Введение к работе
Диссертация посвящена разработке комплексного подхода к исследованию пространственно-временных закономерностей и причинно-следственных связей в процессах позднечетвертичных климатических изменений и геохимических процессов в океане по микропалеонтологическим и химическим данным, разработке статистических моделей разной степени сложности для палеореконструкций.
Актуальность четвертичных палеоокеанологических реконструкций для выявления закономерностей климатических изменений и климатических прогнозов подтверждается активным развитием этого направления исследований и разработкой новых моделей палеореконструкций, использующих все более развитые банки микропалеонтологических данных и новые математические подходы. Полученные данные открывают возможности для моделирования эволюции климата. Сходные работы осуществлены и осуществляются по ряду крупных международных проектов (SPECMAP, СОНМАР, EPOCH и др.), предлагаются новые методы палеореконструкций по микропалеонтологическим данным: "Modern Analogue Technique", "EPOCH Transfer Technique", SIMMAX Technique (Pflaumann, 1992; 1996, и др.).
Палеоокеанолсгические исследования в этом направлении весьма актуальны и это признано мировым научным сообществом и подтверждается большим количеством конференций и симпозиумов по этой тематике.
Проблема содержания и распределения элементов в океанской среде возникла одновременно со становлением океанологии и решалась в течение десятилетий на разных уровнях, определяемых представительностью океанологических данных и совершенствованием аналитической техники. Ее значение связано с познанием океанского осадко- и рудообразования и мониторингом природной среды, что
особенно важно в связи с загрязнением Мирового океана.
Редкоземельные элементы (РЗЭ) широко используются в качестве индикаторов характера и направления природных геохимических процессов, в частности, в океане. Однако вопрос об источниках РЗЭ в процессах океанского рудообразования решается далеко не всегда однозначно, особенно когда это касается объектов сложного генезиса.
Состав и источники вещества морских и океанских взвесей представляют значительный интерес для биологов, экологов, геохимиков и седиментологов, поскольку взвесь формируется под влиянием различных факторов океанской среды, включая живое вещество, а также избирательно накапливает иэ морской воды ряд элементов и представляет собой начальный этап формирования донных отложений, поэтому детальное рассмотрение химического состава нескольких представительных проб сепарационной взвеси из Атлантического и Тихого океанов позволяет прояснить вопрос о механизмах формировании океанских взвесей. Распределение редкоземельных элементов (РЗЭ) в природных объектах отражает определенные условия их формирования, благодаря чему состав РЗЭ является одним из индикаторов генезиса пород и руд. При этом многие геологические объекты характеризуются относительно стабильным составом РЗЭ в широком пространственном и временном диапазоне, что позволяет использовать этот состав в качестве геохимического эталона [Балашов Ю.А., 1976]. Особое значение такой подход может иметь при исследовании железомарганцевых рудных образований и фосфоритов со дна океана, Которые формируются под воздействием многих факторов океанской среды и, вероятно, при участии более чем одного источника рудного вещества.
Редкоземельные элементы (РЗЭ) широко используются в качестве индикаторов характера и направления природных геохимических процессов, в частности в океане. Однако вопрос об источниках РЗЭ в процессах океанского рудообразования решается далеко не всегда
однозначно, особенно когда это касается объектов сложного генезиса.
Основными критериями при обсуждении источников РЗЭ является сопоставления их нормализованных (относительно какого-либо эталона) содержаний или соотношения между отдельными парами РЗЭ, например Се/La, Sra/Eu, La/Yb. Но для более всесторонней оценки степени сходства составов РЗЭ при таком подходе следует, видимо, учитывать соотношения между всеми элементами, что при наличии большого массива аналитических данных возможно только путем применения вычислительной техники.
В морской геологии многие задачи связаны с анализом больших массивов данных. Такие массивы возникают в микропалеонтологии, геохимии, минералогии и др. областях морской геологии. Общей для всех этих областей Задачей является нахождение надежных связей между объектами исследования, которые обычно характеризуются рядом признаков. Целью настоящей работы является создание статистических моделей, адекватно описывающих исследуемые процессы. В рамках предлагаемого исследования организована система изучения массизов данных при помощи компьютерных программ, причем выбор структуры исследования зависит от характера решаемой задачи. В ходе ее выполнения решались следующие задачи. В микропалеонтологии -.
1. Построение баз данных и биостратиграфические исследования.
Анализ данных о содержании микрофоссилий в пробах из поверхностного слоя осадка методами иерархической классификации.
Исследование связей гидрологических характеристик водных масс с составом ископаемых комплексов микрофоссилий.
Объединение образцов в кластеры. Исследование причин "отскакивания" проб: неполнота базы данных, переотложения, растворение и т.д.
Объединение видов микрофоссилий в группы по признаку предпочтения сходных условий существования.
2. Создание и применение факторно-сплайновой модели
палеореконструкций.
Вычисление факторных нагрузок и факторов и привязка факторных нагрузок к гидрологии.
Реконструкции гидрологических характеристик океана по разрезам позднечетвертичных отложений.
3. Выделение климатостратиграфических уровней на
основе палеогидрологических кривых и по данным
абсолютных датировок. Согласование
палеогидрологических данных из колонок по времени.
4. Построение гидрологических полей для полученных
климатостратиграфических уровней.
5. Анализ полей температуры и солености и
вычисление других гидрологических характеристик по
гидродинамической модели.
В геохимии:
1. Обобщение данных о содержании химических
элементов в океанской среде и установлении связи
между ними при их миграции в системе морская вода -
живое вещество - взвесь - осадки - железомарганцевые
конкреции (ЖМК).
2. Прояснение вопроса об источниках РЗЭ в процессах
океанского рудообразования для объектов сложного
генезиса.
3. Создание моделей формирования фосфоритов для
контрастных обстановок фосфатогенеза по комплексу
структурных и геохимических параметров и
экспериментальным данным.
4. Детальное рассмотрение химического состава проб
сепарационной взвеси из Атлантического и Тихого
океанов и пробы эоловой взвеси и прояснение вопроса
об относительной роли возможных источников материала
взвесей.
Разработана и применена новая математическая модель интерпретации микропалеонтологических данных
для реконструкции палеоокеанологических условий. Модель обеспечивает полный цикл математической обработки и палеоокеанологической интерпретации эмпирических данных микропалеонтологических исследований осадков океанов и морей.
В модель включена возможность выборки из атласа Левитуса гидрологических характеристик (температуры и солености) в тех точках Мирового океана, где имеются пробы поверхностного слоя осадка.
Создана система компьютерных программ кластерного анализа комплексов различных групп микроорганизмов (фораминифер, радиолярий, диатомей), позволяющая выделить группы видов или группы проб по степени схожести состава.
В модели реконструкции палеосреды впервые предложены способы, увеличивающие точность палеореконструкций, в частности многомерная сплайновая интерполяция вместо линейной или квадратичной регрессий, принятых в других подобных моделях.
Новая модель позволяет реконструировать трехмерные поля гидрологических параметров (температура, соленость) для четырех сезонов.
Основными критериями при обсуждении источников РЗЭ является сопоставления их нормализованных (относительно какого-либо эталона) содержаний или соотношения между отдельными парами РЗЭ, например Се/La, Sm/Eu, La/Yb.
В рамках данного исследования для более всесторонней оценки степени сходства составов РЗЭ учитывались соотношения между всеми элементами, что при наличии большого массива аналитических данных возможно только путем применения статистического анализа.
Впервые оценена на количественном уровне сила связи между характерными химическими элементами в фосфоритах и компонентах окружающей среды, включая океанскую воду, планктон, взвешенное вещество и вмещающие донные отложения. Степени связи между характеристиками состава фосфоритов и параметрами среды оценены путем применения сплайнового варианта факторного анализа.
Применение этого метода представляет собой новый подход к исследованию фосфатогенеза, происходящего под воздействием океанологических геологических биологических и геохимических факторов, что ранее в этой области науки не. практиковалось и что необходимо для разработки теоретических основ критериев поиска фосфоритовых месторождений в осадочных толщах любого геологического возраста.
Исследованы на новом современном уровне количественные соотношения между процессами рассеяния и концентрации фосфора в океанском седиментогенезе в течение фанерозойского этапа истории океана и оценена степень неравномерности поставки фосфора в Мировой океан. Прежние оценки такого рода были весьма приблизительными из-за незнания форм миграции фосфора.
Результаты, полученные в ходе выполнения данной работы, позволили более объективно оценить это глобальное явление и поднять соответствующие исследования на новый уровень благодаря системному подходу, равно как и дать обоснованную оценку роли основных океанологических факторов, контролирующих формирование фосфоритов.
Предложена новая модель палеореконструкций,
основанная на факторном анализе и многомерных
сплайнах и устанавливающая статистические связи
между распределением микропалеонтологических
объектов и современными гидрологическими
характеристиками. Модель позволяет
реконструировать трехмерные поля гидрологических параметров (температуру, соленость) для четырех сезонов.
Численные эксперименты по предлагаемой модели позволяют пересмотреть на новом современном методическом уровне и создать более точные и объективные палеоокеанологические реконструкции, включая схемы палеотемператур, палеоеолености, палеотечений и т.п.
?
Продемонстрирована работоспособность модели и показано, что при использовании более точных методов лалеореконструкций выявляется мелкомасштабная изменчивость палеогидрологических параметров.
Реконструированы изменения гидрологических характеристик во времени по данным исследования разрезов (колонок) океанских осадков.
Реконструированы трехмерные гидрологические поля для Атлантического океана для одного из характерных позднечетвертичных временных уровней - времени последнего оледенения. Впервые выполнены построения полей скоростей течений для времени последнего оледенения на основе трехмерных гидрологических полей по прогностической гидродинамической модели.
Установлено, что в системе "атмосфера - океан -взвесь - планктон - донные отложения - рудные образования" некоторые группы элементов мигрируют совместно. Ассоциации некоторых элементов сохраняются на всех этапах миграции вещества от морской воды до осадков (что характеризует процессы седиментогенеэа) и далее до железо-марганцевых конкреций (являющихся диагенетическими образованиями). Полученные результаты являются первой попыткой обобщения всех современных данных по миграции химических элементов в океанской среде, могут послужить основой для разработки глобальной модели океанского осадочного цикла.
Установлена превалирующая роль терригенного источника минеральной части взвеси, близость состава эоловой африканской пыли и среднего состава глинистых пород земной коры и относительное однообразие соотношений между терригенным, аэрозольным и планктонным источниками океанской взвеси из относительно обширных регионов Атлантического и Тихого океанов.
Путем выбора модельных составоз важнейших компонентов океанской среды и сопоставления их с изучаемыми материалами удалось количественно установить роль различных источников поставки вещества в рудные образования океана -железомарганцевые конкреции, рудные корки, фосфориты.
Анализ распределения редкоземельных элементов в водной толще и фосфоритах с подводных гор Тихого океана выявил глубины и возраст формирования фосфоритов в соответствии с динамикой погружения гор с позднемелового до неогенового времени. В частности, сопоставление данных по распределению РЗЭ в фосфоритах подводных гор и различных горизонтах водной толщи открытого океана выявило наличие "мелководной" метки во всех рассмотренных образцах независимо от глубины их отбора, а также то, что процесс накопления РЗЭ в фосфоритах был не однократным, а продолжался в течение длительного времени по мере погружения подводных гор и контакта фосфоритов со все более глубокими горизонтами водной толщи с повышающимся содержанием РЗЭ и понижающимся отношением Се/La.
В работе продемонстрирована перспективность применения комплекса методов детерминантной статистики в сочетании с многомерными сплайнами для описания некоторых процессов в геохимии и микропалеонтологии.
Показано, что применение этих методов позволяет пересмотреть на новом методическом уровне результаты палеореконструкций.
Одним из наиболее очевидных, доказательств этой перспективности является то, что кроме получения большинства известных результатов этот подход позволил описать также новые, более, тонкие эффекты.
Результаты палеореконструкций напрямую связаны с возможностью моделирования климатов прошлого. Климатические изменения антропогенного характера в отличие от естественной климатической эволюции имеют иной масштаб времени: вместо десятков тысяч лет -десятки-сотни лет. Таким образом, в ближайшем будущем могут возникнуть климатические ситуации, аналогичные ситуациям в геологическом прошлом, например широко обсуждаемое глобальное потепление климата уже имело место около 6 и 40 тысяч лет назад. Палеореконструкций дают возможность
промоделировать и тщательно изучить климаты геологического прошлого.
Разработанная автором методика интерпретации микропалеонтологических данных для реконструкции палеоокеанологических условий и апробация этой методики на позднечетвертичных разрезах Мирового океана позволяют на актуалистической основе реконструировать палеоокеанологические параметры более ранних этапов геологической истории, что необходимо для понимания процессов осадкообразования.
Ранее установлено, что в рудных железомарганцевых образованиях океана происходит относительная концентрация РЗЭ, которые могут поступать из различных источников. В качестве критериев для их идентификации используют визуальное сопоставление графиков распределения РЗЭ в различных объектах и соотношения между отдельными РЗЭ. Но з последние годы массив аналитических данных по РЗЭ в океане значительно увеличился и применение традиционных способов стало недостаточно эффективным. Очевидно, целесообразно обрабатывать эти данные на ЗНМ.
Разработка моделей океанского фосфатогенеза для различных фациальных условий позволяет развить общую концепцию осадочного рудообразования и преодолеть противоречия в проблеме генезиса фосфоритов.
Сравнительное исследование морфологии и геохимии фосфоритов из различных зон океана позволило выявить связь региональных условий седиментогенеза и состава фосфоритов с возможной общностью их генезиса.
Расчеты баланса рудного и рассеянного фосфора и основных биогенных элементов для различных периодов истории океана выявили специфику глобальных эпох фосфатогенеза и помогли оценить роль фосфора как фактора, контролирующего биологическую продуктивность океана и климат Земли.
Материалы диссертации полностью или частично доложены на международных и российских совещаниях и конференциях:
/о
1) II Всесоюзное совещание "Современные методы
морских геологических исследований", Москва, 1987.
2) VII всесоюзный семинар по радиоляриям,
Свердловск, 1987.
3) III съезд Океанологов, Ленинград, 1987.
-
20th International Liege Colloquium on Ocean Hydrodynamics, Liege, Belgium, 1989.
-
IV международная конференция по нелинейным и турбулентным процессам в физике, Киев, 1989.
-
V региональная конференция о изучению природы Атлантического океана, Калининград, 1989.
-
IV International Conference on Paleoceanography, Kiel, Germany, September, 1992.
8) NATO ARW," Strategies for the use of
paleoclimatic data sets in climate model
intercoraparison and evalution", Aussois, France,
October, 1993.
9) Symposium "The South Atlantic: present and past
circulation", Bremen, Germany, 1994.
10) VIII Working Group in Workshop on
Paleocalibration of Climate Sensitivity, NOAA,
Silver Spring, Mariland, Washington, USA, August,
1994.
11) VII Симпозиум "Стратиграфия отложений и
палеоокеанология Мирового океана", Звенигород,
Ноябрь, 1994 г.
12) 5th International Conference on
Paleoceanography. Halifax, Nova Scotia, Canada.
1995.
13) Мемориальная конференция Л.П.Зоненшайна по
тектонике литосферных плит. Москва, Ноябрь, 1995.
14) Заседание Комиссии РАН по изучению
четвертичного периода и Рабочих групп "Шельф" и
"Стратиграфия" Научного совета РАН по проблемам
Мирового океана , Москва, ГИН, Февраль, 1996 г.
15) VIII Всероссийская палинологическая
конференция. Москва, Октябрь, 1996.
-
III Рабочее совещание по российско-германскому сотрудничеству: Система моря Лаптевых. С.Петербург, Октябрь, 1996.
-
German-Russian Workshop " Variability of the Biosphere in northern Eurasia", Geomar Research
Center for Marine Geosciences, Kiel, November, 1996.
-
50th Anniversary of Swedish Deep-Sea Expedition on Albatross "Development of Paleoceanography as a New Field of Science", Aug. 18-21, 1997, Stockholm and Guteborg, Sweden.
-
INTERRAD VIII, Sept. 1997, Paris, France.
20) XII Международная Школа по морской геологии
"Геология океанов и морей", октябрь, 1997, Москва.,
а также обсуждались на объединенном коллоквиуме
Лаборатории палеоэкологии и биостратиграфии и
Лаборатории твердых полезных ископаемых и на
семинаре Лаборатории физико-геологических
исследований (1997).
По теме диссертации опубликовано более 70 работ.
