Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Климатическая зональность и палеотечения в геологическом прошлом

ВАК РФ 04.00.01, Общая и региональная геология

Автореферат диссертации по теме "Климатическая зональность и палеотечения в геологическом прошлом"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.Ломоносова

Геологический факультет

на правах рукописи

ВОЛКОВ ЮРШ ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК 551.25: 551.583

КЛИМАТИЧЕСКАЯ ЗОНАЛШОСТЬ И ПАЛЕОТЕЧЕНКЯ В ГЕОЛОГИЧЕСКОМ ПРОШЛОМ

Специальность 04.00.01 - общая и региональная геология

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Научно-исследовательском вычислительном центре (НИВД) Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Консультанты - академик В.Е.Хаин,

- профессор Н.А.Ясаманов,

- профессор Д.П.Найдин. Официальные оппоненты- доктор геол.-мин.наук,

профессор С.Л.Афанасьев,

- кандидат геол.-минерал.

наук, доцент Л.Ф.Копаевич

Ведущая организация - Геологический институт

АН России (ГИН)

Защита диссертации состоится "12" апреля 1996 г.

в 14 час 30 мин. на заседании диссертационного совета

К. 053.05.02 в Московском государственном университете по

адресу: 119899 Москва ГСП-3, Ленинские горы,Вологаческий

факультет, ауд. 608.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ.

Автореферат разослан "12" марта 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат геолого-минера

наук

■ -3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Реконструкция климатических обстановок геологического пропитого представляет сложную научную проблему, от решения которой существенно зависит совершенствование методов прогнозирования гипергенных месторождений полезных ископаемых.

Изучение перемен климатических обстановок позволяет понять зтапность развития органического мира и производить стратиграфическое расчленение осадочных толщ, понять образование и накопление горючих ископаемых, минералов, генетически связанных с карами выветривания, эвапоритов, солей, фосфоритов, россыпей и др.

Наряду с методом индикаторов а изотопной палеотермометрии в последние десятилетия стали активно применяться и модельные исследования с использованием ЭВМ и ПЭШ. Перше модели-проекты носили глобальный характер (и требовали больших финансовых вложений) например, такие как "КПИМАП" или сеточные модели циркуляции вод океанов.*^ Однако громоздкость и негибкость систем такого рода делали их малоэффективными в применениях. Требовались очень больше затраты, чтобы получить ответ на простой конкретный вопрос. Это привело к развитию малопараметрическах моделей, как например, модель Буднко-Селерса - влияние фактора СС>2 на климат. Известны также модели, в которых климатические изменения объясняются характером океанических течений и их изменениями в связи с открытием или закрытием проливов.

Таким образом, разработка алгоритма расчетов изменений климатической зональности на основе малопараметраческих моделей является актуальной задачей геологии.

Цель работы. Автором диссертация была постаатена цель -разработать алгоритм расчета вариаций климатических зон в

я) Сеидов Д.Г., Еня кевв В.Х. Численное моделирование ХЕЕвэциркулшя Мирового океана // 27-й Мездународн.геол.конгр.М., ~

зависимости от одного ведущего фактора - солнечной активности (и светимости), вариации которых: определяются изменениями гравитационного поля системы при движениях планет, и исследовать качество модельных данных сравнением с имевшимися геологическими материалами по палеокляматам.

Научная новизна и практическая значимость. В диссертации предложено новое решение задачи восстановления климатических остановок и зональности в геологическом прошлом с применением расчетов на ЭВМ. Обосновывается и исследуется модель резонансного-полициклического строения солнечной активности и определяемой ею климатической зональности.

Расчитаны вариации климатических зон в раннем и позднем палеозое и в мезозое. Модельные результаты хорошо согласуются с имеющимися геологическими данными и данными изотопной палеотермометрии.

В результате исследований была обнаружена замечательная корреляция максимумов климатической изменчивости и границ крупных подразделений геохронологической шкалы. Это позволяет по новому взглянуть на эволюционный процесс и отбывает новое перспективное направление в геохронологии и исторической геологии.

По новому автор подошел и к практически важной и слабоизученной проблеме реконструкций поверхностных океанических течений и расселений морских организмов. Разработанная им методика основана на выделении зоны пассатных ветров и течений как ведущего звена в океанической циркуляции. Методика была опробована на некоторых представительных рубежах палеозойского и мезозойского времени.

■ Полученные результаты имеют важное значение -для решения задач, стоящих перед общей и региональной геологией. Практический интерес может также представлять возможность использования модельных расчетов для сравнительного изучения геохронологических шкал и разрешения спорных вопросов о датировках и положении границ подразделений. Практически важнух информацию могут дать реконструкции апвеллингов.

Аппробация работы. Результаты диссертации докладывались на XI конгрессе ИНКВА (Москва, 1982 р.), на 27-й сессии МГК (Москва, 1984 г.), на 5-Й Зоненшайновской конференции (Москва, 1995 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей.

Структура и объем работы. Диссертация'состоит из Введения, трех глав, Заключения, 12 рисунков, II таблиц, I приложения (ФОРТРАН-программы расчета вариаций климатических зон) и списка литературы 92 наименования. Объем диссертации составляет 93 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дается краткий обзор представлений о влиянии солнечной активности на земной климат и климатическую зональность в геологическом прошюм и описана структура работы.

В первой главе проводится построение теоретической модели влияния циклической деятельности солнечной тепловой машины на климатическую систему Земли,

Iii пе£в0й_главы рассматривается связь климатической зональности и солнечной активности. Когда солнечная деятельность ослабевает, то на Земле происходит похолодание и климатические зоны смещаются к экватору, и наоборот. Геологические материалы подтверждают такую зависимость. Предлагается модель иерархии циклов солнечной активности как резонансов в планетной системе.

Iii главы I описывается модель резонансов в солнечной системе в связи с гравитационным действием планет на Солнце и устанавливается связь периодов резонанса и циклов солнечной активности. Один из наименьших периодов получается 22.31 года, а наибольший - 2260.3 млн лет. Серии • промежуточных между этими периодов представляют интерес с точки зрения геоАических приложений (Геохронология, Палеоклиматология, Палеонтология). Определяются ff- и £ - серии резонансов.

-6В § 3 главы I предложена Расчетная схема вариаций климатических зон ео временя под влиянием системы резонансов. Выделяются: экваториальная, тропическая, субтропическая, умеренная и субполярная зоны. Схема дает возможность расчитать изменения в положениях границ зон при движении по времени в прошлое. "Базовой" дая расчетов является граница между умеренной и субтропической зонами, а положения остальных границ вычисляются исходя из нее.

В § 4 главы I результаты расчетов по модели, учитывающей лишь резонансы 1-го и 2-го порядков ( модель "первого приближения") сопоставляются с известными геологическими данными о палеоклиматах в фанерозое. Обнаруживается хорошее соответствие расчетных и геологических данных за одним исключением: похолодание на рубеже ордовика и силура в расчетах получается незначительным, тогда как геологические материалы указывают на оледенение (правда, лишь кратковременное в масштабах геологического времени).

Результаты этих исследований были суммированы и опубликованы в виде статьи С1 /.

Глава II (статья /2 /) посвящена развитию модели вариаций климатических зон и исследованию вопроса о возможных проявлениях климатических и солнечных изменений в периодических свойствах геохронологической шкалы фанерозоя.

В § I главы 2 обосновывается необходимость включения в расчетную схему резонасов 3-го порядка, а также возможного учета влияния гравитационных полей Галактики.

В § 2 дается описание "модели второго приближения" и приведены результата расчетов изменения широты северной границы субтропической зоны в мезозое (интервал 65 + 245 млн лет). Кав показывают расчеты, граница климатических зон не оставалась постоянной во времени, а испытывала довольно значительные вариации.

-7В § 3 главы 2 проводится анализ результатов моделирования палеокляматической зональности. В расчетах средних величин и средних квадратичных отклонений от них по отдельным периодам фанерозоя использовалась икала У.Б.Харленда и др.(1989). Согласно модели, климат кембрийского периода был теплым - средняя широта северной границы зоны субтропиков проходила на 14° выше ее современного значения (40°).

В срдавике наступает сильная арядазация - граница зон смещается еще на 23°, силур также остается жарким, но намечается некоторое снижение граница зон (около 4°). В девона климат гумидизирует-ся (снижение границы на 13°), но все же ее средний уровень остается на 20° выше современного. С гумидизацией, видимо, связана и -значительная трансгрессия. В карбоне и перш среднее значение широты границы зон падает даже ниже ее современного значения на. 2-3° с.ш.

В триасе начинается новый рост широты границы зон до уровня 56° с.ш. Высокое положение северной границы зоны субтропиков характерно и для всего мезозоя - только в юре она испытала понижение на 8°, но в мелу вновь повышается до 57° . Эта картина климатических изменений не противоречат данным геологии и палеоклиматологии.3^

В § 4 главы 2 устанавливается корреляция максимумов индекса климатической изменчивости и границ стратиграфических подразделений. Высказывается предположение, что именно климатические изменения являются причиной изменений в растительном и животном мире.

В § 5 главы 2 приводятся результаты исследований периодических свойств границ геохронологическах шкал. Для шкалы У.Б.Харленда и др. фурье-анализом выделяются периоды 25, 37.5, 75 и 150 млн лет. Эти периоды могут быть связаны как с эффектами резонансов на Солн-

х) В.М. Синицын. Введение, в палеоклиматологию. Л., 1980.

це, так и с параметрами галактической орбиты Солнечной системы.

Глава Ш посвящена более подробным исследованиям соответствия результатов модельных расчетов с геологическими материалами.

В § 1 (статья /3/) проводится сопоставление с данными о климатах в триасе, юре, мелу. Бели исходить из того, что расширение климатических зон соответствует потеплению (и росту арвдизации), а их сужение - похолоданию (и гумидизации), го согласно модельным данным, ход изменений климата был следующим. Триас - теплый и аридный, с некоторым ослаблением в среднем триасе и возрастанием в позднем. Юрский период - сначала жаркий, затем идет похолодание, максимум которого приходится на тоарский и ааленский века, и начиная с батского века и до конца юры аридизация нарастает. Ранний мел представляется жарким, но начиная с адта и особенно в альбе, зоны значительно сузились, знаменуя наступление гумидного периода, но в туронском и коньякском веках зоны вновь расширяются, достигая примерно современного их уровня. В сантоне происходит новое сужение зон (на 11°), а в кашане происходит новый рост, максимум котрого достигается в Маастрихте. Такой характер вариаций зон подтверждается и геологическими материалами.3^

Отмечается, что максимум климатической изменчивости, как правило, предшествует границам разделов шкал.

В § 2 главы 3 исследуется климатическая зональность в позднем палеозое (статья /"4 /). Ввиду того, что характер осадконакоплвния и состав органического мира в это время значительно отличаются от современных, комплексные исследования при климатических реконструк-

*) Тейс Р.В., Найдин Д.П. Палеотермометрия и изотопный состав кислорода органогенных карбонатов. М., 1973.; Ясамаяов H.A. Ландшафтно-шшматичесхие условия юры, мела и палеогена ига СССР. М.,1978.;

Вахрамеев В.А. Климаты мезозоя/ред.М.А.Ахметьев. Избр.Тр. ,1990. С. 174, Рис. 2.

днях становятся необходимостью. Это делает перспективным применение теоретических модельных расчетов. Сравнение с геологическими данными,* 'вновь подтверждает хорошую эффективность модели.

В § 3 главы 3 (статья [ 5 /) исследуются вариации климатических зон в кембрии, ордовике, силуре. Графическое сопоставление кривых похолодания-потепления показывает почти функциональную связь мезду расчетом и эмпирическими данными. Единственное отклонение - это то,

что модель дает более широкое положение границ зон для ордовика.30^

В $ 4 (статья /"6 J) показано, что моменты.времени сильнейших

в году землетрясений коррелируют (R = 0.95) с моментами времени короткопериодннх резонансов.

В § 5 главы 3 (статья /7 J) проведено исследование влияния вариаций зоны пассатных ветров на характер поверхностной циркуляции вод морей и океанов в геологическом прошлом. Существенным недостатком большинства известных моделей океанической палеоцирку-ции является то, что в них широтное положение зон пассатных ветров принимается постоянным (меняются напряжения ветрового воздействия, т.е. скорость и сила трения о поверхность). Однако климатические зоны изменяли свое положение [ 1 /, а вместе с ними и менялась широта зоны пассатных ветров и пассатных течений. Это обстоятельство было использовано автором для разработки новой модели палео-течений.

Для решения уравнений гидродинамики вместо метода ячеек использовался более простой - вариационный метод Ритца. Система циркуляционных вихрей при этом задавалась набором гауссоид. Модельные расчеты показали, что в полностью океаническом полушарии течения я противотечения распределяются по своим зонам. Выли

Frakes L.A. Cliaate throughout geologic time. . ti.X., l^Ti. ») Сеславинский К.'Б. О климате ордовика. ДАН СССР, 224, № 3 (1975).

выделены зоны: пассатных течений (ПТ), пассатных противотечений (ПП), экваториального течения (ЭТ) и течения западных ветров (ЗВ). Вблизи берегов они замыкаются в-систему циркуляционных ячеек.

Положения зональных течений определяются положением зон высокого (ЗВД) и низкого (ЗйД) давления и согласованно изменяются с их изменениями. В более сложных случаях учитываются законы "сообщающихся сосудов", и обязательно учитываются эффекты силы Кориоли-са. Принцип ахтуализма и закономерности, устанавливаемые на простых моделях, позволяют реконструировать схемы течений в любой момент геологического времена при условии известной палеогеографической основы и расчитанной заранее структуре климатической зональности.

Были проведены реконструкции для некоторых моментов геологического времени в палеозое и мезозое как для фиксистских, так и мобилистских схем-карт. Как образец, приведены схемы течений для двух веков мелового периода - Маастрихта и турона. Отдельно составлены схемы для региона Тетис и Европейской палеогеографической области (ЕПО). Учитывалось влияние горних сооружений на системы ветров (пассатных и западных). Как оказалось (и это подтверждается новейшими исследованиями), что система течений Тетиса в эти два века имеет прямо противоположное направление (в туроне - с запада на восток, а в Маастрихте - наоборот).

Важное значение реконструкций палеотеченяй заключается в возможности путем модельных расчетов определить местонахождения па-леоапвеллингов - продуцентов месторождений фосфоритов и основы нефтяных и газовых месторождений.

В заключении формулируются главные результаты и основные защищаемые положения. В приложении приведена ФОРТРАН-програима расчетов вариаций климатических зон в течение геологического времени.

-11-

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана теоретическая модель вариаций климатических зон в геологическом прошлом, в основе которой лежит представление о резонансных периодах в солнечной деятельности, контролируемой гравитационными полями планет и галактики.

2. Установлена связь между резонансными периодами в Солнечной системе и границами геохронологической шкалы фанерозоя, открывающая новые возможности датировок возраста и позволяющая решать спорные пограничные вопросы.

3. Обнаружено, что скачки эволюционного процесса происходят непосредственно после максимумов климатической изменчивости, определяемой через показатель дисперсии вариаций зон.

4. Разработана методика реконструкций поверхностных океанических палеотечений в связи с вариациями климатической зональности и зон пассатных ветров. Методика опробована на ряде примеров, в частности, на палеотечениях в меловом периоде.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Солнечная активность и климатическая зональность//Бкш.М0ИП, Сер. геол., 1990, 65, 3, 108-325. :

2. Климатическая изменчивость и геохронология//Еш.МОИП, Сер.геол. 1994, 69, 2, 126-139.

3. О климатических изменениях в триасе, юре, мелу//ДАН, 1994, 335, 4, 466-470.

4. Вариации климатической зональности в позднем палеозое//ДАН СССР, 1991, 317, 5, 1196 (с Н.А.Ясамановым).

5. Об изменениях климата в кембрии, ордовике, силуре//ДАН, 1991, 317, 6, 1439 (с К.Б.Сеславинским, Н.А.Ясамановым).

6. Исследование статистических свойств временного ряда сильных эемлетрясений//Изв.АН СССР, Физика Земли, 1991, & 3, с.18-25.

7. Вариации климатических зон и поверхностные течения в меловом периоде//Беи.МОИП, 1994 , 69 , 6, 103-123 (с Д.П.Найдиным).

Автор пользуется, случаем, чтобы выразить глубокую благодарность

своим консультантам: акад. В.Е.Хаину, проф. Н.А.Ясаманову и

профессору Д.П.Найдину.