Четвертичный период истории Земли является периодом мощных оледенений. Принято считать, что чередование экспансии и распада полярных ледниковых покровов регулируется изменениями орбитальных параметров Земли (теория Миланковича), отраженных вариациями изотопно-кислородной кривой [1]. Однако эта теория не может объяснить ряд вопросов по несоответствию орбитальных изменений, а следовательно, и солнечной инсоляции ряду морских изотопных стадий (МИС). В частности, это проблема 11-й изотопной стадии [2–4]. В.А. Большаков [2, 3] отмечает, что причина в том, что в качестве управляющего инсоляционного сигнала рассматривается среднемесячная или суточная инсоляция под одной широтой. С этих позиций В.А. Большаков постулирует, что эксцентриситетный инсоляционный сигнал, близкий к 100-тысячному циклу, «…является в данном случае как бы спусковым крючком, запускающим работу резонансного механизма климатической системы» [2, с. 243]. Но и новая концепция не позволяет объяснить масштабность изменений среды времени 11-й МИС, поскольку амплитуды орбитальных изменений этого времени были не столь значительны. Что же могло вызвать коллапс ледниковых покровов во время 11-й МИС [5]? Многие исследователи пришли к выводу, что, кроме орбитальных изменений, на климатическую систему Земли сильнейшее влияние оказывает концентрация CO2 в атмосфере Земли, приводящая к «парниковому эффекту» и сокращению объемов ледниковых покровов. Но изменения концентрации CO2 не связаны с орбитальными параметрами Земли и могут с ними не совпадать. Скорее всего, глобальные углеродные циклы имеют свою собственную причинно-следственную связь, которая не обусловлена ледниковой периодизацией как первопричиной [6–8]. В связи с этим возникла и проблема изменений уровня Мирового океана во время самой экстремально теплой и длительной МИС-11 (424–374 тыс. л.н. – тыс. л.н., миндель-рисс) за всю историю плейстоцена. Существуют три основные точки зрения. Одна из них базируется на положении береговых линий в разрезах морских террас на тектонически стабильном острове Барбадос и предполагающая повышение уровня моря во время МИС-11 не менее чем на +21 м по сравнению с современным [9]. Аналогичные данные получены по Аляске и Курильским островам [10]. Другая точка зрения, основанная на аналоговых моделях изменения объемов ледников планеты и их таяния, сводится к утверждению о соответствии уровня моря времени МИС-11 в голоцене или уровню межледниковой МИС-5 [4, 11, 12]. Третья позиция касается возможного катастрофического обрушения антарктических ледников во время ледникового коллапса МИС-11 и возникновения мегацунами, приведшего к формированию высокого положения береговых линий на о. Барбадос, что вызвало обширную и острую дискуссию [5, 13].
Цель исследования: определение условий формирования осадков и выделение палеогеографических событий, соответствующих глобальным изменениям природной среды среднего плейстоцена, выяснение возможных причин палеоклиматических особенностей и колебаний уровня моря во время резко контрастирующих между собой межледниковых МИС-11 (424–374 тыс. л.н.) и МИС-9 (337–300 тыс. л.н.).
Материалы и методы исследования
Основным резервуаром накопления любых форм углерода, поглощенного из атмосферы, служит Мировой океан. Главную роль в этом биогеохимическом круговороте углерода играют микроскопические диатомовые водоросли, обеспечивающие свою жизнедеятельность и высокую продуктивность в результате фотосинтеза. Общеизвестно, что диатомеи создают более 50 % всей органической массы Мирового океана, поглощая при этом около 10 млрд т углерода ежегодно. Поэтому количество панцирей диатомей в осадках океана может отражать палеопродуктивность диатомей, связанную с концентрацией CO2 в атмосфере. Это и послужило основанием выбора диатомового анализа как основного рабочего инструмента исследований [10, 14]. При интерпретации палеоклиматических условий и глубины формирования прибрежно-морских отложений использованы данные по экологии диатомей [10, 14, 15]. В качестве возрастной модели применена зональная диатомовая шкала Северной Пацифики [10] и кислородно-изотопная шкала, построенная по фораминиферам [1].
Материалом для работы послужили образцы, отобранные в отложениях верхней части головнинской свиты о-ва Кунашир от мыса Пузанова (43 °52´05´´с.ш., 145 °36´07´´в.д.) до устья ручья Белозерский (43 °51´03´´с.ш., 145 °34´45´´в.д.), обнажающиеся в Головнинском клифе, а также в карьере у подножья горы Отдельная по левому берегу реки Лесная (44 °00´57´´с.ш., 145 °46´37´´в.д. (рис. 1).
Результаты исследования и их обсуждение
Верхняя подсвита (высота обнажений до 50 м) сложена моноклинально залегающими (азимут падения 80–90 °, угол падения 5–10 °) туфоалевритами, туфодиатомитами, песками и алевритами, переслаивающимися с пепловыми прослоями и пачками тефроидов (рис. 2). Перекрывается подсвита аллювиально-озерными отложениями белозерских слоев верхнего плейстоцена (alQ3III) и лимническими фациями голоцена (lmQIV) [10].
Рис. 1. Схема расположения изученных разрезов
Рис. 2. Строение и состав верхней части головнинской свиты о-ва Кунашир (по [10] с небольшими изменениями): 1 – галька; 2 – песок; 3 – алеврит; 4 – торф; 5 – диатомит; 6 – туф; 7 – вулканический пепел; 8 – алеврит песчанистый, 9 – туфоалеврит; 10 – туфопесчаник; 11 – пемзовая галька; 12 – пемзовый туф; 13 – вулканическая бомба; 14 – изученные разрезы
Литостратиграфия. В верхней подсвите выделено пять литологических пачек отложений:
Пачка 1 (mQII, разрез 5838 и вдоль основания клифа, мощность до 45 м) представлена переслаиванием алевритов и мелкозернистого песка с пемзовой галькой. Венчает кровлю пачки туфоалеврит мощностью до 2 м.
Пачка 2 (mQII, разрез 5837а по основанию клифа, мощность до 25 м) согласно залегает на отложениях пачки 1. Состоит из мелкозернистых песков с раковинами морских моллюсков в основании. В нижней части пачки прослеживаются четыре слоя риолитового пепла (SiO2 – 70,66-73,73 %) толщиной 5–7 см – Кbl-II-5, 6, 7, 8.
Пачка 3 (vlQII, мощность до 16 м) согласно перекрывает отложения пачки 2 и представлена пемзовым туфом (Kbl-II-4). В нижней части пачки обильна хорошо окатанная галька дацитового состава (SiO2 – 66,96, К2О – 0,58 %).
Пачка 4 (mQII, мощность до 6 м) несогласно перекрывает плиоценовые туфы и отложения пачек 2 и 3 (разрезы 5837, 6095) и сложена мелкозернистым песком с галькой, переходящим к югу клифа в илистый песок. В подошве и кровле пачки лежат два слоя вулканического пепла дацит-риолитового состава Kbl-II-3 и Кbl-II-2 (толщина 0,5 м и 0,25 м).
Пачка 5 (vlQII, мощность до 20 м, разрезы 5837 и 6095) согласно перекрывает отложения пачки 4 и состоит из пемзового туфа Kbl-II-1 (SiO2 – 1,99 %) с низким содержанием K2O (0,49–0,66 %). Пачка 5 несогласно перекрыта лимническими отложениями голоцена (lmQIV).
Возрастная модель. По комплексу вымерших диатомей в среднем плейстоцене [10] (Thalassiosira gravida Cleve var. fossilis Jousé, Th. nidulus (Tempere et Brun) Jousé var. nidulus, Th. jouseae Akiba, Actinocyclus ochotensis var. fossilis Pushkar, Proboscia curvirostris (Jousé) Jordan et Priddle, Stephanopyxis (Pyxidicula) dimorpha Schrader и встречаемости зонального вида Proboscia barboi (Brun) Jordan et Priddle изученные отложении относятся к диатомовой зоне Proboscia barboi с возрастом 0,55–0,28 млн лет [10]. Корректировать возраст позволяет комплекс силикофлагеллят Paradictyocha polyactis (Ehr.) Freng. f. completa Freng., Distephanus speculum (Ehr.) Haeckel var. speculum, D. speculum var. septenarius (Ehr.) Jorg., D. octonarius (Ehr.) Defl. var. polyactis (Jorg.) Gleser и Dictyocha fibula (Ehr.) var. fibula (в сумме 7 %), встреченных в отложениях нижней части разреза 5800 (13,0–6,7 м). Это указывает на их формирование в пределах миндель-рисского межледниковья (424–374 тыс.л.н., МИС-11). Установлено также, что прослой Кbl-II-8 с высоким содержанием K2O является региональным маркером среднего плейстоцена [10].
Биостратиграфия. Наиболее полно комплексы диатомей изучены в отложениях разреза 5800. В его основании (13–9,8 м от его подошвы) выходит пачка туфодиатомитов (SiO2аморф. – 74,3 %). Средняя часть разреза (9,8–5,0 м) сложена тефрогенными алевритами (SiO2аморф. – 18,96 %) с риолитовыми пепловыми прослоями толщиной до 4 см. Верхняя часть (1–5 м) представлена переслаиванием алевритов и песков с пемзой и прослоями дацитовых пеплов (толщина до 1–2 см). Кровля разреза характеризуется супесью и почвой (1–0 м). Пепловые прослои по химическому составу сопоставимы с пепловыми прослоями разрезов Головнинского клифа (пеплы Kbl), что послужило основанием прямой корреляции комплексов диатомей разреза 5800 с комплексами пачек Головнинского клифа [10].
Комплекс I (13,0–9,8 м) Доминируют планктонные Actinocyclus curvatulus Janisch (10,7 %), A. divisus (Grunow) Hustedt (19 %), а из сублиторальных обильны северо-бореальный Delphineis kippae Sancetta (12,3 %) и южно-бореальный Hyalodiscus obsoletus Sheshukova-Poretskaya (33 %). В отложениях встречены силикофлагелляты Paradictyocha polyactis (Ehr.) Freng. f. completa Freng., Distephanus speculum (Ehr.) Haeckel var. speculum, D. speculum var. septenarius (Ehr.) Jorg., D. octonarius (Ehr.) Defl. var. polyactis (Jorg.) Gleser и Dictyocha fibula (Ehr.) var. fibula (в сумме 7 %). Важной чертой комплекса является высокая встречаемость южно-бореальных и субтропических океанических диатомей Coscinodiscus asteromphalus Ehrenberg, C. radiatus Ehrenberg и C. perforatus Ehrenberg (в сумме до 47,5 %). Абсолютная численность створок диатомей в 1 г осадка достигает 20 млн.
Комплекс II (9,8–6,7 м). Вымершие виды составляют 6,7 %. Среди аркто- и северо-бореальных диатомей доминируют неритические виды Thalassiosira gravida Cleve var. gravida (24 %), Th. kryophila (Grunow) Jorgensen (7,7 %), а среди сублиторальных – северо-бореальные Paralia sulcata (Ehrenberg) Cleve (9 %) и Delphineis kippae Sancetta (17 %), а также южно-бореальный Hyalodiscus obsoletus Sheshukova-Poretskaya (21 %). Абсолютная численность створок диатомей в 1 г осадка колеблется в пределах 10–16 млн.
Комплекс III (6,7–5,0 м). Вымершие виды сохраняют численность 1-2 %, остальные вымершие виды единичны. Структуру формируют неритические холодноводные Thalassiosira gravida Cleve var. gravida (11,7 %), Th. kryophila (5 %) (Grunow) Jorgensen, широкобореальная Th. eccentrica (Ehrenberg) Cleve (12,2 %) и Chaetoceros spp. (6,3 %) (споры). Сублиторальная группа представлена Paralia sulcata (Ehrenberg) Cleve var. sulcata (8,3 %), Delphineis kippae Sancetta (15,3 %), Hyalodiscus obsoletus Sheshukova-Poretskaya (21,6 %). Абсолютная численность створок в 1 г осадка варьирует от 0,2 до 7 млн.
Комплекс IV (5,0–1,0 м). Вымерших видов около 2 %. Доминируют сублиторальный южно-бореальный1 Hyalodiscus obsoletus Sheshukova-Poretskaya (36–60 %), северо-бореальные Paralia sulcata (Ehrenberg) Cleve (18 %), Delphineis kippae Sancetta (12,7 %), а также океанические южно-бореальные и субтропические Actinocyclus divisus Grun.) Hustedt (8 %), Coscinodiscus asteromphalus Ehrenberg (15,6 %), C. radiatus Ehrenberg и C. perforatus Ehrenberg (в сумме до 17,2 %). Следует отметить и участие тропического вида Azpeitia nodulifera (A. Sm.) G.A. Fryxell et Sims (2,2 %). Из северо-бореальных диатомей заметны планктонные Thalassiosira gravida Cleve var. gravida (11,1 %) %) и Actinocyclus curvatulus Janisch (7,3 %). Абсолютная численность створок диатомей в 1 г осадка достигает 15 млн.
В этих отложениях встречены силикофлагелляты Paradictyocha polyactis (Ehr.) Freng. f. completa Freng., Distephanus speculum (Ehr.) Haeckel var. speculum, D. speculum var. septenarius (Ehr.) Jorg., D. octonarius (Ehr.) Defl. var. polyactis (Jorg.) Gleser и Dictyocha fibula (Ehr.) var. fibula (в сумме 7 %).
В стратотипе головнинской свиты диатомеи не столь обильны, как в отложениях разреза 5800 из-за участия в отложениях вулканического пирогенного материала, влияющего на концентрацию диатомей (до 3–4 млн створок в 1 г осадка). Лишь только отложения разрезов 5838 и 6095 содержат до 10–15 млн створок в 1 г осадка.
В разрезе 5838 (пачка 1, рис. 2) встречены те же вымершие диатомеи и силикофлагелляты, что и в отложениях разреза 5800. В нижней части (9,10–7,8 м от кровли) доминируют неритические Thalassiosira gravida Cleve var. gravida (14 %) и Bacterosira fragilis (Gran) Gran (Bacterosira bathyomphala (Cleve) Syvertsen et Hasle) (10 %). В средней части разреза (7,8–5,0 м) диатомеи редки, а в верхней (5,0–2,0 м) значительная роль принадлежит стеногалинному планктону – Coscinodiscus asteromphalus Ehrenberg var. asteromphalus (12 %), C. radiatus Ehrenberg (5,5 %), C. perforatus Ehrenberg (4 %). Зональный вид Proboscia. barboi (Brun) Jordan et Priddle достигает численности 1,5–2 %. Комплекс диатомей хорошо коррелируется с комплексом 1 разреза 5800.
В разрезе пачки 2 (5837а, рис. 2) Головнинского клифа диатомеи редки (0,2–2,5 млн створок в 1 г осадка) и представлены в основном сублиторальными диатомеями (82,7 %), среди которых доминируют холодноводные сублиторальные Paralia sulcata var. sulcata (Ehrenberg) Cleve и Paralia sulcata var. biseriata Grunow (до 38 %). Встречены и пресноводные диатомеи родов Navicula Bory, Pinnularia Ehrenberg, Aulacoseira Thwaites, Achnanthes Bory (12,8 %).
Отложения пачки 3 (пемзовый туф) диатомей не содержат.
Отложения пачки 4 изучены в разрезах 5837 и 6095. В разрезе 5837 вымершие диатомеи единичны. Только Proboscia barboi (Brun) Jordan et Priddle достигает 2 %. Доминантами комплекса (9,5–6,6 м от поверхности клифа) являются сублиторальные Paralia sulcata var. sulcata (Ehrenberg) Cleve и Paralia sulcata var. biseriata Grunow (в сумме до 86,8 %). Встречены и умеренно-тепловодные сублиторальные Hyalodiscus obsoletus Sheshukova-Poretskaya, Lyrella lyra (Ehrenberg) Karajeva, Actinocyclus octonarius Ehrenberg, Arachnoidiscus ehrenbergii Ralfs (в сумме до 20 %) и океанические Actinocyclus curvatulus Janish, Coscinodiscus radiatus Ehrenberg (в сумме до 7,5 %). Выше по разрезу диатомеи очень редки.
В разрезе 6095 комплекс диатомей характеризуется высокой значимостью двух вымерших видов Proboscia: P. curvirostris (Jousé) Jordan et Priddle (12,5 %) и P. barboi (Brun) Jordan et Priddle (7,5 %). В его экологической структуре комплекса важную роль играют тропические и субтропические диатомеи (в сумме до 29,8 %): Azpeitia nodulifera (A. Schmidt) G.A. Fryxell et P.A. Sims, Thalassiosira lineata Jousé, Th. oestrupii (Ostenfeld) Proschkina-Lavrenko et Hasle (Shionodiscus oestrupii (Ostenfeld) A.J. Alverson, S.-H. Kang & E.C. Theriot), Coscinodiscus asteromphalus Ehrenberg, C. radiatus Ehrenberg и C. perforatus Ehrenberg. Абсолютная численность створок диатомей в 1 г осадка достигает 15 млн. Комплекс отражает более глубоководные отложения, чем одновозрастный комплекс разреза 5837.
Палеогеогафическая интерпретация. Формирование среднеплейстоценовых толщ о. Кунашир сопровождалось сильными выбросами пирокластики. Активная вулканическая деятельность происходила синхронно с вулканами о. Хоккайдо и обусловила высокие скорости седиментации, что способствовало формированию мощных вулканогенно-осадочных толщ, запечатлевших в себе как этапы вулканической активности, так и палеоклиматические изменения и колебания уровня моря [10].
Согласно возрастной модели выделенные комплексы диатомей укладываются во временной диапазон 11-9 МИС зоны Proboscia barboi. Комплексы, соответствующие МИС-11, установлены в разрезе 5800. Для них характерно присутствие зональных вымерших видов (6–7 %) и морских планктонных субтропических и тропических диатомей (43–51 %). Если учесть, что современные ассоциации диатомей в этом тихоокеанском регионе содержат 17 % тепловодных видов (среднегодовая температура поверхностных вод составляет 7 °С), то следует допустить, что среднегодовая температура вод времени формирования отложений МИС-11 была на 8–10 ° выше современной [10]. Отложения средней части разреза (комплекс III) характеризуются падением численности тепловодных диатомей и снижением количества створок в 1 г осадка до 0–0,2 тыс. створок, что указывает на похолодание климата и свидетельствует о колебании палеоклиматических параметров в течение самой МИС-11, что соответствует и глобальной климатической ритмике [1]. Аналогичные изменения комплексов отражены в отложениях пачки 1 в разрезе 5838, имеющие хорошую корреляцию по вулканическим пепловым прослоям с отложениями разреза 5800 [10].
Отложения пачек 2–3 содержат сублиторальные диатомеи (82,7 %), среди которых доминируют холодноводные сублиторальные Paralia sulcata var. sulcata (Ehrenberg) Cleve и Paralia sulcata var. biseriata Grunow (до 38 %), свидетельствуют о холодных климатических условиях на фоне регрессии моря. О близости береговой линии свидетельствуют пресноводные диатомеи (12,8 %). Диатомовый комплекс пачки 4 (разрез 5837 и 6095) отражает новую волну потепления и сопоставляется с МИС-9. Судя по участию тепловодных диатомей (29,8) температура поверхностных водных масс в районе формирования осадков могла быть выше современной на 3–5 °.
В разрезе 5800 зафиксирована трансгрессивная серия отложений МИС-11. Судя по экологической структуре комплекса (около 50 % неритических и океанических видов), подобные комплексы начинают формироваться на глубинах около 50 м. Такая же ситуация отмечается и для комплекса диатомей разреза 5838. Кровля пачки 1 лежит на высоте 50 м. Если учитывать тектонический подъем океанического берега о. Кунашир в 0,3 мм в год [10], то глубина формирования отложений МИС-11 должна была составлять около 70 м. Следовательно, можно предположить, что уровень моря 400 тыс. л.н. был не менее чем на +20 м выше современного. Учитывая, что отложения разреза 5837 содержат в основном сублиторальный комплекс диатомей (91,5 %) с абсолютным доминированием Paralia sulcata var. sulcata (Ehrenberg) Cleve и Paralia sulcata var. biseriata Grunow (в сумме до 86,8 %) можно предположить о его формировании в пределах шельфа на глубинах не менее 20 м [11, 15]. В этом случае трансгрессия не была столь значительной, как во время МИС-11, и уровень моря не превышал значений +5 м по сравнению с современным. Одновозрастный комплекс разреза 6095 формировался в более глубоких зонах шельфа.
Заключение
MИС-11 является необычайно длинный межледниковый период, характеризующийся слабыми орбитальными изменениями и соответственно в распределении инсоляции. Но комплексы диатомей отложений МИС-11 отражают достаточно высокие среднегодовые температуры поверхностных вод (выше современных на +10 °С, следовательно, была и другая причина, повлиявшая на столь теплые климатические условия высокое положение береговых линий за счет изменения объема вод Мирового океана за счет коллапсирующего таяния ледниковых покровов планеты. Иная климатическая ситуация отражена в диатомовых комплексах отложений МИС-9, причиной которой были именно инсоляционные изменения, связанные с орбитальными параметрами. Различия в палеоклиматическом режиме и положении береговых линий между двумя стадиями, по-видимому, связаны с влиянием концентрации CO2, обеспечивающего парниковый эффект. Но глобальные углеродные циклы, скорее всего, имеют собственную реакцию на изменения орбитального характера и собственную историю, которая не вызвана ледниковой периодичностью как первопричиной.
Вполне допустимо, что изменение палеопродуктивности диатомовых водорослей как фотосинтетиков может соответствовать этим углеродным циклам и изменение концентрации створок диатомей в отложениях Мирового океана может служить одним из критерием для определения относительных изменений CO2 в атмосфере геологического прошлого.