Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Климатическая система Земли и Атлантическая меридиональная циркуляция 14
1.1. Современные поверхностные гидрологические условия в Северной Атлантике 14
1.2. Общая характеристика современных донных осадков Северной Атлантики 18
1.3. Основные механизмы смены климатических режимов в четвертичное время 20
1.3.1. Изотопно-кислородная шкала 20
1.3.2. Циклы Миланковича и орбитальная теория климатических изменений 24
1.3.3. Взаимосвязь Атлантической меридиональной циркуляции и климатических колебаний 26
1.3.4. События Хайнриха и регуляция Атлантической меридиональной циркуляции. 28
1.4. Динамика Северного полярного фронта и Северо-Атлантического течения во время последних 190 тыс. лет 31
1.5. Особенности поверхностной циркуляции в Северной Атлантике во время последнего ледниково-межледникового перехода и голоцена 48
1.6. Выводы 56
Глава 2. Применение комплексного подхода для реконструкции палеоциркуляции в Северной Атлантике .. 57
2.1. Местоположение исследуемых колонок и их общая характеристика 57
2.2. Стратиграфическое подразделение исследуемых колонок 60
2.2.1. Относительное содержание карбоната кальция 61
2.2.2. Содержание терригенного материала, разносимого айсбергами (IRD) 62
2.2.3. Абсолютный возраст осадков (14С и 230Thизб) 65
2.2.4. Соотношение стабильных изотопов кислорода (18О) 67
2.3. Временные шкалы 68
2.4. Фораминиферовый анализ 72
2.4.1. Соотношение видов в исследуемых колонках и их основные экологические предпочтения 76
2.4.2. Выбор метода реконструкции палеотемператур 81
Глава 3. Динамика видового разнообразия планктонных фораминифер и колебания палеотемператур в течение последних 190 тыс. лет 89
3.1. Средний плейстоцен-голоцен (190-0 тыс. лет назад) . 89
3.1.1. Соотношение видов 89
3.1.2. Палеотемпературы, 18О и IRD 93
3.2. Последний ледниково-межледниковый переход и голоцен (20-0 тыс. лет назад) . 96
3.2.1. Соотношение видов 96
3.2.2. Палеотемпературы и IRD 99
Глава 4. Основные черты миграций Северного полярного фронта и региональной конфигурации Северо-Атлантического течения на протяжении последних 190 тыс. лет 104
4.1. Интерпретация результатов 104
4.2. Ледниковые интервалы. 108
4.3. Межледниковые интервалы . 113
4.4. Последний ледниково-межледниковый переход и голоцен 120
4.4.1. Холодные интервалы . 121
4.4.2. Теплые интервалы 125
Заключение 127
Список литературы . 130
Приложение 1 . 156
Приложение 2 . 161
Приложение 3 . 166
- Общая характеристика современных донных осадков Северной Атлантики
- Взаимосвязь Атлантической меридиональной циркуляции и климатических колебаний
- Содержание терригенного материала, разносимого айсбергами (IRD)
- Последний ледниково-межледниковый переход и голоцен (20-0 тыс. лет назад)
Введение к работе
Актуальность исследования. В последние десятилетия заметно обострилась озабоченность человечества резкими колебаниями климата. Для понимания и оценки климатических изменений, происходящих в настоящем, необходимы надежные реконструкции физических параметров океана в прошлом. На основе данных этих реконструкций создаются и корректируются глобальные циркуляционные модели, используемые для предсказания климатических изменений (Broecker, 1991; Oppo and Lehmann, 1995; Kucera et al., 2005).
Одной из важных фундаментальных задач океанологии является изучение глобальных изменений палеоклимата. Проблема глобального изменения климата нашла отражение во многих работах, посвященных палеоокеанологии (Бараш, 1988; Broecker, 1991; Ganopolski and Rahmstorf, 2001; Лукашина, 2008; Матуль, 1994; 2009; Иванова, 2006 и др.). Эта проблема входит в число приоритетов политики РФ (О климатической доктрине, 2009; Об утверждении приоритетных направлений развития науки.., 2011).
Сегодня очень важно иметь детальные реконструкции позднечетвертичных изменений палеоциркуляции в открытой части Северной Атлантики, где захоронена непрерывная осадочная летопись, обеспеченная, в том числе микрофоссилиями.
Северная Атлантика – ключевой район, где осуществляется Атлантическая меридиональная циркуляция, поддерживающая глобальный океанский конвейер, и происходит перенос тепла из низких широт в Северную Европу посредством Северо-Атлантического течения (Broecker, 1991; Chapman and Maslin, 1999; Ganopolski and Rahmstorf, 2001). Она оказывает существенное влияние на глобальный климат, а также на климат Северной Европы, в частности, Европейской части России, посредством изменения интенсивности затока теплых и относительно соленых вод Северо-Атлантического течения в Балтийское море (Matthus, 2006; Rinterknecht et al., 2006; Harff et al., 2011).
Здесь происходит взаимодействие двух элементов планетарной циркуляции: распространяющихся с юга на север относительно теплых и соленых вод Атлантики и проникающих из приполярных областей к югу более холодных и распресненных вод. Обусловленная этим взаимодействием климатическая фронтальная зона, где пространственные градиенты температуры значительно обострены по сравнению со средними фоновыми градиентами, называется Северным полярным фронтом (Баранов, 1972; Родионов и Костяной, 1998).
Исследования миграций Северного полярного фронта, определяющего положение Северо-Атлантического течения, сосредоточены в основном на характерных периодах (Bard et al, 1987; Lowe et al., 1994; McManus et al., 1994; Eynaud et al., 2009). Данные о миграциях фронта на длительном непрерывном отрезке времени достаточно редки (McIntyre et al., 1972). Кроме того, во многих работах для реконструкций миграций фронта не привлекались палеотемпературные данные (Eynaud et al., 2009; McIntyre et al., 1972).
Несмотря на большое количество работ, посвященных палеоциркуляции Северной Атлантики (Lamb, 1979; Broecker, 1991; Chapman and Maslin, 1999;
Ganopolski and Rahmstorf, 2001; Toggweiler and Key, 2001; Clark et al., 2002; McManus et al, 2002; Rahmstorf, 2006), вопрос о региональных изменениях конфигурации и интенсивности Северо-Атлантического течения, которое осуществляет основной транспорт тепла в северные широты, до сих пор остается открытым.
С точки зрения ледниковой теории современное межледниковье (голоцен) должно смениться очередным ледниковым периодом. Несмотря на это, голоцен длится уже более 12 тысяч лет, а результаты современных исследований, в том числе моделирования, регистрируют глобальное потепление (Kutzbach et al, 2010; Spielhagen et al., 2011). В связи с этим важно изучать кратковременные переходные состояния климатической системы, одним из которых является переход от последнего ледникового периода к голоцену. Для окраинных районов Северной Атлантики, в частности, в Норвежско-Гренландском бассейне, детальные палеореконструкции перехода от последнего ледникового максимума к голоцену имеются (Jansen and Erlenkeuser, 1985; Risebrobakken et al., 2003, 2011 и др.), но хорошие микропалеонтологические записи формируются именно в открытой Северной Атлантике в условиях меньшего разбавления осадков терригенным материалом, который в основном распространен на шельфе, материковом склоне и материковом подножии (Бараш, 1988).
Цель и задачи исследования. Цель – реконструировать динамику палеотемператур, а также миграции Северного полярного фронта и СевероАтлантического течения на непрерывном временном отрезке (в течение последних 190 тыс. лет) в конкретных точках Северной Атлантики с акцентом на периоде последнего ледниково-межледникового перехода и голоцена.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Выполнить реконструкции палеотемператур в Северной Атлантике в районе ледниковых миграций Северного полярного фронта для слоя воды 0-50 м.
-
Выявить основные черты миграций Северного полярного фронта и региональной конфигурации Северо-Атлантического течения на протяжении последних 190 тыс. лет.
-
Реконструировать поверхностные гидрологические условия в открытой части Северной Атлантики во время последнего ледниково-межледникового перехода и голоцена на основе палеотемпературных реконструкций для слоя воды 0-50 м.
Теоретическая и методологическая основа исследования. Основным подходом в палеоокеанологии является изучение морских донных осадков, которые представляют собой своеобразные геологические и палеоклиматические летописи. Содержащиеся в морских осадках планктонные фораминиферы проявляют высокую корреляцию с температурами поверхностного слоя океана, в котором они обитают. Поэтому их раковины, используются в качестве индикаторов изменения палеотемператур (Бараш, 1988; Kohfeld, 1996).
В настоящей работе были использованы следующие палеотемпературные методы: палеотемпературный метод М.С. Бараша (Бараш, 1988), Modern Analog Technique (MAT), или Современный аналоговый метод (Prell, 1985) и Revised
Analog Method (RAM), или Пересмотренный аналоговый метод (Waelbroeck et al., 1998).
Дополнительно были привлечены следующие методы:
микропалеонтологический анализ видового состава планктонных фораминифер с выявлением видов, являющихся индикаторами определенных гидрологических условий, а также литологические (содержание CaCO3, терригенного материала, разносимого айсбергами (IRD – iceberg-rafted debris), литологическое описание осадков) и геохимические (содержание 18О в раковинах планктонных фораминифер, 14С и 230Thизб датирование) методы.
Содержание СаСО3 определялось кулонометрическим методом на экспресс-анализаторе АН-7529 М в лаборатории геоэкологии АО ИО РАН. Литологическое описание колонок АМК-4438, АМК-4493 и АМК-4520 было выполнено в АО ИО РАН (Отчет о работах 48 рейса АМК, 2002; Дмитренко и др., 2009). Абсолютный возраст осадков колонки АМК-4438 определялся в лаборатории геохронологии и геоэкологии донных отложений Санкт-Петербургского государственного университета радиоуглеродным методом (по содержанию в карбонатных осадках изотопов 14С) и методом избыточного 230Th (230Thизб) (Кузнецов, 2008).
Анализ содержания стабильных изотопов кислорода (18О) был выполнен в лаборатории радиометрического датирования и изотопных исследований им. К. Лейбница Кильского университета на масс-спектрометре “Finnigan MAT 251” доктором Х.А. Баухом (АМК-4438) и доктором Н. Андерсеном (АМК-4520). Точность метода составляет 0,07.
В качестве материала для исследования были выбраны колонки АМК-4438, АМК-4493, АМК-4520, отобранные в 48-м рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш» (Отчет о работах 48 рейса АМК, 2002; Дмитренко и др., 2009). Дополнительно были использованы данные колонки М23414, отобранной в 17-м рейсе исследовательского судна «Meteor» (Helmke and Bauch, 2001; Kandiano and Bauch, 2003).
Особенность колонок – расположение на западной границе СевероАтлантического течения, которое определяло формирование поверхностных условий в этих районах в прошлом. Это дает возможность улавливать миграции течения по изменению палеотемператур поверхностного слоя океана.
Научная новизна. Предыдущие исследования палеоциркуляции были основаны в большей степени на реконструкциях палеотемператур для слоя 0-10 м или были выполнены для окраинных районов Северной Атлантики. Но для регистрации основных изменений поверхностной циркуляции необходимы реконструкции, охватывающие более глубинный слой воды. Так, известно, что вертикальная граница Северного полярного фронта достигает глубины около 200 м (Родионов и Костяной, 1998). В настоящей работе приведены значения палеотемператур, реконструированных для открытой части Северной Атлантики и рассчитанных для слоя 0-50 м.
Получены новые данные о миграциях Северного полярного фронта, о направлении этих миграций. Показано, что фронт мигрировал не только в направлении север-юг, но и в направлении запад-восток. Впервые по данным палеотемпературных реконструкций миграции фронта были изучены на
непрерывном временном отрезке (в течение последних 190 тыс. лет) в конкретных точках.
Впервые показано, что изменение региональной конфигурации СевероАтлантического течения в ранней фазе последнего межледниковья, а именно смещение основного потока Северо-Атлантического течения на северо-запад относительно своего современного положения, обусловлено положением Северного полярного фронта, мигрировавшего в северо-западном направлении.
На оригинальном материале удалось зарегистрировать миграции Северного полярного фронта и изменение активности Северо-Атлантического течения, оказывающих влияние на климат Северной Европы во время последнего ледниково-межледникового перехода и голоцена. Получены качественно новые данные для открытой части Северной Атлантики (слой воды 0-50 м), подтверждающие выводы об изменениях палеоциркуляции в прошлом на основе изучения температуры поверхности (слой 0-10 м).
Защищаемые положения:
-
В течение последних 190 тыс. лет Северный полярный фронт мигрировал относительно своего современного положения не только в субширотном (север-юг), но и в субмеридиональном (запад-восток) направлении, определяя пространственную ориентацию и струйность Северо-Атланического течения.
-
Смещение основного потока Северо-Атлантического течения на северо-запад во время последнего межледниковья связано с миграцией Северного полярного фронта к западу.
3. Резкие колебания климата во время последнего ледниково-
межледникового перехода и голоцена, зарегистрированные в открытой части
Северной Атлантики на основе реконструкций палеотемператур (слой воды 0-50
м), приводили к смещению Северного полярного фронта к югу относительно
его современного положения, а также к изменениям активности Северо
Атлантического течения, что совпадает с данными палеореконструкций,
полученными ранее для слоя воды 0-10 м.
Практическая значимость результатов исследования. Исследования палеоклимата и сопоставление данных реконструкций с климатическими колебаниями в настоящем, позволяют оценить характер и амплитуду климатических колебаний в межледниковое и ледниковое время и служат основой для климатических моделей и прогнозирования будущих изменений.
В связи с тем, что климат Европейской части России (в частности, Калининградской области) определяется интенсивностью северо-атлантического затока в «Европейские» моря, в том числе в Балтийское море, реконструкции миграций Северного полярного фронта и Северо-Атлантического течения во время последнего ледниково-межледникового перехода позволят оценить эффект этих изменений в Балтике. Другим прикладным аспектом для Балтийского моря является применение полученных данных для оценки влияния затоков теплых и относительно соленых вод на изменение биологических сообществ Балтики (биологические инвазии).
Личный вклад автора. Автором лично просмотрено 507 проб донных осадков в колонках АМК-4438, АМК-4493 и АМК-4520. Каждая проба просматривалась дважды: для определения видового разнообразия планктонных
фораминифер (не менее 300 раковин в пробе), а также подсчета зерен терригенного разноса айсбергов (IRD; не менее 300 зерен в пробе). По данным подсчета IRD были выделены события Хайнриха. В колонке АМК-4520 самостоятельно были отобраны раковины N. pachyderma (s) для анализа на содержание 18О (180 проб, не менее 30 раковин в каждой пробе). Данные изотопно-кислородного (содержание 18О), радиоуглеродного (14С), избыточного 230Th (230Thизб), и CaCO3 анализов были также обработаны самостоятельно.
На основе комплексного анализа с применением современных методов относительного и абсолютного датирования определен возраст осадочных разрезов, а также климатостратиграфия колонок (выделены слои с осадками и комплексами планктонных фораминифер, характерные для разных палеоклиматических обстановок). На основе данных фаунистического анализа с помощью нескольких методов (метод Бараша, МАТ и RAM) реконструированы зимние и летние палеотемпературы поверхностного слоя океана (0-10 м и 0-50 м). По палеотемпературным данным (слой 0-50 м) были выполнены реконструкции палеоциркуляции и построены палеокарты, отражающие изменение поверхностной циркуляции в открытой части Северной Атлантики во время последних 190 тыс. лет.
Реализация и апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на XIX Международной научной конференции (Школе) по морской геологии (Москва, 2011), VI Международной конференции «Микропалеонтология, микробиология, мейобентология и окружающая среда» (EMMM-2011, Москва, 2011), заседании секции Ученого совета АО ИО РАН (Калининград, 2011), конкурсе научных работ молодых ученых и специалистов Калининградской области (Калининград, 2011), коллоквиуме лаборатории палеоэкологии и биостратиграфии ИО РАН (Москва, 2012), 11-й Международной конференции по палеоокеанографии (ICP 11; Ситжес, 2013), XX Международной научной конференции (Школе) по морской геологии (Москва, 2013); Генеральной Ассамблее Европейского Союза Наук о Земле (EGU 2014; Вена).
Реализация результатов данного исследования проводилась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты №11-05-16058-моб_з_рос, №12-05-90818-мол_рф_нр, №12-05-00240-а, №13-05-90704-мол_рф_нр).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Работа изложена на 171 странице иллюстрирована 36 рисунками и 4 таблицами. Список литературы включает 254 наименования (42 – на русском, 212 – на иностранных языках).
Общая характеристика современных донных осадков Северной Атлантики
Донные осадки представляют собой своеобразную геологическую и палеоклиматическую летопись, расшифровка которой позволяет проводить надежные реконструкции палеоусловий, в которых они формировались и накапливались. Сохранившиеся в этих осадках останки организмов, так называемые микрофоссилии, в свою очередь, содержат информацию об условиях окружающей их среды. Исследованию морских осадков посвящено огромное количество работ (Безруков и Лисицын, 1960; Лисицын, 1969; 1974; 1978; Харин и др., 1987; Бараш, 1988; Хаин и др., 1997; Иванова, 2006; Лукашина, 2008; Helmke et al., 2001; 2002 и др.). Безруков П.Л. и Лисицын А.П. (1960) разработали классификацию осадков, в которой гранулометрическая характеристика осадка дается по преобладающей фракции.
В Атлантическом океане было проведено описание условий осадкообразования и распространения типов осадков (Sverdrup et al., 1946; Лисицын, 1974; Емельянов, 1981; 1989; Бараш, 1988). Установлено, что в Северной Атлантике терригенные айсберговые осадки сосредоточены у Гренландии, полуострова Лабрадор, острова Ньюфаундленд. Так называемый пояс IRD (Ruddiman, 1977) – зона наибольшего скопления айсбергового материала – располагается в районе между 40 и 60 с.ш., где происходило таяние основной массы айсбергов, направлявшихся с севера на юг, под воздействием теплых северо-атлантических вод.
Наиболее распространены в Атлантическом океане известковые отложения, представленные в основном кокколитово-фораминиферовыми илами (Лисицын, 1974; 1978; Бараш, 1988). Ниже 5000 м (так называемой глубины карбонатной компенсации) известковые осадки отсутствуют, так как на этих глубинах происходит растворение СаСО3 (Thurman and Trujillo, 2004). Важной характеристикой осадков является степень растворенности фораминиферовых комплексов. Для определения уровня максимальных изменений характеристик комплексов планктонных фораминифер – соотношения видов и численности раковин – было введено понятие лизоклина (Berger, 1968). Дальнейшие исследования планктонных фораминифер в этом направлении показали, что различные виды обладают разной устойчивостью к растворению, что обусловлено строением (толщиной) стенок их раковин (Berger and Piper, 1972). До глубин лизоклина комплексы планктонных фораминифер состоят из целых раковин отличной сохранности. Ближе к критической глубине сохраняются лишь наиболее устойчивые виды, свидетельствующие лишь о принадлежности комплексов к типам танатоценозов, поскольку каждой климатической зоне соответствуют определенные устойчивые виды (Berger, 1968; Бараш, 1988). В результате растворения комплекс обогащается фораминиферами, устойчивыми к растворению и обедняется видами с тонкими хрупкими раковинами (Лукашина, 2008).
В Западной Атлантике днища котловин в основном лишены фораминиферовых осадков, что объясняется распространением в этом регионе Атлантики агрессивных к СаСО3 придонных вод (Бараш, 1988). Изменение карбонатности в осадочных разрезах Северной Атлантики (вне шельфов и континентальных склонов) отражает соотношение активности терригенного и биогенного процессов осадконакопления и поэтому является важным и надежным климатостратиграфическим показателем (Бараш, 1988; Helmke et al., 2002), как и видовое разнообразие и соотношение в исследуемом комплексе карбонатных раковин планктонных фораминифер, приуроченных к определенному температурному диапазону. Четвертичный период является специфическим этапом в развитии Земли. Концепция четвертичного периода начала развиваться в первой половине 19 века. Ч. Лайель в своих работах впервые упомянул понятие «плейстоцен», а Ж. Денуайе впервые употребил термин «четвертичные отложения» в современном понимании (Бараш, 1988). Благодаря хорошей изученности и сохранности четвертичных ледниковых отложений, история оледенений и межледниковий восстанавливается достаточно легко по изменению соотношения тяжелых и легких изотопов кислорода (Короновский, Якушова, 1991). К наиболее известным проектам, в ходе которых были получены и датированы с помощью изменения соотношения легких и тяжелых изотопов кислорода ледовые керны, относятся Greenland Ice Core Project (GRIP; 1989-1992), и Greenland Ice Sheet Project (GISP; 1971-1981) (Johnsen et al., 1972; Alley et al., 1995; Wright, 2000).
Смена межледниковых и ледниковых эпох отражается также в изменении изотопно-кислородного состава карбонатного материала, содержащегося в морских глубоководных осадках. Холодные ледниковые периоды, для которых были характерны низкие температуры и накопление больших площадей ледовых покровов, маркируются увеличением 18О. Теплые межледниковые периоды, которые характеризуются высокими температурами и уменьшением площадей ледовых покровов, маркируются уменьшением 18О (Craig and Gordon, 1965; Wright, 2000). Для палеоклиматической корреляции осадочных колонок было предложено использовать изменения соотношения тяжелых и легких изотопов кислорода, выраженного как 18О (Emiliani, 1955; Shackleton and Opdyke 1973; Hays et al., 1976). Морская стратиграфия и хронология выполняется по сопоставлению со стандартными профилями SPECMAP (Imbrie et al., 1984; Martinson et al., 1987), а также некоторыми другими профилями: MD900963 (Bassinot et al., 1994), LR04 (Lisiecki and Raymo, 2005). Профиль LR04 является усовершенствованной версией. Возраст стандартных изотопно-кислородных шкал разработан с применением рассчитанных циклических изменений уровня солнечной радиации в высоких широтах северного полушария в прошлом, зависящих от распределения астрономических орбитальных параметров (Imbrie et al., 1984; Martinson et al., 1987; Hays et al., 1976). Первые изотопно-кислородные кривые, полученные на основе изучения раковин планктонных фораминифер, были введены И. Эмилиани. В соответствии с этой стратиграфией осадочные колонки стали подразделять на изотопно-кислородные стадии (ИКС) (Emiliani, 1955; Martinson et al., 1987; Бараш, 1988), которые в дальнейшем стали называться морскими изотопными стадиями (МИС). Нечетные стадии соответствуют холодным периодам и низкому содержанию 18О, четные – теплым периодам и высокому содержанию 18О. Проводя исследования колонок донных осадков в экваториальной Атлантике, Schott (1935) отнес верхний горизонт, содержащий тепловодную фауну планктонных фораминифер, к голоцену. Некоторые стадии, например, МИС 5 и 7 были подразделены на подстадии, так как внутри этих стадий наблюдались значительные изменения в соотношении 18О: теплые подстадии – а, с, е, холодные – b, d (Shackleton, 1969; Бараш, 1988).
Стратиграфическое подразделение осадочных разрезов из Северной Атлантики и Европы в основном совпадает, но названия характерных периодов отличаются (Рисунок 3). Так, современное межледниковье (голоцен) при стратиграфическом подразделении осадочных разрезов из Северной Атлантики было отнесено к МИС 1 (12-0 тыс. лет назад), последнее оледенение (Вислинское оледенение, или Вюрмское оледенение, в Европе) – к периоду от МИС 5 (d-a) до МИС 4-2 (110-12 тыс. лет назад), Валдайское оледенение, отмеченное на территории Восточно-Европейской равнины, – к периоду МИС 4-2 (70-12 тыс. лет назад), последнее межледниковье (Эмское потепление в Европе) – к МИС 5е (128-117 тыс. лет назад), Рисское, или Заальское оледенение – к МИС 6 (190-128 тыс. лет назад) (Mangerud et al., 1974; Wright, 2000; Gibbard and van Kolfschoten, 2004; Lisiecki and Raymo, 2005).
Взаимосвязь Атлантической меридиональной циркуляции и климатических колебаний
Океаническая циркуляция и глобальный климат Земли представляют собой сложные и взаимосвязанные системы. Поэтому исследования изменений палеоциркуляции используются в качестве основного параметра для реконструкции палеоклимата (Broecker, 1991; Rahmstorf, 2006; Thornalley et al., 2011 и др.). Известно, что активность глобального океанского конвейера зависит от интенсивности Атлантической меридиональной циркуляции (Ganopolski and Rahmstorf, 2001). В свою очередь, эти системы оказывают влияние на климат Земли (Broecker and Denton, 1990; Broecker, 1991; 2006; Peck et al., 2006; Rahmstorf, 2006; Thornalley et al., 2011). Вместе с тем результаты моделирования показывают, что стабильность Атлантической меридиональной циркуляции, наоборот, зависит от состояния климатической системы в целом (Clark et al., 2002). Как и в настоящее время, в периоды предыдущих межледниковий теплые и соленые воды Северо-Атлантического течения достигали Норвежско-Гренландского бассейна, где происходила интенсивная глубинная конвекция с активным формированием компонентов Северо-26 Атлантической глубинной воды. Это приводило к усилению Атлантической меридиональной циркуляции, стабилизации системы глобального океанского конвейера и, как следствие, к увеличению транспорта тепла в высокие широты и уменьшению площади арктических льдов (Broecker, 1991; Ganopolski and Rahmstorf, 2001; McManus et al., 2002; Wright et al., 2002).
Во время ледниковых периодов Северо-Атлантическое течение почти не проникало в Норвежско-Гренландский бассейн. В Арктике появлялся мощный ледниковый покров, Северный полярный фронт находился значительно южнее своего современного положения, вследствие чего адвекция теплой и относительно соленой северо-атлантической воды в высокие широты была затруднена. В результате Северо-Атлантическая глубинная вода формировалась южнее и в значительно меньших объемах, ослабляя глобальный океанский конвейер, что, в свою очередь, приводило к похолоданию как в высоких, так и в средних широтах (Duplessy et al., 1980; Broecker, 1991; Dokken and Jansen, 1999; Wright et al., 2002; Лукашина, 2008). Данные о взаимосвязях Атлантической меридиональной циркуляции и климатической системы Земли в прошлом и настоящем являются основой для построения современных климатических моделей (Kucera et al., 2005). Так, некоторые модели прогнозируют ослабление глобального океанского конвейера вследствие увеличения объема пресных вод в Арктическом средиземноморье (Cubasch et al., 2001; Rahmstorf, 1995; 1997; 1999). Наблюдения показывают, что в настоящее время уже происходит опреснение обширных территорий (Blindheim et al., 2000; Curry et al., 2003; 2005). Существуют также данные об интенсивном поступлении теплой и относительно соленой северо-атлантической воды в Норвежско-Гренландский бассейн в течение последних 2000 лет, что может привести к таянию арктических льдов и распреснению Арктического бассейна (Spielhagen et al., 2011). В то же время, существует мнение, что соленость северо-атлантических вод, поступающих в Норвежско-Гренландский бассейн, увеличивается, что свидетельствует об усилении Атлантической меридиональной циркуляции и стабилизации глобального океанского конвейера (Latif et al., 2000). Изменение глобальной океанической циркуляции связано также с колебаниями уровня Мирового океана (Rahmstorf, 2006). Так, во время последнего межледниковья (МИС 5е; 128-117 тыс. лет назад) уровень Мирового океана был на 6-9 м выше, чем в настоящее время (Kopp et al., 2009). Кроме того, последние исследования показали, что на протяжении МИС 5е уровень Мирового океана значительно варьировал, а величина его колебаний внутри этого интервала, вероятно, превышала 4 м/тыс. лет (Kopp et al., 2013). Во время ледниковых периодов образование гигантских ледяных шапок приводило к изъятию огромного количества пресной воды из Мирового океана и падению его уровня примерно на 150 м (Короновский, Якушова, 1991) по отношению к современному. В то же время, для последнего ледникового максимума было характерно понижение уровня Мирового океана на 121+5 м по сравнению с современным (Fairbanks, 1989). В контексте глобальных климатических изменений достаточно много внимания уделяется изучению резких кратковременных периодов мощной разгрузки айсбергов, так называемых событий Хайнриха (Heinrich, 1988; Bond et al., 1992; MacAyeal et al., 1993; Cortijo et al., 1997; Bond et al., 1999; Sarnthein et al., 2001; Hemming, 2004). События Хайнриха имели небольшую продолжительность (750 лет) и возникали с периодом примерно 5000-10000 лет, но, несмотря на это, имели более или менее продолжительный палеоклиматический эффект (Cortijo et al., 1997; Hemming, 2004). Во время событий Хайнриха, которым предшествовало накопление континентальных ледниковых массивов, большой объем холодной распресненной воды, образующейся при таянии айсбергов, поступал в Северную Атлантику и распространялся в поверхностном слое океана. В районах распространения этой талой воды образовывался галоклин, представляющий собой своеобразный изоляционный слой для водных масс и препятствующий вертикальному водообмену. Отсутствие вертикального водообмена во время событий Хайнриха приводило к ослаблению Атлантической меридиональной циркуляции и глобального океанского конвейера в целом (Heinrich, 1988; Maslin et al, 1995; Rasmussen et al., 1996; Cortijo et al., 1997; Vidal et al., 1997; Hemming, 2004 и др.).
Существуют данные, что во время некоторых событий Хайнриха теплая северо-атлантическая вода не распространялась севернее 50 с.ш. (Cortijo et al., 1997; Vidal et al., 1997; 1999; Bond et al., 1999; Eynaud et al., 2009), а точка глубоководной конвекции была смещена к югу относительно своего современного положения (Vidal et al., 1997). Природа событий Хайнриха до сих пор изучена недостаточно. По мнению одних авторов, эти события регулируются внешними механизмами, такими как уровень солнечной инсоляции и кратковременными изменениями температуры (Johnsen et al., 1992). Другие же (например, MacAyeal et al., 1993), описывают особый механизм изменений состояния Лаврентийского ледникового щита.
Содержание терригенного материала, разносимого айсбергами (IRD)
В исследуемых колонках были подсчитаны терригенные зерна IRD. Подсчет терригенных зерен проводился в каждой анализируемой пробе (507 проб донных осадков) под микроскопом МБС-10 во фракции 150 мкм. Каждая проба квартовалалсь до получения навески, содержащей не менее 300 терригенных зерен. Пробы с небольшим содержанием IRD просматривались полностью. Показатель IRD рассчитывался как количество зерен терригенного материала на грамм осадка (зерен/г).
По высокому содержанию IRD были идентифицированы события Хайнриха, имеющие общеизвестные датировки и используемые как опорные точки при стратиграфическом подразделении осадочных разрезов (Sarnthein et al, 2001). Кроме того, в колонках были выделены события, идентичные событиям Хайнриха, которые также характеризуются повышенным содержанием IRD, но пока не имеют общепринятых датировок, поэтому не используются в качестве надежных стратиграфических опорных точек.
Содержание зерен IRD в глубоководных осадках отражает распространение айсбергов в Атлантическом океане в прошлом, которые при таянии сбрасывали большой объем пресной воды, а также терригенного материала в Атлантику. Во время последнего межледниковья (128-115 тыс. лет назад) распространяющиеся из Норвежско-Гренландского бассейна и Лабрадорского моря айсберги, встречаясь с теплым Северо-Атлантическим течением, таяли, и основная масса IRD сбрасывалась и накапливалась вдоль Гренландии, Северо-Американского континента и прилегающих к нему островов, плоть до 50 с.ш. (Ruddiman, 1977).
Во время холодных периодов зерна IRD были распространены в Северной Атлантике в большом количестве, охватывая территорию от южных берегов Исландии до 40 с.ш. Максимальные объемы IRD сбрасывались в Атлантику во время последнего ледникового максимума по мере продвижения айсбергов из Лабрадорского моря и Норвежско-Гренландского бассейна на юг (Рисунок 18; Ruddiman, 1977). В зоне между 50 и 40 с.ш. происходило интенсивное таяние айсбергов под воздействием теплых северо-атлантических вод, в результате чего здесь образовалась зона наибольшего скопления IRD - так называемый пояс IRD (Ruddiman, 1977). Во время наиболее выраженных межледниковых интервалов (МИС 1, 5е) содержание зерен IRD в исследуемых колонках, как правило, не превышает 1000 зерен/г. Для колонки АМК-4438 дополнительно были получены абсолютные датировки (Таблица 3). Абсолютный возраст определялся в лаборатории геохронологии и геоэкологии донных отложений Санкт-Петербургского государственного университета радиоуглеродным методом (по содержанию в карбонатных осадках изотопов 14С) и методом избыточного 230Th (230Thизб) (Кузнецов, 2008).
Метод датирования с помощью измерения содержания радиоактивного изотопа 14C по отношению к стабильным изотопам углерода предложен Уиллардом Либби (Arnold and Libby, 1949; Libby 1955). Он основан на том, что все живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене, получая углерод из окружающей среды (Кеннет, 1987). После гибели организма углеродный обмен прекращается, радиоактивный углерод (14C) постепенно распадается. В результате его содержание в останках постепенно уменьшается. При этом содержание стабильных изотопов остается неизменным. Радиоизотоп 14C имеет период полураспада 5730 лет. Удельная активность углерода в живых организмах составляет примерно 0,3 распада в секунду на грамм углерода. Зная исходное соотношение содержания изотопов в организме и определив их текущее соотношение в биологическом материале масс-спектрометрическим методом или измерив активность методами дозиметрии, можно установить время, прошедшее с момента гибели организма (Кеннет, 1987). Радиоуглеродный метод имеет временные ограничения – он позволяет датировать с достаточной достоверностью осадочные разрезы возрастом до 50 тыс. лет. Погрешность датирования увеличивается с возрастом исследуемого осадка. Радиоуглеродное датирование карбонатных осадков колонки АМК-4438 проводилось с использованием методики синтеза бензола из карбонатных материалов с последующим измерением содержания 14С на сцинтилляционном счетчике. Радиоуглеродные даты пересчитывались в стандартные (с учетом поправки на отношение 13C/12С), календарный возраст рассчитывался с помощью программы CALIB 6.1.0. как среднее значение в пределах доверительного интервала калибровочной кривой +1 (R=52+19 – локальный резервуарный эффект, калибровочная кривая “Marine 09.14c”) (Stuiver and Reimer, 1993). Метод избыточного 230Th основан на образовании 230Th из 238U через 234U. Впервые его применил в 1907 г. Б. Болтвуд в Канаде (Кеннет, 1987). Предпосылками создания неравновесных методов датирования океанических отложений являлись работы Джона Джоли (Joly, 1908). Изотоп 230Th распадается со скоростью, определенной периодом полураспада 234U. С увеличением глубины концентрация в осадках 230Th убывает экспоненциально.
Возраст осадков в разрезе определяют, сопоставив концентрацию 230Th в них с его концентрацией в поверхностных осадках. Метод позволяет датировать события 50-300 тыс. лет, на отрезке, где 14С-датировки уже дают существенные ошибки (Кузнецов, 2008). Выделение изотопов урана и тория производилось с использованием оригинальной радиохимической методики (Kuznetsov et al, 2002; Кузнецов и др., 2007).
Последний ледниково-межледниковый переход и голоцен (20-0 тыс. лет назад)
Распределение видов планктонных фораминифер в колонке АМК-4520 во время последнего ледниково-межледникового перехода отражает изменения поверхностных палеоусловий в Северной Атлантике и свидетельствует о нестабильности этого периода (Рисунок 26).
Полярный вид N. pachyderma (s) составляет от 0 до 100% в комплексе и чутко реагирует на изменение поверхностных условий, а также маркирует холодные периоды. Содержание вида во время последнего ледникового максимума (23-19 тыс. лет назад; Mix et al., 2001) по мере перехода к голоцену снижается, но достаточно неравномерно. Во время холодных событий Хайнриха доля раковин вида в комплексе возрастает, снова снижаясь лишь во время теплых интервалов. Так, во время события Хайнриха 1 (Н1), произошедшего примерно 16 тыс. лет назад, относительное содержание N. pachyderma (s) достигало 100%. Во время позднего дриаса – лишь 50%. Резкое снижение доли раковин вида в комплексе (до 20%) произошло в беллинг-аллереде (14,2-12,8 тыс. лет назад). С наступлением голоцена относительное содержание вида стало уменьшаться, и в среднем и позднем голоцене было близко к нулю, а в исследуемых образцах раковины N. pachyderma (s) встречались единично. Постепенное уменьшение доли раковин вида в комплексе, начиная с периода 17 тыс. лет назад (ранняя дегляциация) сопровождается появлением и увеличением доли субполярных, умеренных и переходных видов: T. quinqueloba, N. incompta, G. bulloides, G. glutinata, G. inflata. Во время события Хайнриха 1 (Н1, 16; Hemming, 2004) и позднего дриаса (12,8-11,7; Lowe et al., 2008) содержание бореальных и тепловодных видов снижается (Рисунок 26).
Вид N. incompta достигает своего максимума в голоцене (60%), реагируя на снижение содержания N. pachyderma (s). Во время событий Хайнриха (ПД и Н1) содержание вида в комплексе резко снижается. Субполярный вид T. quinqueloba достигает до 12% в комплексе, реагируя на стремительное снижение содержания N. pachyderma (s) до 4-5%. Максимальное содержание T. quinqueloba приходится на средний голоцен. Оба вида (T. quinqueloba и N. pachyderma (s)) практически исчезают в позднем голоцене ( 3 тыс. лет назад), появляясь в комплексах лишь в единичных экземплярах. Содержание умеренного вида G. bulloides максимально в беллинг-аллереде и достигает в этот период 40%. В голоцене отмечено небольшое количество раковин вида по сравнению с другими видами в комплексе (до 30%). Вид G. glutinata появляется еще в период ранней дегляциации, реагируя на увеличение температур поверхностного слоя океана. Максимальные значения вида наблюдаются во время голоцена и составляют 20%. В целом в течение голоцена относительное содержание вида колеблется в пределах 8-20%. Переходный вид G inflata, предпочитающий подповерхностный нестратифицированный слой воды, довольно устойчив к колебаниям поверхностных температур океана, а также к растворению из-за наличия толстой стенки раковины, благодаря чему прекрасно сохраняется в комплексах. Тем не менее, вид реагирует на увеличение температур повышением доли раковин в комплексе планктонных фораминифер. Резкое увеличение относительного содержание вида до 15% во время беллинг-аллереда является свидетельством возобновления адвекции теплой северо-атлантической воды в высокие широты. Вид образует максимум в позднем голоцене (25% в комплексе). Космополитный вид G scitula и субтропический вид G hirsuta появляются в конце беллинг-аллереда и достигают своего мксимума в голоцене. Максимальное относительное содержание G. scitula наблюдается во время голоценового оптимума и составляет 2%. Максимальное содержание G hirsuta наблюдается в этот же период и составляет 2,5%. В среднем голоцене содержание обоих видов не превышает 1%. Значения палеотемператур, реконструированных с помощью методов MAT и RAM, практически совпадают. К крупным холодным интервалам, отмеченным на протяжении периода 20-0 тыс. лет назад, относятся последний ледниковый максимум, событие Хайнриха 1 и поздний дриас. К теплым интервалам относятся ранняя дегляциация и беллинг-аллеред (Рисунок 27). Минимальные палеотемпературы позднего плейстоцена наблюдаются во время последнего ледникового максимума: -1,1 С зимой и 0,5 С летом (МАТ) и -1,2 С зимой и 0,2 С летом (RAM). Резкий скачок палеотемператур произошел около 17 тыс. лет назад с началом периода ранней дегляциации, достигнув первого пика около 16,5 тыс. лет назад. Палеотемпературы поверхностного слоя океана в это время составили 1,9 С зимой и 4,7 С летом (МАТ) и 1,2 С зимой и 3,8 С летом (RAM). Этот период характеризуется также снижением 18О в раковинах N. pachyderma (s) с 4,6%о до 4,2%о, что свидетельствует об уменьшении площади ледовых щитов. Значения IRD в эти периоды составили 10000-15000 зерен/г Во время события Хайнриха 1 палеотемпературы снизились до 0 С зимой и 2,3 С летом (МАТ) и до -0,6 С зимой и 1,1 С летом (RAM), практически достигнув температур последнего ледникового максимума. Содержание 18О в раковинах планктонных фораминифер составляло 4,4%о, уменьшаясь по мере увеличения количества зерен IRD в образцах, что свидетельствует о мощной разгрузке айсбергов и увеличении объемов пресной воды в рассматриваемом районе в этот период. Количество зерен IRD во время этих событий было максимальным за весь исследуемый период - до 28000 зерен/г.
Второй теплый интервал (период беллинг-аллереда) сопровождался увеличением палеотемператур поверхностного слоя океана до 6,4 С зимой и 9,4 С летом (МАТ) и 6,9 С зимой и 10,1 С летом (RAM). При этом произошло уменьшение 18О в раковинах N. pachyderma (s) под действием продолжавшегося таяния ледниковых щитов и вливания пресной воды в Северную Атлантику. Содержание 18О на протяжении всего беллинг-аллереда не превышало 3,5%о. Этот период маркируется также резким уменьшением IRD до 5000-6000 зерен/г. Во время последнего холодного события позднего плейстоцена (поздний дриас) произошло снижение палеотемператур до 4,2 С зимой и 7,3 С летом (МАТ) и 4,4 С зимой и 7,7 С летом (RAM). Одновременно с этим наблюдается увеличение количества зерен IRD до 25000 зерен/г. Начало голоценового периода маркируется повышением палеотемператур, уменьшением 18О и количества зерен IRD в пробах колонки АМК-4520. Максимальные значения палеотемператур голоцена наблюдались во время раннего голоцена (голоценовый оптимум) и составили 11,6 С зимой и 15,2 С летом (МАТ) и до 11,7 С зимой и 15,2 С летом (RAM). Содержание 18О в раковинах планктонных фораминифер составило во время голоценового оптимума 3,2%о. Количество зерен IRD в колонке АМК-4520 в этот период не превышало 2000 зерен/г. К наиболее интересным для изучения холодным событиям голоцена относятся события 9,3 тыс. лет назад, 8,2 тыс. лет назад и Темные холодные века. Кроме того, в колонке был выделен Малый ледниковый период. Для холодного события раннего голоцена 9,3 тыс. лет назад характерно заметное снижение палеотемператур до 9,7 С зимой и 13,1 С летом (МАТ) и 9,6 С зимой и 12,9 С летом (RAM) (Рисунок 27). Содержание 18О в раковинах планктонных фораминифер во время события 9,3 тыс. лет назад увеличивалось, хотя и незначительно - примерно на 0,2%о. Примечательно, что это холодное событие наступило вслед за резким увеличением IRD до 10000 зерен/г.
