона тесно связаны с изменениями среды и палеоокеанологических условий
дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана, и эти два направления
исследований взаимно дополняют друг друга .
Цели и задачи работы
1. Разработка детальных стратиграфических и возрастных шкал верхнечетвертичных
осадков (за последние 125 тыс. лет) Японского, Охотского и
10
Введение
Берингова морей и северо-западной части Тихого океана на основе изотопно-кислородных
исследований, радиоуглеродного датирования и литостратиграфического изучения.
2. Реконструкция детальных изменений условий поверхностных вод, ледового покрова,
вентиляции промежуточных и глубинных вод, продуктивности и условий седиментации
дальневосточных морей и северозападной части Тихого океана во время оледенений и
межледниковий за последние 125 тыс. лет.
3. Изучение суборбитальных (в масштабе тысячелетий) изменений
палеоокеанологических и седиментационных условий дальневосточных морей и
прилегающей части Тихого океана за последние 60 тыс. лет и наиболее детально в
голоцене.
4. Корреляция во времени изменений палеоклимата и палеосреды дальневосточных морей
и северо-западной части Тихого океана с глобальными событиями и вариациями климата
на основе разработанной хронологической шкалы изученных осадков. Анализ
взаимодействий региональных и глобальных вариаций климата.
Защищаемые положения
1. Разработанные с использованием стандартной изотопно-кислородной
хроностратиграфии и радиоуглеродного датирования детальные стратиграфические
шкалы и возрастные модели верхнечетвертичных осадков Японского, Охотского,
Берингова морей и прилегающей части Тихого океана служат основой для реконструкции
палеоокеанологических событий в морских бассейнах изучаемого региона и корреляции
их с глобальными климатическими событиями позднего плейстоцена и голоцена
(последние 130 тыс. лет).
2. В Японском море выявлены кардинальные климатически обусловленные изменения
гидрологических условий поверхностных и глубинных вод, биопродуктивности и
седиментогенеза за последние 25 тыс.
Введение
лет, связанные с особенностями водообмена моря с Тихим океаном. Во времямаксимума
гляциоэвстатической регрессии моря последнего оледенения 17,3-14,8 тыс. лет назад
сокращение притока тихоокеанских вод более чем в 10 раз приводило к опреснению
поверхностных вод Японского моря более чем на 5 %о, усилению их стратификации и
ограничению вентиляции глубинных вод.
3. Интегральный поток терригенного материала ледового разноса в осадках центральной
части Охотского моря во время максимума последнего оледенения (ИКС 2) увеличивался
в 3 раза по сравнению с потоком позднего голоцена (С) при условиях, близких к
современным. В свою очередь увеличение образования морского льда в 2-3 раза
приводило к усилению формирования плотных вод на северном шельфе и более
интенсивной вентиляции промежуточных вод Охотского моря и, вероятно, северной части
Тихого океана в холодные климатические периоды.
4. Усиление ледовитости Охотского, Берингова морей и северо-западной части Тихого
океана во время наиболее холодных эпох позднего плейстоцена, соответствующих
изотопно-кислородным стадиям 2 и 4, приводило к кардинальным изменениям условий
среды, биопродуктивности и седиментации этих бассейнов.
Подтверждено предположение А. П. Жузе, что усиление ледовитости окраинных морей и
прилегающей части Тихого океана в эти периоды повлияло на экологическую смену в
комплексах диатомей преимущественно океанических видов на приледные
(неритические), обитающие во льдах и на кромке при таянии.
Средние потоки органического углерода, захоранивающиеся в осадках Охотского,
Берингова морей и прилегающей части Тихого океана во время максимума последнего
оледенения (ИКС 2), составляли соответственно около 0,5; 1,3-2; 5 и более от
аналогичных значений позднего голоцена (0-6 тыс. лет назад). Изменения первичной
палеопродукции региона, пропорциональные изменениям потоков органики в осадки,
позволяют оценить существенную роль
12
Введение
западной субарктики Тихого океана в стоке атмосферного углекислого газа в гидросферу
при похолоданиях климата.
5. В Охотском море выявлены короткопериодные, с периодичностью тысячелетий,
изменения гидрологии поверхностных вод, седиментации и климата региона в течение
последних 60 тыс. лет, преимущественно синхронные Дансгор-Ошгер климатическим
циклам Гренландии. В большинстве циклов во время изотопных стадий 2 и 3 более
длительные этапы наиболее суровых условий климата и среды с максимумами накопления
ледового разноса (стадиалы) завершались быстрыми относительными потеплениями
(межстадиалы). При терминациях холодных орбитально индуцированных периодов
(четные ИКС) резкие потепления климата региона и подъем уровня моря активизировали
аккумуляции на дне грубого терригенного материала.
Механизмы быстрых суборбитальных изменений климата в охотоморском регионе и
Гренландии обусловлены, вероятно, кроме изменчивости глобальной термохалинной
циркуляции вод, также и активным взаимодействием атмосферы и океана с быстрой
трансмиссией климатических событий в северном полушарии.
Научная новизна
1. Установленные хроностратиграфические шкалы верхнечетвертичных осадков
изучаемого региона на основе изотопно-кислородной хроностратиграфии и
радиоуглеродного датирования позволяют принципиально по-новому представить
(значительно детализировать и уточнить во времени) хроностратиграфию осадков региона
по сравнению с существующими ранее схемами на основе зональной стратиграфии,
климатостратиграфии и других методов исследований. Выявленные региональные
изменения во времени определенных литофизических и геохимических параметров
осадков региона и разработанная тефрохронология
13
Введение
позволяют проводить экспрессную хроностратиграфию осадков региона без проведения
дорогостоящих и трудоемких изотопно-геохимических методов.
2. На основании комплексных литологических, изотопно-геохимических и
палеонтологических исследований осадков получены принципиально новые результаты в
изменениях среды, ледового покрова, гидрологии, продуктивности и седиментации
Японского, Охотского, Берингова морей и прилегающей части Тихого океана в позднем
плейстоцене и голоцене как при смене ледниковых эпох межледниковьями, так и при
более быстрых изменениях в масштабе тысячелетий.
3. Выполненная реконструкция палеоокеанологических условий и седиментации
изучаемого региона на надежной временной основе позволила качественно по-новому
оценить взаимосвязи детальных изменений гидрологии, продуктивности, экологического
состава комплекса диатомей и седиментации в дальневосточных морях с региональными
вариациями климата за последние 125 тыс. лет и провести их корреляцию с изменениями
климата северного полушария.
Практическая значимость
Полученные результаты по стратиграфии верхнечетвертичных осадков дальневосточных
морей и северо-западной части Тихого океана и их временной шкале могут послужить
основой для составления детальных стратиграфических шкал отложений изучаемого
региона для исполь-зования их при поисках полезных ископаемых окраинных морей, и в
частности газогидратов.
Полученные результаты по изменениям среды, продуктивности и седиментации региона с
периодичностью десятков тыс. лет (орбитально индуцированные изменения) и тыс. лет на
достоверной временной шкале позволят прояснить механизмы протекания быстрых
изменений основных природных процессов в изучаемых акваториях и взаимосвязи их с
14
Введение
региональными и глобальными изменениями климата. Новая информация в развитии
гидрологических, биологических и седиментационных процессов в дальневосточных
морях и прилегающей части Тихого океана в прошлом позволит лучше понять
закономерности изменений климата и среды изучаемых бассейнов в настоящем и
прогнозировать их изменения в будущем.
Фактический материал и личный вклад автора
В основу диссертационной работы положены исследования морских глубоководных
осадков Японского, Охотского, Берингова морей и прилегающей части Тихого океана,
отобранных в рейсах ДВНЦ АН СССР и затем ДВО РАН. Автор непосредственно
участвовал в экспедиционных работах с отбором колонок донных осадков в следующих
рейсах: 37 рейсе НИС "Первенец", 3, 13 и 15 рейсах НИС "Каллисто", 34 рейсе НИС
"Вулканолог", 19 и 23 рейсах НИС Академик Александр Виноградов" и 25 рейсе НИС
"Академик Александр Несмеянов". Все рейсы выполнялись в рамках международных
программ с американскими и тайваньскими учеными. С 1996 по 2002 год автор
участвовал в четырех экспедициях в Охотское море, организованных в рамках российскогерманского проекта «КОМЕКС», на НИС "Академик Лаврентьев" и "Маршал Геловани".
Всего было отобрано свыше 200 колонок глубоководных осадков в изучаемом регионе.
Автор непосредственно участвовал в первичной обработке осадков, измерении магнитной
восприимчивости осадков и лабораторных анализах изотопного состава кислорода и
углерода раковин планктонных и бентосных фораминифер, отобранных из изучаемых
осадков.
Автор непосредственно участвовал в разработке детальной стратиграфии
верхнеплейстоценовых осадков дальневосточных морей и прилегающей части Тихого
океана и их временной шкалы. При этом автор активно взаимодействовал со
специалистами по минералогии, геохимии, литодинамике, палеонтологическим методам и
радиоуглеродному датированию при комплексных анализах осадков изучаемых колонок.
Личный вклад автора
15
Введение
свыше 200 колонок глубоководных осадков в изучаемом регионе.
Автор непосредственно участвовал в первичной обработке колонок, измерении их
магнитной восприимчивости и лабораторных анализах изотопного состава кислорода и
углерода раковин планктонных и бентосных фораминифер, отобранных из изучаемых
осадков.
Автор непосредственно участвовал также в разработке детальных
хроностратиграфических шкал верхнеплейстоценовых осадков дальневосточных морей и
прилегающей части Тихого океана. При этом автор активно взаимодействовал со
специалистами по минералогии, геохимии, литодинамике, палеонтологическим методам и
радиоуглеродному датированию при комплексных анализах осадков изучаемых колонок.
Личный вклад автора проявился также в теоретических обобщениях по палеоокеанологии
дальневосточных морей и северо-западной части Тихого океана в позднем плейстоцене и
голоцене, в формулировке и доказательстве всех положений, изложенных в разделах
«защищаемые положения» и «научная новизна». щ Публикации и апробация работы
По теме диссертации опубликовано более 70 статей , из них 51 в соавторстве. В
подавляющем большинстве коллективных публикаций диссертант является первым
автором. 15 статей опубликовано в зарубежных изданиях.
Основные положения диссертации докладывались на: I, II и III Всесоюзных съездах
советских океанологов (Москве, 1977, 1982 и 1987); 4-ой, 5-ой, 6-ой, 7-ой Всесоюзных
школах по морской геологии (Геленджик, 1980, 1982, 1984, 1986); XI Международном
конгрессе ИНКВА (Москва, 1982; 1-ой Всесоюзной школе "Стратиграфия и литология
мезозойско-кайнозойского осадочного чехла Мирового океана" (Одесса, 1984); I и III
советско-китайских симпозиумах (Находка, 1987, Владивосток 1989); III Тихоокеанской
школе по морской геологии, геофизике и геохимии (Находка, 1987); Всесоюзном
совещании «Биоседиментация в морях и океанах» (Теберда,1983); VII Всесоюзном
совещании по четвертичному периоду
16
Введение
(Таллинн, 1990); 5-ой и 7-ой международных конференциях по палеоокеанологии (Канада,
Галифакс, 1995, Япония, Саппоро, 2001); 4-ом и 8-ом международных совещаниях по
программе PICES (Владивосток, 1995, 1999); 45-ой Арктической научной конференции
«Мосты науки между Северной Америкой и Русским Дальним Востоком» (США,
Анкоридж, 1994); международном симпозиуме «Четвертичные изменения среды Азии и
западной Пацифики» (Япония, Токио, 1997); международном митинге по программе
PAGES (Past Global Changes) (Англия, Лондон, 1998); 2-ом и 3-ем российско-германских
совещаниях (Германия, Киль, 1999; Москва, 2000); международном совещании «Причины
изменения климата высоких широт» (Германия, Киль, 2002); международных совещаниях
по глобальным изменениям на Дальнем Востоке (Владивосток, 2000, 2002);
международном совещании по программе PAGES «Палеосреда высоких широт» (Москва,
2002); российско-китайском совещании "Эволюция палеосреды восточной Азии" (Китай,
Шанхай, 2001); международном симпозиуме «Связи суша-океан в восточной Азии и
северозападной части Тихого океана» (Япония, Саппоро, 2003).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и
списка литературы. Работа содержит 259 страниц, включая 45 рисунка, 7 таблиц и список
литературы из 261 наименований.
Работа выполнена в отделе геологии и геофизики Тихоокеанского океанологического
института им. В.И. Ильичева ДВО РАН .
17
Список литературы