Makeev-monograph-2012

Страница219

пояс интенсивного угленакопления (Чумаков, 2004), к югу сменявшийся среднеширотным угленосно-бокситоносно-каолинитовым. Теплый климат средних широт обусловил широкое развитие латеритных и каолиновых кор выветривания. Обстановки седиментации в средних широтах чутко реагировали на климатические тренды. Во внутриконтинентальных районах здесь формировались терригенные породы с педокомплексами, указывающими на то, что осадконакопление и почвообразование проходило в условиях переменно-влажного климата (McCarthy et al., 1998). С периодами аридизации связано формирование гипсоносных отложений в замкнутых понижениях рельефа. В аридных поясах формировались эвапориты, карбонатные и гипсоносные красноцветные коры выветривания и эоловые отложения. В экваториальном гумидном поясе формировались бассейны угленакопления, здесь также представлены бескарбонатные красноцветные ферраллитные и кислые каолинитовые коры выветривания, а также с продуктами их переотложения - латеритами, бокситами, конгломератами и др. (Ковда, 1973, Жарков, 2004). Эти отложения ассоциированы также с кислыми тропическими почвами - Оксисолями и Ультисолями.

Теплый климат определял высокую продуктивность меловой биоты, особенно в средних и высоких широтах. Крупные биотические события мела включают вымирание цикадовых и гинкговых и расцвет кайнофитовой флоры. В среднем мелу широко распространяются покрытосеменные и появляется травянистая растительность.

Палеопочвы часто позволяют восстановить еще более сложную динамику природных условий, чем та, что выявляется на основе изучения седиментационных обстановок и палеонтологических остатков. Примером может послужить анализ палеопочв, формировавшихся в апт-альб- сеноманское время в толще флювиальных отложений на северо-востоке Китая (Xianghui, 2009). Район исследований располагался в аридном тропическо-субтропическом поясе, что согласуется с широким распространением кальцисолей. Однако были представлены и гумидные эпизоды с признаками сезонности климата, в которые формировались бескарбонатные Аржиллисоли (по Mack et al., 1993) с вертиковыми признаками (сликенсайды). Наконец, были эпизоды с жарким гумидным климатом, в которые формировались оксисоли.

Изучение палеопочв в пределах мелового субтропического пояса Японии позволяет выявить направленную аридизацию при переходе от раннего к позднему мелу. Палеопочвы описаны в мощной осадочной толще (песчаники, конгломераты, глинистые сланцы) в пределах седиментационного бассейна на острове Кюсю. Формирование почв альбсеноманского времени проходило при чередовании гумидных и семигумидных климатических циклов с периодами сезонного недостатка влаги. Это подтверждается наличием в бескарбонатных профилях

Страница220

вертиковых Инсептисолей (по Soil Survey staff, 1998) глинистых кутан, признаков сезонного оглеения и сликенсайдов. На протяжении сеномантуронского времени почвообразование проходило в условиях семиаридного климата, при сохранявшейся сезонной контрастности. В этом интервале представлены кальциковые Вертисоли характеризующиеся наличием карбонатных горизонтов с обилием карбонатных конкреций.

В пределах североамериканского мелового бассейна в средних и низких широтах (25-60о с. п-ш.) в условиях аридного климата в аллювиальных отложениях альбского яруса сформированы глубоко выветрелые почвы с высоким содержанием карбонатов (Ufnar et al., 2004, 2005; Suarez et al., 2011). Изучение сидеритовых конкреций в палеопочвах позволило лучше понять гидрологический цикл теплых биосфер. На основе соотношения δ18O и δ13С в конкрециях удалось рассчитать, что в условиях теплого климата при высокой концентрации СО2 в атмосфере одновременно усиливается как эвапотранспирация, так и выпадение осадков. Активизация гидрологического цикла определила его большую роль в переносе тепла с атмосферной влагой от низких к высоким широтам. Таким образом, наземный гидрологический цикл вносил важный вклад, наряду с океаническими течениями в уменьшение температурного градиента от полюсов к экватору. Кроме того, усиленная эвапотранспирация в низких широтах, по-видимому, способствовала поддержанию аридных условий в низких широтах, что подтверждается как седиментационными обстановками, так и характером почвообразования. Наиболее теплым в меловом периоде был климат сеномана. Аналогичные расчеты параметров гидрологического цикла по соотношениям стабильных изотопов кислорода в сидеритовых конкрециях проводились и в почвах сеномана формировавшихся в низких широтах (25о с. п-ш.) североамериканского мелового бассейна (Ufnar et al., 2008). Результаты исследования подтверждают высокую интенсивность гидрологического цикла, характерную для теплых биосфер, хотя дефицит почвенной влаги и не обнаруживается. Дело в том, что исследуемые почвы формировались в условиях продолжительного сезонного переувлажнения и лучше промывались. Об этом свидетельствует наличие глинистых кутан и плазмы с сильным двупреломлением. В то же время сликенсайды указывают и на сезонную контрастность увлажнения.

Коньяк-маастрихтский этап позднего мела был переходной зоной от мезозойской к кайнозойской глобальной палеогеографической организации на Земле. В пределах аридного тропического пояса выделялись районы муссонного климата, где наряду с гипсоносными красноцветными отложениями формировались каолинитовые и латеритовые коры выветривания. Существование семигумидных переменно влажных климатических условий тропического пояса позднего мела (20-30о с. п-ш) подтверждаются исследованиями палеопочв

Страница222

изучением обстановок седиментации и почвообразования в отложениях формации Maghra El-Bahari в Египте (Wanas, Abu El-Hassan, 2006). В

строении этой формации наблюдается смена аллювиальных отложений верхнего мела на озерные отложения нижнего палеогена. Наряду с этим происходила смена семигумидных климатических условий на семиаридные и аридные. Это обосновывается данными по свойствам палеопочв, представленных в толще изученной формации. Вертисоли с мощными профилями, с выраженными глинистые кутанами в горизонте В и глубокой корневой системой формировались в условиях семигумидного контрастного климата. Семиаридные и аридные обстановки представлены Кальцисолями и Гипсосолями (по Mack et al., 1993), сопряженными с толщами эвапоритов. В профиле аридных почв встречаются обильные карбонатные конкреции и новообразования гипса.

Сходные климатические тренды на границе мела и палеогена пределах северного тропического пояса описаны и для Сардинии (Vacca et al., 2011). В условиях теплого гумидного климата в маастрихте на различных фациях аллювиальных отложений, представленных толщами песчаников, алевролитов и глинистых сланцев, формировались палеопочвы с ожелезненными горизонтами. Продвинутые стадии выветривания как первичных, так и вторичных минералов указывают на то, что палеопочвы маркируют продолжительные периоды стабилизации поверхности. Ожелезненные горизонты в профиле почв соответствуют диагностике плинтиковых горизонтов (Plinthic horizon, по World Reference Base, 2006). Это подтверждается как морфологическим (включая микроморфологию и электронную микроскопию), так и химическим и минералогическим анализом (кирпично-красный цвет, обилие железа, гематита, гетита, каолинитовый состав глин, и пр.). Известно, что в современных условиях почвы с плинтиковыми горизонтами (Plinthosols, Plinthic Ferralsols) формируются во влажном тропическом климате (бассейн Конго, юго-восточная Азия). Интенсивное выветривание обеспечивает обильное высвобождение железа, закрепляющееся в профиле в короткие, но четко выраженные сухие сезоны. В результате горизонты приобретают кирпично-красный цвет. При переходе к отложениям нижнего палеогена (датский ярус) плинтиковые горизонты в ожелезненных почвах сменяются петроплинтиковыми и пизоплинтиковыми горизонтами (по World Reference Base, 2006). В современных условиях почвы с петроплинтиковыми и пизоплинтиковыми горизонтами формируются в более аридных условиях, в полосе, переходной от дождевых лесов к саванне (например, Судано-Сахельская область). Таким образом, изменение характера почвообразования указывает на повышение аридности климата на границе мел/палеоген.

Закономерная смена почвенных горизонтов в мел-палеогеновых толщах устойчиво проявляется на больших пространствах и

Страница223

обнаруживается не только в Сардинии. Почвы с сильно ожелезненными горизонтами, близкими к плинтиковым, петроплинтиковым и пизоплинтиковым (сидеролитовые фации – Siderolithique facies, пизолитиковые кирасы и т.д.) описаны в мел-палеогеновых толщах различных районов южной Европы (Thiri, 2000). В указанное время Сардинско-Корсиканский блок был частью единой Европейской плиты и отделился от нее только в позднем миоцене вследствие спрединга Прованского бассейна. Описанные участки с ожелезненными палеопочвами по-видимому представляют собой разрозненные остатки однотипных почвенных покровов, формировавшихся в пределах единого седиментационного бассейна, объединявшего Корсику, Сардинию и Пиренейско-Прованский регион. Возможно, что сходные почвенные покровы существовали во всей северо-западной прибрежной области океана Тетис. Кроме того, в аллювиальных мел-палеогеновых отложениях Пиренейско-Прованского региона проявляется тренд аридизации, аналогичный тренду, установленному по почвам Сардинии: плинтиковые горизонты в почвах верхнего мела сменяются петроплинтиковыми и пизоплинтиковыми горизонтами в палеогеновых почвах. Таким образом, мел-палеогеновые палеопочвы описываемого региона представляют собой важные стратиграфические маркеры и могут использоваться для межрегиональных корреляций. Эти почвы отвечают принятым в североамериканском стратиграфическом кодексе критериям Геосоли (выдержанное стратиграфическое положение и широкое площадное распространение, NACSN, 2005) и названы по наиболее характерному разрезу «Геосоль Monte Maraconis». Таким образом, выполненное исследование представляет собой наиболее полный и успешный опыт исползования дочетвертичных палеопочв в качестве педостратиграфических единиц.

Основные тренды эволюции почвообразования в кайнозое.

Палеотемпературная кривая, составленная по соотношению изотопов кислорода в бентосных фораминиферах Северной Атлантики, отражает основные тренды эволюции палеоклимата в кайнозое (рис. 4). Климатические реконструкции по данным палеоботаники в кайнозое также имеют более высокую степень достоверности, чем в предшествующие периоды фанерозоя (Ахметьев, 2004). Согласно этим данным, климатическая зональность в палеоценовую эпоху по сравнению с завершающим этапом меловой истории отличалась большей широтной дифференциацией и контрастностью среднегодовых и сезонных температур, особенно в средних и высоких широтах Земного шара. В северной Евразии в палеоцене и первой половине эоцена фиксируются колебания климата, имеющие небольшую продолжительность (5-10 Ma) и с амплитудами годовых температур 2-4оС (Изменение климата и

Страница224

Рис. 4. Кислородно-изотопная характеристика кайнозоя, полученная по раковинам бентосных фораминифер в глубоководных осадках Атлантики, дополненная по ледяным кернам станции Восток, Антактида (Zachos et al., 2001).

Площади экваториальных, тропических и субтропических поясов заметно расширяются, указывая на глобальный характер потепления климата. В северном полушарии они сдвигаются к северу на 5-10о (Schmitz et al., 2001). Уже в раннем палеоцене субтропический пояс в Западной Европе распространялся до 43о с. п-ш. В Центральном Техасе среднегодовые температуры еще в зеландии (59-60 Ма), по данным палеоботаники, были близки к современным (около +19 оС). Однако, уже в раннем танете (57-58 Ма) среднегодовые температуры возросли до +23 - +24 оС и климат стал еще более мягким с перепадом годовых температур не более 9оС (Ахметьев, 2004). К середине танета среднегодовые температуры еще более возросли, годовое количество осадков увеличилось не менее, чем на 500 мм. При этом в более низких широтах, по крайней мере, до 30° с. п-ш., климат носил признаки экваториального. Вдоль северной окраины прибрежной равнины Мексиканского залива на территории штата Арканзас в это время происходило латеритообразование

Страница225

и формировались бокситы. Глубоковыветрелые почвы (Оксисоли и Ультисоли, по Soil Survey Staff, 1998) описаны в различных областях высоких широт (Антарктида, Шотландия, Ковда, 1973). Максимум глобального потепления приходится на границу палеоцена и эоцена и описывается как термический максимум палеоцена-эоцена (PETM –

Paleocene-Eocene Thermal Maximum; LPTM – Late Paleocene Thermal Maximum; IEPTM – Initial Paleocene Thermal Maximum, рис. 4). PETM

также называют "углеродным эпизодом", поскольку он сопровождался заметным снижением соотношения изотопов углерода δ13C. Климат Земли в это время был теплее современного на 6°-8° С. Эффект потепления усиливался широкими возможностями осуществления тепло- и влагопереноса из низких в высокие широты, благодаря наличию в раннем палеогене сквозных морских рукавов, связывающих Тетис с Арктическим бассейном при отсутствии широтных орографических барьеров в Евразии (Ахметьев, 2004). PETM является главным термическим максимумом всего кайнозоя. Глобальное потепление вызвало заметное расширение тропической и субтропической зон Земного шара с их экспансией в более высокие широты. Это в свою очередь сопровождалось сокращением умеренной зоны в приполярных областях и дальнейшим снижением широтного температурного градиента в системе "полюс-экватор". Как мы уже указывали выше, возможной причиной кратковременного эпизода PETM являлась эмиссия вулканических газов, связанная с активностью Центрально-Атлантической магматической провинции (Marzoli et al., 1999). Несмотря на то, что PETM продолжался не более ста тысяч лет, он находит четкое подтверждение в палеопочвах.

Так, палеопочвы времени PETM изучены в аллювиальных отложениях формаций Fort Union и Willwood в пределах седиментационного бассейна Bighorn, Вайоминг, США, расположенного в тропическом поясе на 44о с. п-ш. (Kraus, Riggins, 2007). Наиболее развитые почвы приурочены к глинистым фациям пойменного аллювия. Основное внимание при исследовании палеопочв было уделено признакам, которые позволяют наиболее точно реконструировать динамику климата в период PETM: строение профиля, характер карбонатных новообразований, железистых нодулей, химические показатели степени выветривания. Сходные тренды в изменении характера почвообразования были получены по двум разрезам, расположенным на расстоянии более 100 км друг от друга. Закономерная смена почв отражает чередование более аридных и гумидных эпизодов во время PETM. Наиболее аридные условия были непосредственно перед PETM, что отражается в наличии красных почв с обильными карбонатными аккумуляциями. Начиная с середины и до конца интервала PETM преобладали более гумидные условия, что отражается в преобладании бурых почв с обильными гетитовыми конкрециями. Карбонатные новообразования отсутствуют. Однако детальный анализ

Страница226

позволил выявить наличие четырех кратковременных аридных эпизодов на фоне преобладающих гумидных условий PETM. Эти эпизоды определялись, по-видимому, прецессионными циклами. Выявленная динамика климата подтверждается независимыми методами, например, по анализу морфологии отпечатков листьев. Наличие четырех прецессионных циклов согласуется и с данными по океаническим осадкам.

Одной из специфических особенностей эоценового (в особенности раннеэоценового) климата, было широкое распространение "паратропического" влажного климата, иногда приобретавшего черты муссонного (Изменение климата и ландшафтов…, 1999). Это период эоценового термического оптимума (рис. 4). В северной Америке в раннем эоцене бассейн р. Миссисипи попадал в зону влажного тропического и экваториального климата, заходившего вглубь континента вплоть до штатов Кентукки и Теннеси. Климат арктических районов Северного полушария оставался теплым и влажным, что обусловило широкое распространение угленакопление и формирование каолиновых кор выветривания.

Климатический оптимум эоцена явился рубежом, после которого наметился отчетливый тренд к похолоданию, знаменующий начало перехода от теплого климата мезозоя к эпохе позднекайнозойских оледенений. Снижение теплообеспеченности имело колебательный характер. Выделялись периоды потеплений и похолоданий. В целом средний и поздний эоцен оценивается как этап субтропического климата (Изменение климата и ландшафтов…, 1999). В среднем эоцене продолжалось усиление дифференциации климатических зон, связанное с постепенным возрастанием температурного градиента в системе "полюсэкватор", произошло начавшееся еще в палеоцене расширение аридных поясов обоих полушарий. Отчетливые признаки аридной зоны в Северном полушарии устанавливаются по распространению эвапоритов (в южных районах Казахстана и Киргизии, Южной Монголии, в Центральных и Южных районах Китая). Происходило заметное сокращение зоны влажного тропического и экваториального климата. Паратропический и субтропический климат высоких широт Северного полушария существовали за счет связи бассейна Тетис с Арктическим океаном (Изменение климата и ландшафтов…, 1999). С закрытием Западносибирского палеопролива, обеспечивавшего приток теплых вод в высокие широты, климат высоких широт меняется на умеренный. В позднем эоцене сдвиг границ широтных климатических зон в сторону экватора на несколько сотен км сопровождался в обоих полушариях экспансией умеренной флоры в более низкие широты из высоких, что подтверждается палеоботаническими данными по всем континентам. Одновременно происходило резкое усиление континентальности климата с

Страница228

формировавшихся при среднегодовом количестве осадков 400-600 мм. Это похолодание связывается с оледенением Oi2, вызвавшим дальнейший рост ледяных шапок Антарктиды.

Рис. 5. Рентгендифрактограммы фракции < 0,001 мм горизонтов эоценовых (BG-1 – BG – 10) и олигоценовых палеопочв BG-15 – BG – 20) формаций Clarno и John Day, Орегон, США. S – смектит, H – роговая обманка; K – каолинит

(Kautz, 2002).

Между морскими ( 18O в глубоководных осадках) и континентальными (палеопочвы) записями наблюдается хорошая корреляция (Kautz, 2002). Сходные климатические тренды в интервале 4330 Ма зафиксированы и в палеопочвах Южной Дакоты (Retallack, 1983).

Итак, переход от теплых мезозойских биосфер к холодным в кайнозое проходил в несколько этапов, и проявлялся с одной стороны в глобальном тренде похолодания, а с другой – в усилении региональной климатической контрастности. Эта контрастность выявляется при сопоставлении палеопочв в различных областях умеренного пояса северного полушария, формировавшихся в интервале 36-30 Ma, по свойствам которых (глубина залегания карбонатного горизонта, степень преобразования минеральной части почв и др.) рассчитаны среднегодовые температуры и количество осадков (Sheldon, 2009). В районах, расположенных в дождевой тени поднимающегося Каскадного хребта (Орегон, Монтана, США) фиксируется направленная аридизация и похолодание. Так, гумидный климат эоцена сменился на семиаридный уже в период c 30,5 Ма. В то же время в Небраске наблюдались кратковременные циклы колебаний среднегодовых температур и осадков при отсутствии долговременного тренда. Неоднозначно проявлялся климатический тренд и в Европе. Так, в Испании не зафиксировано понижение температуры и увеличение аридности. Напротив, остров Уайт (Англия) попал в зону перехвата осадков близлежащими горными сооружениями, вследствие чего возросла гумидность климата.

Седиментационный бассейн Chilga, Эфиопия, формировался в раннем олигоцене (28-27 Ма) в условиях влажного тропического климата с