Меловые аноксические события в Тихом океане
Ольга Савельева
«Природа» №9, 2014
 Об автореОльга Леонидовна Савельева — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (Петропавловск-Камчатский), доцент кафедры географии, геологии и геофизики Камчатского государственного университета им. Витуса Беринга. Область научных интересов — литология, стратиграфия. |
Меловой период — один из самых интересных в истории Земли. Это время очень теплого климата, когда на полюсах отсутствовали ледяные шапки. В океанах происходили гигантские подводные излияния базальтов, животный и растительный мир стремительно менялся. Любопытными явлениями, характерными для так называемых greenhouse (тепличных) условий, в том числе и для мелового периода, были океанские аноксические события (ОАЕ — oceanic anoxic event) — короткие (менее 1 млн лет), но глобальные эпизоды дефицита кислорода в морях и океанах [1]. Недостаток кислорода мог охватывать лишь придонную область бассейнов или распространяться на значительную часть водной толщи. Отсутствие в достаточных количествах кислорода предохраняло от окисления органические остатки, и на дне отлагались темные, обогащенные органическим углеродом (Сорг) прослои — черные сланцы. Таким образом захоранивались органическое вещество (ОВ) морского (планктонного или бентосного) происхождения, а также остатки наземной растительности, снесенные с суши. Углеродистые прослои встречаются в морских осадочных разрезах по всему земному шару. Следы одного и того же аноксического события обнаруживаются, например, в разрезах Европы, Северной Америки, северной Африки, Тибета, Японии, в скважинах глубоководного бурения в океанах и, следовательно, помогают в сопоставлении этих разрезов. Наибольшей концентрацией таких событий характеризуется средняя часть мелового периода (рис. 1).
Существуют различные гипотезы, объясняющие происхождение ОАЕ. Недостаток кислорода в океане, море или озере возникает, во-первых, из-за вялой циркуляции водных масс: кислород на дне расходуется на окисление органики, а нового не поступает. Во-вторых, аноксия может быть связана с активным размножением планктона в поверхностных водах. В слое воды — зоне кислородного минимума, — который располагается непосредственно ниже фотической зоны, происходит биохимическое и химическое разложение поступающего сверху ОВ. При этом расходуется содержащийся в воде кислород. Для осуществления такого механизма необходимо поступление в поверхностные воды большого количества питательных веществ, обычно не хватающих планктону. Вялая циркуляция и повышенная биопродуктивность могут действовать как одновременно, так и порознь. Чтобы восстановить палеообстановки и механизмы, приводящие к дефициту кислорода, для каждого конкретного бассейна и для каждого уровня ОАЕ необходимы тщательные исследования.
Наиболее детально изучены и подробно освещены в литературе проявления аноксии в узких океанах и полузакрытых морях мелового периода. Это Западный Тетис и прилегавшие к нему эпиконтинентальные моря, расширяющиеся Атлантический и Индийский океаны, Западный внутренний бассейн Северной Америки. В этих бассейнах действовали оба описанных механизма, хотя роль их менялась от события к событию [2]. В условиях открытого океана (Восточный Тетис, Тихий океан) аноксия, скорее всего, была связана только с повышенной биопродуктивностью. Именно здесь (особенно в областях, удаленных от берега) возможно изучение данного механизма в чистом виде.
Что известно об ОАЕ в Тихом океане?
При глубоководном бурении были получены интересные данные о следах меловых аноксических событий в Тихом океане (рис. 2). Сразу надо оговориться, что ОАЕ в разрезах могут распознаваться не только по наличию углеродистых прослоев, но и по изменению соотношения изотопов углерода 13С и 12С. Органическое вещество морского происхождения обогащено изотопом 12С, и увеличение доли его захоронения в осадках влечет за собой утяжеление углерода морской воды, а следовательно, и биогенных карбонатов.
Осадки мелового возраста, обогащенные Сорг, очень локализованы в своем проявлении. Морское, не переотложенное ОВ встречается лишь на подводных возвышенностях. Слои такого же возраста в Тихом океане, образовавшиеся на большей глубине, не содержат горизонтов, богатых Сорг. Предполагается, что во время аноксических событий содержание кислорода в зоне кислородного минимума падало, а сама зона становилась более мощной и протяженной. В нее входили и вершины подводных возвышенностей. В связи с этим в придонных водах не хватало кислорода для окисления органического вещества, и оно накапливалось в осадках. Причем органические прослои наблюдаются именно на тех возвышенностях, вершины которых совпадали с зоной кислородного минимума [5]. Вне ее, т. е. на мелководье и в пределах абиссальных равнин океана, органическое вещество окислялось.
Рис. 3. Кремнисто-карбонатный разрез, вмещающий два углеродистых прослоя (показаны стрелками). Камчатка, п-ов Камчатский Мыс. Здесь и далее фото автора
В связи с активизацией внутриплитного вулканизма подводные вулканические возвышенности в Тихом океане формировались в течение всего раннего мела и частично в позднем. На их вершинах накапливались пелагические карбонатные осадки с многочисленными горизонтами и прослоями кремней, нередко чередующиеся с вулканокластическим материалом. На этом фоне хорошо заметны тонкие (от нескольких сантиметров до 1,2 м) углеродистые прослои. ОВ в них морского, наземного или смешанного происхождения. Наземный растительный детрит и гумус принесены с островов. Анализ микрокомпонентов морского ОВ показал, что главными его производителями были одноклеточные водоросли и иногда — цианобактерии [4].
Бурение скважин в известняках с прослоями кремней сопряжено с большими трудностями, так как эти породы сильно различаются по прочности. Чаще всего на поверхность удается поднять только обломки кремней размером до 6 см с примазками мела или известняков. Около 80% материала просто истирается и теряется. При таких обстоятельствах трудно установить мощность отдельных слоев, в том числе и углеродистых прослоев. Реконструируются (обычно по фораминиферам, наннопланктону, радиоляриям) только общая последовательность напластования и возраст пород. К счастью, океанические отложения можно исследовать не только в океанах, но и на суше — в складчатом обрамлении Тихого океана. Здесь среди образований островных дуг и окраинных вулканических поясов обнаружены отдельные блоки, сложенные породами, которые сформировались в открытом океане на разном удалении от берега, в том числе и на подводных вулканических возвышенностях. Однако у разрезов складчатых комплексов есть свои недостатки. Они нарушены разломами, иногда перевернуты, заключены в отдельных глыбах и не имеют кровли и подошвы, органические остатки в них как правило сохранены хуже, чем в океане. Тем не менее, по этим разрезам можно изучать строение толщ, проводить детальное опробование, строить изотопно-углеродные кривые. Таким образом, данные, полученные из скважин глубоководного бурения и из разрезов складчатых комплексов, взаимно дополняют друг друга.
В разрезах Японии, а именно в группе Езо в центральной части о. Хоккайдо, обнаружены следы большинства известных меловых аноксических событий (ОАЕ1a, c, d, МСЕ и ОАЕ2) [6]. Терригенные (обломочные) вмещающие отложения образовались сравнительно недалеко от берега, в преддуговом прогибе, куда сносилось большое количество остатков наземной растительности. Здесь органикой обогащены не отдельные слои, а весь разрез. Уровни ОАЕ выделяются по данным изотопно-углеродного анализа, которые в очередной раз подтверждают глобальный характер аноксических событий.
Рис. 4. Переслаивание планктоногенных яшм и известняков, отложившихся в середине мелового периода на тихоокеанской подводной возвышенности. Камчатка, п-ов Камчатский Мыс
Проявления аноксических событий отражены и в породах, принадлежащих Францисканской формации Калифорнии [7]. Известняки в ассоциации с базальтами и радиоляриевыми кремнями накапливались в середине мелового периода (с апта по ранний турон). Они не содержат обломочного материала, принесенного с суши. В то же время сам факт наличия известняков говорит об отложении выше критической глубины карбонатонакопления — по-видимому, на подводных возвышенностях, подобных асейсмичным хребтам и океаническим плато. В частности, отмечено сходство известняков и кремней с аналогичными породами возвышенности Шатского, расположенной на северо-западе Тихого океана. По фораминиферам определен точный возраст известняков и вычислена скорость накопления осадков — 2,3–4,3 мм/тыс. лет, что также характерно для океанических отложений. Во Францисканской формации различают два типа известняков: серые (апт-сеноманские) и розово-красные (альб-нижнетуронские), формировавшиеся почти одновременно на разной глубине. Красные тона характерны для более глубоководных отложений, поскольку глубинные воды насыщены кислородом. В серых известняках обнаружены прослои, обогащенные ОВ, и изотопно-углеродные аномалии на уровнях OAE1a и OAE1d [8]. Отмечается также углеродистый прослой среднеаптского возраста. В розовых и красных известняках органических прослоев не найдено. Они накапливались ниже зоны кислородного минимума. Однако послойное изучение характерных ассоциаций фораминифер в этих породах показало, что в среднем и позднем сеномане (время, соответствующее событиям МСЕ и ОАЕ2) усиливался апвеллинг (подъем вод), выносящий на поверхность океана питательные вещества [7].
Рис. 5. Углеродистый прослой, соответствующий событию ОАЕ2. Камчатка, п-ов Камчатский Мыс
Сходная ассоциация пород наблюдается на Восточной Камчатке, на п-ове Камчатский Мыс. Здесь в составе смагинской свиты альб-сеноманского возраста среди ритмично переслаивающихся кирпично-красных яшм и розовых кремнистых известняков присутствуют два тонких прослоя, обогащенные органическим углеродом морского происхождения (содержание Сорг от 18 до 53%) [9–11] (рис. 2–5). Интервал между углеродистыми прослоями по радиоляриям датируется средним сеноманом [12]. Нижнему прослою соответствуют колебания изотопного состава углерода, сходные с наблюдающимися на уровне МСЕ в разрезах Атлантики, Италии и Японии [11]. Вероятнее всего, на Камчатке обнаружены следы аноксических событий МСЕ и ОАЕ2. В образовании известняков ведущую роль играл наннопланктон, а яшм — радиолярии. Эти породы не содержат обломочного материала, а спектр их редкоземельных элементов характерен для биогенных отложений открытого океана. С осадочными породами ассоциируют магматические породы в виде силлов и потоков толеитовых и щелочных базальтов, а также гиалокластитов. Все это говорит о том, что кремнистые и карбонатные осадки накапливались на подводной вулканической возвышенности. Отмечаются и другие черты сходства этих образований с меловыми отложениями Тихого океана: состав рядиоляриевых комплексов [12], низкая скорость осадконакопления и повышенное содержание кремнезема в породах вблизи углеродистых прослоев. В известняково-яшмовых пакетах п-ова Камчатский Мыс углеродистые прослои содержат вулканический материал [11]. Но и в скважинах в Тихом океане на уровнях аноксических событий и вблизи них также обнаружен разложившийся вулканический пепел [13]. Возможно, аноксические события как-то связаны со вспышками вулканизма?
Как возникали и развивались ОАЕ
Аноксические события в океане совпадают с эпизодами повышения температуры по сравнению со средними довольно высокими значениями мелового периода. Уровень СО2 в атмосфере в эти промежутки времени был в три-пять раз, а по некоторым оценкам, даже в пять-шесть раз больше, чем ныне. Предполагается также, что повышалось и количество других парниковых газов (водяного пара и метана). Аноксические события можно отнести к разряду геологических катастроф, но с другой стороны, ОАЕ способствовали уравновешиванию системы океан — атмосфера и приведению в норму глобального цикла углерода. Аккумуляция и захоронение огромного количества Сорг в это время вызывали падение уровня СО2 и относительное похолодание.
Рассмотрим более подробно механизм развития аноксии в открытом океане. Здесь наиболее важным фактором, который влияет на отложение углеродистых осадков, выглядит поступление питательных веществ в фотическую зону [14], вызывающее увеличение биопродуктивности планктона. Источники питательного вещества могут быть различными. Оно выносится на поверхность океана в зонах апвеллингов, поступает с суши, а также из вулканов и гидротерм [15]. Увеличение интенсивности этих процессов в меловом периоде создавало предпосылки для возникновения ОАЕ. В частности, с эпизодами глобального потепления в мелу многие исследователи связывают усиление процесса выветривания на континентах, который способствовал ускорению гидрологического цикла (круговорота воды) и увеличению выноса реками в океан питательных веществ. Однако влияние этого явления на биопродуктивность поверхностных вод ограничивалось лишь прибрежными областями.
На удалении от берега большую роль в перемешивании водной толщи, несомненно, играли апвеллинги. В соответствии с климатическим моделированием, движимая ветрами океанская циркуляция в Тихом океане мелового периода имела аналоги всех главных современных течений, кроме Антарктического циркумполярного. Главным было экваториальное течение с зоной дивергенции, которое опоясывало земной шар. В открытом океане заметную роль играли локальные апвеллинги над подводными возвышенностями [7].
В целом замедленная циркуляция океанских вод в меловом периоде, связанная с низким широтным температурным градиентом, казалось бы, способствовала ослаблению апвеллингов. Однако надо принять во внимание, что меловой океан характеризовался пониженным температурным и, следовательно, плотностным градиентами верхней части водной толщи. В современных океанах хорошо развита плотностная стратификация на низких широтах, а также сезонная — на средних широтах. Они сильно ограничивают вертикальное поступление питательных веществ. При таких условиях зоны повышенной продуктивности сосредоточены в прибрежных и высокоширотных водах, а также в узких полосах ветровой дивергенции (например, в районе экватора). В меловом периоде низкий плотностной градиент водной толщи приводил к возникновению апвеллинга при воздействии ветров меньшей силы [16]. Зоны повышенной продуктивности тогда, по-видимому, занимали большую площадь. Изотопно-кислородная палеотермометрия по раковинам фораминифер показала, что события ОАЕ1d и ОАЕ2 сопровождались полным разрушением температурной стратификации водной толщи океана и резким увеличением глубины перемешиваемого слоя.
Повышение температуры воды само по себе облегчало ее перемешивание. Кроме того, в периоды экстремального потепления возможно и увеличение скорости зональных ветров, вызывающих апвеллинги [15]. Ветровое перемешивание верхней толщи океана вызывало поступление из промежуточных вод питательных веществ, а тем самым — увеличение биопродуктивности, возрастание протяженности, мощности и интенсивности зоны кислородного минимума.
С чем же связаны эпизоды экстремального потепления в мелу? ОАЕ, как правило, начинались резко. Вероятно, толчком к их возникновению служили внешние относительно кратковременные события, о природе которых существуют разные гипотезы: от обусловленности ОАЕ периодическими изменениями орбитальных параметров Земли, влияющими на климат [17], до связи ОАЕ с интенсивным подводным базальтовым вулканизмом [14, 16, 18, 19].
На подъем глубинных вод к поверхности влиял не только ветер. Выделения газов и тепловой энергии при подводных извержениях могли также вызывать вулканогенный апвеллинг, который способствовал высокой продуктивности и, следовательно, увеличению потока органического углерода на дно [20]. Локальное поступление из гидротерм железа и других биогенных элементов также обеспечивало дополнительное повышение биопродуктивности [21]. Глобальные аноксические события были связаны, по-видимому, лишь с наиболее крупными импульсами вулканизма, с энергией, достаточной для выноса на поверхность океана глубинных вод, обогащенных питательными веществами.
Связь ОАЕ с интенсивным подводным базальтовым вулканизмом подтверждают исследования в Тихом океане. Хорошо изучены изменения палеоусловий в позднем барреме — раннем апте [22], вызванные подводными извержениями на плато Онтонг-Джава и Манихики, а также в расположенной между ними рифтовой системе Нова-Кантон (см. рис. 2). В течение 100 тыс. — 1 млн лет происходило извержение огромных объемов базальтов. Короткие импульсы извержений с большим объемом излившегося материала длились от нескольких дней до нескольких десятилетий [18]. С этим крупномасштабным проявлением вулканизма многие исследователи связывают образование осадков, обогащенных Сорг, в течение ОАЕ1а не только на тихоокеанских вулканических возвышенностях, но и по всему миру. Как уже упоминалось, на подводных возвышенностях с углеродистыми прослоями нередко ассоциируют слои измененного вулканического пепла [13]. Повышение содержания кремнезема в осадках на уровне ОАЕ1а также легко объяснимо. Вулканизм сопровождался поступлением СО2 в океан и атмосферу. Это вызвало уменьшение рН морской воды, увеличение растворения карбоната и глобальный кризис известкового планктона. В осадках резко понизилась доля нанноконид с крупными тяжелыми скелетами [22]. В пределах зоны кислородного минимума дополнительные порции СО2 выделялись при разложении органического вещества, что способствовало активному растворению известковых скелетов как в толще воды, так и в осадке.
Событие ОАЕ2 также совпадает во времени с проявлениями вулканизма. Доказательства этому обнаружены в разрезах Тихоокеанского и других регионов. К сеноману относится вулканическая деятельность на Карибском плато (94–93 млн лет назад ), возобновление активности на плато Онтонг-Джава (96–84 млн лет назад) и в центральной части плато Кергелен (95–85 млн лет назад) [16]. Давно установлено обогащение металлами осадков вблизи сеноман-туронской границы в районах, приближенных к Карибскому плато [23]. Металлы поступали из гидротерм в океанскую воду, участвовали в различных химических реакциях и в конце концов транспортировались на дно и аккумулировались в осадках [18]. Импульсы вулканизма также породили изотопные аномалии в осадочных разрезах на уровне события ОАЕ2: уменьшилось соотношение изотопов 87Sr/86Sr [16] и 187Os/188Os [19]. Последнее свидетельство особенно важно, так как короткое время пребывания в океане Оs (тысячи лет) позволяет обнаружить короткие флуктуации изотопного состава морской воды. Низкие значения 187Os/188Os сохраняются в течение события ОАЕ2, указывая на вулканическую активность и гидротермальный привнос осмия на протяжении всего времени формирования черных сланцев.
* * *
Десятилетия исследований аноксических событий в океане подтвердили их широкую распространенность и синхронность. Если в бассейнах океана Тетис и ранней Атлантики возникновение аноксии могло иногда определяться локальными факторами (ограниченной циркуляцией водных масс), то в условиях открытого океана особенно отчетливо видна связь ОАЕ с глобальными кратковременными событиями, которые вызывали высокую биологическую продуктивность поверхностных вод. В теплом меловом океане можно представить себе такую схему развития ОАЕ: вспышка базальтового вулканизма → глобальное потепление, усиление апвеллингов → насыщение поверхностных вод питательными веществами → повышение биопродуктивности → увеличение потока ОВ на дно. В итоге на подводных возвышенностях происходило отложение углеродистых осадков.
Океан — огромная очень сложная система, не поддающаяся полностью моделированию даже в ее современном состоянии, не говоря уже о прошлых эпохах. На нее оказывают влияние изменения климата, жизнедеятельность организмов, вулканизм и многие другие факторы. Результатом их взаимодействия в частности представляются ОАЕ, развивавшиеся в обстановках, совершенно не схожих с современными. Тем интереснее изучать причины таких событий, постигать сложную взаимосвязь явлений, по крупицам собирая факты и открывая для себя таинственный мир мелового периода.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект № 10-05-00065.
Литература
1. Schlanger S. O., Jenkyns H. C. Cretaceous oceanic anoxic events: Causes and consequences // Geologie en Mijnbouw. 1976. V. 55. P. 179–184.
2. Jenkyns H. C. Geochemistry of oceanic anoxic events // Geochem. Geophys. Geosyst. 2010. V. 11. № 3. Article № Q03004.
3. Басов И. А., Вишневская В. С. Стратиграфия верхнего мезозоя Тихого океана. М., 1991.
4. Dumitrescu M., Brassell S. C. Compositional and isotopic characteristics of organic matter for the early Aptian Oceanic Anoxic Event at Shatsky Rise, ODP Leg 198 // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2006. V. 235. P. 168–191.
5. Dean W. E., Claypool G. E., Thiede J. Origin of organic-carbon-rich mid-Cretaceous limestones, Mid-Pacific Mountains and Southern Hess Rise / Reds. J. Thiede, T. L. Vallier, Ch. G. Adelseck // Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project. V. 62. Washington, 1981. P. 877–890.
6. Takashima R., Kawabe F., Nishi H. et al. Geology and stratigraphy of forearc basin sediments in Hokkaido, Japan: Cretaceous environmental events on the north-west Pacific margin // Cretaceous Research. 2004. V. 25. P. 365–390.
7. Sliter W. V., Premoli Silva I. Age and origin of Cretaceous planktonic foraminifers from limestone of the Franciscan complex near Laytonville, California // Paleoceanography. 1990. V. 5. № 5. Р. 639–667.
8. Robinson S. A., Clarke L. J., Nederbragt A., Wood I. G. Mid-Cretaceous oceanic anoxic events in the Pacific Ocean revealed by carbon-isotope stratigraphy of the Calera Limestone, California, USA // GSA Bulletin. 2008. V. 120. № 11–12. P. 1416–1426.
9. Хотин М. Ю. Эффузивно-туфово-кремнистая формация Камчатского Мыса // Труды ГИН. Вып. 281. М., 1976.
10. Савельева О. Л. Меловые океанические аноксические события: обзор современных представлений // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2010. № 1. Вып. 15. С. 45–55.
11. Савельева О. Л. Меловой палеоклимат. Ритмичность осадконакопления и следы аноксических событий в меловых (альб-сеноманских) отложениях Восточной Камчатки. Саарбрюккен, 2011.
12. Палечек Т. Н., Савельев Д. П., Савельева О. Л. Альб-сеноманские радиолярии Камчатского Мыса (Восточная Камчатка) // Стратиграфия. Геологическая корреляция. 2010. Т. 18. № 1. С. 67–87.
13. Vallier T. L., Jefferson W. S. Volcanogenic sediments from Hess Rise and the Mid-Pacific Mountains / Reds. J. Thiede, T. L. Vallier, Ch. G. Adelseck // Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project. V. 62. Washington, 1981. P. 545–557.
14. Erba E., Bartolini A., Larson R. L. Valanginian Weissert oceanic anoxic event // Geology. 2004. V. 32. № 2. P. 149–152.
15. Jones C. E., Jenkyns H. C. Seawater strontium isotopes, oceanic anoxic events, and seafloor hydrothermal activity in the Jurassic and Cretaceous // American Journal of Science. 2001. V. 301. P. 112–149.
16. Leckie R. M., Bralower T. J., Cashman R. Oceanic anoxic events and plankton evolution: Biotic response to tectonic forcing during the mid-Cretaceous // Paleoceanography. 2002. V. 17. № 3. P. 1–29.
17. Mitchell R. N., Bice D. M., Montanari A. et al. Oceanic anoxic cycles? Orbital prelude to the Bonarelli Level (OAE2) // Earth and Planetary Science Letters. 2008. V. 267. P. 1–16.
18. Snow L. J., Duncan R. A., Bralower T. J. Trace element abundances in the Rock Canyon Anticline, Pueblo, Colorado, marine sedimentary section and their relationship to Caribbean plateau construction and ocean anoxic event 2 // Paleoceanography. 2005. V. 20. PA3005.
19. Turgeon S., Creaser R. A. Cretaceous oceanic anoxic event 2 triggered by a massive magmatic episode // Nature. 2008. V. 454. P. 323–326.
20. Price G. D. New constraints upon isotope variation during the early Cretaceous (Barremian — Cenomanian) from the Pacific Ocean // Geol. Mag. 2003. V. 140. № 5. P. 513–522.
21. Sinton C. W., Duncan R. A. Potential links between ocean plateau volcanism and global ocean anoxia at the Cenomanian-Turonian boundary // Econ. Geol. 1997. V. 92. P. 836–842.
22. Erba E., Tremolada F. Nannofossil carbonate fluxes during the Early Cretaceous: Phytoplankton response to nutrification episodes, atmospheric CO2, and anoxia // Paleoceanography. 2004. V. 19. PA1008.
23. Orth Ch. J., Attrep Jr. M., Quintana L. R. et al. Elemental abundance anomalies in the late Cenomanian extinction interval: a search for the source(s) // Earth and Planetary Science Letters. 1993. V. 117. P. 189–204.
Рис. 1. Стратиграфическая позиция аноксических событий мелового периода [2, с добавлениями]