Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование палеоокеанологических условий игеохимических процессов в океане помикропалеонтологическим и геохимическим данным

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Моделирование палеоокеанологических условий игеохимических процессов в океане помикропалеонтологическим и геохимическим данным"

Р Г Б ОД

О в ВИЯ 19?0

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П.ШИРШОВА

На правах рукописи

УДК 56 : 574.5

ЮШИНА ИРИНА ГЕОРГИЕВНА

Моделирование палсооксанологическпх условий и геохимических процессов в океане по мнкроиалеонтологнческнм и геохимическим данным

Специальность 11.00.08 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва, 1997

Работа выполнена в Институте океанологии им. П.ГТ.ШИРШОВА Российской Академии наук

Официальные оппоненты:

Доктор геолого-мннералогических наук С.Д.Николасв

Доктор физико-математических наук

A.К.Амбросимов

Доктор геолого-мннералогнческнх наук

B.Т.Дубиичук

Ведущая организация - Институт географии РАН

на заседании специализированного совета по присуждению ученой степени доктора наук Д 002.86.01 при Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии Наук

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии Наук.

Адрес: 117218, Москва, Нахимовский проспект, дом 36 Автореферат разослан_18 декабря 1997 г.

Защита состоится

21 января 1998 г.

L

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 ПРОБЛЕМЫ

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.).

Палеоокеанологические 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 зкелезомарганцевых 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 Ce/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.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

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 массивов 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.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

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 Ce/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.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

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, палеосолености, 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 седиментогенеза) 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.

s

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 Ce/La.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

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 провшого.

Разработанная автором методика интерпретации микропалеонтологических данных для реконструкции палеоокеанологических условий и апробация этой методики на поэднечетвертичных 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 ЭВМ.

Разработка моделей океанского фосфатогенеяа 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 фосфатогекеза и помогли оценить роль фосфора как фактора, контролирующего биологическую продуктивность океана и климат Земли.

АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

Материалы диссертации полностью или частично доложены на международных и российских совещаниях и конференциях:

1) II Всесоюзное совещание "Современные методы морских геологических исследований", Москва, 1987.

2) VII всесоюзный семинар по радиоляриям, Свердловск, 1S87.

3) III съезд Океанологов, Ленинград, 1987.

4) 20th International Liege Colloquium on Ocean Hydrodynamics, Liege, Belgium, 1989.

5) IV международная конференция по нелинейным и турбулентным процессам в физике, Киев, 1989.

6) V региональная конференция о изучению природы Атлантического океана, Калининград, 1989.

7) IV International Conference on Paleoceanography, Kiel, Germany, September, 1992.

8) NATO ARW," Strategies for the use of paleoclimatic data sets in climate model intercomparison and evalution", Aussois, France, October, 1993.

9) Sympos ium "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 зтрупп "Шельф" и "Стратиграфия" Научного совета РАН по проблемам Мирового океана , Москва, ГИН, Февраль, 1996 г.

15) VIII Всероссийская палинологическая конференция. Москва, Октябрь, 1996.

16) III Рабочее совещание по российско-германскому сотрудничеству: Система моря Лаптевых. С.Петербург, Октябрь, 1996.

17) German-Russian Workshop " Variability of the Biosphere in northern Eurasia", Geomar Research

Center for Marine Geosciences, Kiel, November, 1996.

18) 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.

19) 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы и Защищаемые положения, обсуждается актуальность проблемы, научная новизна и практическая значимость работы.

Глава I. Постановка задачи.

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. В этой работе рассматривается применение

математических методов классификации и

статистического анализа к нескольким проблемам:

1. Исследование микропалеонтологических данных с точки зрения палеоэкологии и биостратиграфии.

2. Палеореконструкиии по фораминиферам и радиоляриям.

3. Анализ геохимических данных для выявления связей и определения источников редкоземельных элементов в различных средах.

4. Расчеты баланса рудного и рассеянного фосфора и основных биогенных элементов для различных периодов истории океана для выявления специфики фосфатогенеза.

Для решения поставленных задач были применены методы численной иерархической классификации (кластерный анализ), факторного анализа

(ортогональное и косоугольное факторные решения) и многомерные сплайны.

Численная иерархическая классификация.

Данные обычно представляют собой множество элементов, каждый из которых характеризуется набором признаков. "Признак" представляет собой переменную. Предполагается, что множество элементов неоднородно и его можно рассматривать как набор подмножеств, которые надо найти. Члены одного подмножества должны быть более сходны друг с другом, чем с членами других подмножеств.

Решение этой задачи не единственно, т.е. его нельзя рассматривать как структуру данных, а только как предмет исследования для выяснения свойств данных, слишком громоздких для непосредственного анализа. Мы будем иметь дело только с количественными или метрическими признаками (другие

номинальные, бинарные и порядковые признаки останутся за рамками данного исследования), хотя иногда номинальные признаки (признаки с

неупорядоченными состояниями) будут привлекаться для дополнительного анализа.

Из большого набора типов классификации в работе используется исключающая (один элемент является членом лишь одного подмножества и не может появится также и в любом другом подмножестве), внутренняя (когда все признаки вначале считаются

равноправными), иерархическая (когда группы

рассматриваются попарно, как возможные кандидаты для

/з

объединения, критерием объединения служит возможно меньшее увеличение неоднородности).

Процесс кластерного анализа состоит таким образом в объединении элементов в группы по степени сходства и слиянии элементов и групп. Меры сходства и различия элементов определяются как "расстояния" между элементами, эти "расстояния" могут определяются по-разному в зависимости от типа данных. В работе обсуждаются свойства шести мер сходства и возможность применения каждой из них для исследования конкретных данных.

После того, как метрика определена, то есть определено "расстояние" между элементами или группами элементов следует определить "положение" группы, аналогичное "положению" элемента, определенное как набор значений признаков.

Превращение группы элементов в новый элемент, пригодный для дальнейших вычислений мер сходства, называется стратегией объединения. Рассмотрены свойства различных стратегий объединения, обсуждены возможные комбинации мер сходства со стратегиями объединения.

Факторный анализ.

Факторным анализом называется ряд статистических методов представления матрицы данных наблюдений при помощи небольшого числа гипотетических величин, называемых факторами. В рамках общей структуры статистики факторный анализ входит а область многомерного статистического анализа.

Рассмотрим простейшую факторную модель в детерминированном случае, т.е. в ситуации, когда исследуется конкретная частная выборка данных. В другом случае (стохастическом) требуется рассмотрение выборочной теории и природы многомерного

распределения, для чего необходимы специальные исследования больших массивов данных, одинаково первично обработанных.

Итак, математическая модель описывается матричным уравнением:

14

~ Къю ' Ак,п + ЩпгР) (1)

Здесь и далее штрих обозначает транспонирование матрицы,

N - количество переменных (видов или таксонов); Р - количество образцов;

К - количество рассматриваемых факторов;

.А - нормализованная матрица данных (нормализация состоит в приведении каждой строки к виду, когда сумма ее элементов равна единице);

Е - матрица ошибок, обусловленных неравенством

ранга исходной матрицы данных X количеству рассматриваемых факторов (к);

матрица значений факторов;

А - матрица факторных нагрузок.

По существу матрица Значений факторов представляет собой совокупность собственных векторов

главного момента матрицы X. Согласно определению, собственные векторы матрицы линейно независимы и являются линейной комбинацией исходных переменных. Собственные векторы, соответствующие ненулевым собственным числам главного момента исходной матрицы данных, представляют собой ортогональные оси, на которые можно проектировать исходные векторы данных. Проекции исходных векторов на эти оси представляют

собой факторные нагрузки, т. е. образуют матрицу А. . Факторные модели такого вида в случае к>1 содержат существенную неопределенность. Это связано с тем, что любое неособенное линейное преобразование матрицы факторов переводит решение в другой вид, также удовлетворяющий исходному уравнению. Легко видеть, что преобразование матрицы факторов с

помощью неособенной матрицы Т не противоречит уравнению (1).

Переходя от исходной матрицы данных к матрице факторных нагрузок, мы можем существенно уменьшить размерность пространства переменных, а также быть уверенными, что работаем с некоррелированными

ортогональными осями, что позволяет использовать разного рода интерполяции.

Далее строится функция влияния. Весьма важным представляется также выбор числа к, поскольку при слишком малом к теряется большая доля информации, заложенная в исходных данных, а слишком большое к требует специальных методов анализа полученных факторных нагрузок, и возникают сложности при анализе полученных факторов.

Эта проблема была решена, когда на последнем этапе расчетов вместо линейной или квадратичной регрессии стали применяться многомерные сплайны, позволяющие тщательно исследовать 5~ 10-мерные вектора практически без потери точности.

Сплайн-функции.

Пусть О. - к-мерная ограниченная область, РъРъ-'чРN " система расположенных в а точек, в которых известны значения ГъГ?)•••/"/V • Рассмотрим

пространство Соболева 2 ' состоящее из функций,

т-тая обобщенная производная которых суммируема с

о к

квадратом на ¿> 2 , причем ТУ1 ^ .

Поставим задачу отыскивания интерполяционного сплайна 6: рр ? и3 условий

о(р)= /у = 1,2,...Д

а V а I

где а - мультииндекс, Б - дифференциальный оператор.

Аналитическое представление решения имеет вид:

/6

где (Зп, к ~ ФункЧия Грина оператора (—1)тД'п , Д-

оператор Лапласа. Функция Грина такого оператора хорошо известна и имеет вид

П (у Р>- Гт (х - РУ- /М^-Их-Р!!^

т.к\ 1 ^¡|х-РЦ2ш~к,к-2-1+1 здес

1/

ь 1|х-Р|!Ч £(хт-Р(1))2 ] , х=(х(1),х(2,,...,х(к))

1=1

Р ~(Р(1)'Р(2)'"-» Р(к))

Эту систему уравнений можно записать в матричном

виде: Н '

X г

V 0

,где Н полностью определяется

координатами точек . Умножив левую

и

правую части этого уравнения слева на ', получим

=н

слегка модифицированная матрица

является функцией влияния. Несложные численные расчеты позволяют таким образом вычислять расстояния точек многомерного пространства данных по исследуемому материалу от каждой из точек пространства данных материала сравнения.

В задачах о реконструкциях после исследования и выявления связей исследуемого материала (например, комплексов планктонных фораминифер или радиолярий) с параметрами среды обычно использовалась следующая схема: факторный анализ матрицы данных о содержании видов планктонных организмов в поверхностном слое осадка и выбор количества факторов, которые будут исследоваться, построение функции влияния и, наконец, расчет параметров палеосреды по данным из колонок бурения или геологических трубок.

Выбор количества рассматриваемых факторов является наиболее произвольным. Это количество должно быть не слишком малым, так, чтобы потеря информации при уменьшении числа переменных не

превышала 5 - 10%, в то же время оно ограничено условиями, существования и единственности решения задачи об интерполяционном сплайне.

Размерность матрицы Н равна сумма количества объектов в исходной матрице данных (Ы) и количества слагаемых в полиноме степени т-1 от п переменных 1: (п+га-1)!/(т-1)!/п! где ш - параметр вариационного функционала, п -размерность области (количество исследуемых факторов). Величина т определяется из условия: 2го>п. Количество слагаемых в полиноме т-1 степени от п переменных не должно превышать величины N.

Если эти условия не выполняются или среди объектов попадаются одинаковые - матрица Н получается вырожденной.

Пусть, например, количество объектов в исходной матрице данных равно 356 (данные СЫМАР по планктонным фораминиферам). Зависимость размерности матрицы Н (N+1) от количества рассматриваемых факторов показана в следующей таблице:

п ш >п/2 1<Ы N+1

3 2 4 360

4 3 15 371

5 3 21 377

б 4 84 440

7 4 120 476

8 5 495 -

здесь п - количество рассматриваемых факторов, ш -параметр вариационного функционала, ± - количества слагаемых в полинома степени т-1 от п переменных, N - размерность исходной матрицы данных. Таким образом, при данном количестве объектов в исходной матрице данных для интерполяции сплайном, основанном на функции Грина можно использовать не более 7 переменных. На этот выбор оказывает

влияние еще одно соображение: при минимизации функционала возникает необходимость обращения матрицы Н и от размерности этой матрицы зависит необходимое количество разрядов в численной

____________________У..................... . -...с*___~ - СПЛ-.СЛЛ

л ,, ^лл .-.а |ц рао.пс^п^огр!^ ш« —р и о .V —' ^ _

обычно достаточно двойной точности- 8 бит на число).

Для создания базы микропалеонтологических данных использована информация по распределению раковин планктонных фораминифер и скелетных элементов радиолярий на поверхности дна и в толще четвертичных осадков, накопленная в Институте океанологии в течение более 30 лет (аналитики: М.С.Бараш, Е.В.Иванова, Н.С.Блюм, Н.С.Оськина, Н.П.Лукашина, А.Г.Матуль), а также информация о содержании планктонных фораминифер в поверхностном слое осадка в Атлантическом океане, полученная из США в порядке обмена данными.

В качестве базы гидрологических данных, необходимых для выявления количественной зависимости распределения фораминифер и радиолярий от физико-географических (экологических) условий, использованы компьютерные данные Левитуса, содержащие основные гидрологические характеристики современного Мирового океана (температура, соленость) по четырем сезонам для всей толщи вод океана и созданы программы выборки гидрологических характеристик в заданных районах или точках Мирового океана.

Глава II. Палеореконструкции по планктонным фораминиферам.

Модель палеореконструкций, основанная на факторном анализе и многомерных сплайнах, позволяющая обработать количественную

микропалеонтологическую информацию, основана на нескольких допущениях.

1. Количественный состав микроорганизмов в образце из поверхностного слоя осадка определяется современным физическим состоянием океанской воды в той географической точке, где взят этот образец. Причем под "современными" понимаются характеристики океанской воды, усредненные за несколько десятков, а может, и сотен лет.

2. Изучаемая экосистема не менялась существенно на протяжении тех тысячелетий, возрасту которых соответствует исследуемый образец.

3. Все зависимости количественного состава микроорганизмов от палео- и современных условий

19

среды обитания с точностью, необходимой для рассматриваемых задач, являются гладкими функциями.

Исходя из этих трех предположений построена модель, описывающая палеоусловия среды на основании современных условий в океане по количественному составу микроорганизмов.

Проведено тестирование модели палеореконструкций по данным о количественном составе видов микрофоссилий в донных осадках.

В качестве базы микропалеонтологических данных использована информация о количественном составе планктонных фораминифер, полученная в 61 точке Атлантического океана (Imbrie J., Kipp N.,1971).

Редкие формы фораминифер исключены из рассмотрения, так что остались лишь 22 наиболее массовых вида. Верхние горизонты колонок рассматривались как современные осадки.

Тестовые численные расчеты показали, что ошибки, связанные с обращением матриц, выбором неполного базиса (количество факторов новых переменных меньше количества ненулевых собственных чисел) и другими численными упрощениями, обусловливают ошибку счета совершенно незначительную. Были вычислены

средкемноголетние значения температуры для лета Ts и для зимы Tw и солености S в верхнем слое океана в тех географических точках Атлантики, где были взяты колонки, верхние горизонты которых используются в модели как современные осадки. Эти величины сравнивались с наблюденными значениями, введенными в модель. С точностью до 0,1°С и 0,01%о разницы между введенными и вычисленными Значениями нет. (Отметим, что аналогичные расчеты Имбри и Кипп дают ошибки по тем же параметрам, достигающие в отдельных точках 5°С и 3,4° С соответственно для

летней и зимнеи температуры и 1/,« для солености.

Оценка точности работы модели, обусловленная представительностью исходных данных (количество точек Мирового океана, в которых исследовано содержание видов фораминифер в поверхностном слое осадка и равномерность их расположения в рассматриваемой области океана), позволяет сделать вывод, что на основании имеющейся информации можно

2о

рассчитывать на точность около 0.5 °С и 0,1 при восстановлении палеоусловий на поверхности океана. В связи с уменьшением диапазона изменения

гидрологических параметров с глубиной океана абсолютная точность палеореконструкций для более глубоких горизонтов возрастает.

Сравнение регрессивной и сплайновой моделей показало, что поверхностная температура океана, полученная сплайновой моделью, выше в среднем примерно на 1-1.5 градуса, причем в поверхностном образце, где сплайновая модель дает точную оценку, соответствующую современным условиям в данной точке океана, эта разница составляет от полуградуса для летней температуры до почти градуса для зимней. Что касается среднегодовой солености, сплайновая модель демонстрирует более заметную амплитуду изменений солености, хотя общий ход кривых аналогичен.

Предложена схема исследования пространственно -временных закономерностей и причинно - следственных связей в процессах позднечетвертичных климатических изменений в океане:

1) Кластерный анализ микроорганизмов каждой группы (фораминиферы, радиолярии) для разделения их на группы видов, предпочитающих сходные биогеографические условия.

2) Кластерный анализ проб из поверхностного слоя осадка для выбора гидрологических характеристик, наиболее тесно связанных с исследуемой группой микроорганизмов. Построение карт ареалов групп и отдельных видов микрофоссилий.

3) Факторный анализ образцов из поверхностного слоя осадка для выявления линейных связей и уменьшения количества переменных величин в дальнейших исследованиях. Сравнение полученных группировок с кластерами для исключения случайных связей, вызванных неполнотой базы данных и другими внешними для данного исследования причинами (растворением, плохой сохранностью раковин и т.д.)

4) Вычисление "функции влияния" и первичный анализ образцов из колонок для выявления "отскакивающих" проб, т.е. проб, в которых ископаемый комплекс организмов находится вне области

zt

определения факторных нагрузок. Такие пробы требуют специальных исследований, поскольку экстраполяции при решении данной задачи крайне нежелательны и недостоверны.

5) Кластерный анализ образцов из колонок для выяснения общих палеогидрологических характеристик водных масс.

6) Палеореконструкции по колонкам. Получение гидрологических характеристик древнего океана (палеотемпературы и палеосолености), расчет плотности, выделение временных срезов и расчет течений для информационно обеспеченных временных срезов.

Кластерный анализ видов фораминифер демонстрирует объединение видов фораминифер в группы, предпочитающее сходные условия окружающей среды. Состав этих групп отличен от состава групп полученных в методе М.С.Бараша, поскольку он использовал температурный ряд, т.е. деление на группы происходило по признаку максимального процентного содержания данного вида фораминифер в зависимости от среднегодовой температуры поверхности океана.

Кластерный анализ 29 видов фораминифер из базы данных Института океанологии отчетливо

продемонстрировал деление на 5 основных групп. Первая группа (арктическая) состоит из раковин фораминифер двух видов (Globoquadrina pachydexrma sin. и Globigerina quínqueloba). Максимальные концентрации этой группы видов обнаружены в Норвежском море и в море Лабрадор (>80%), а также в осадках севернее фронтальных зон субарктической конвергенции. Южнее 40 градуса северной широты концентрации первой группы нигдене достигают 20%.Вторая группа состоит из раковин фораминифер трех видов {Globigerina bulloides , Globoquadrina pachydezma dsx. и Globorota.Ha. inflaba) . Вторая группа обнаруживает максимумы вдоль фронтальных зон Гольфстрима. Третью группу (субтропическую) составляют раковины пяти видов фораминифер (Globorotalia sei tula, Globorotalia truncatulinoides dex.u sin., Globigerina falconensis и Globorotalia

hiz-.su . Максимальные концентрации этой группы находятся в субтропической Зоне Атлантического океана около 30 градуса северной широты. Четвертая и пятая группы имеют максимум в тропической Зоне Атлантического океана, но они как бы дополняют друг друга, так, четвертая группа максимальна в прибрежной зоне в районе котловины Сьерра Леоне и Гвинейской котловины, а пятая - максимальна у берегов Бразилии.

Палеореконструкции по колонкам фораминифер.

В фораминиферовую базу данных Института океанологии помимо данных об комплексах фораминифер в поверхностном слое осадка входит информация о составе ископаемых комплексов в более чем 80 колонках. Эти данные были проанализированы с точки зрения получения палеогидрологических параметоров по факторно-сплайновой модели. Для дальнейших

исследований были выполнены палеореконструкции температуры, солености и плотности океанской воды для поверхности океана и 10 глубинах (10 м, 20 м, 30 м, 50 м, 75 м, 100 м, 125 м, 150 м, 200 м и 250 м) . Построены трафики изменения основных гидрологических параметров (температуры, солености и условной плотности воды) для поверхности океана и нескольких горизонтов, которые позволяют примерно оценить гидрологическую обстановку, соответствующую данному образцу и иногда, при отсутствии точных возрастных датировок, выбрать образец в колонке,

соответствующий возрасту максимума последнего оледенения (примерно 18 тысяч лет назад).

Рассмотрены несколько характерных колонок, приведены результаты палеореконструкций

гидрологических параметров по данным о содержании 29 видов планктонных фораминифер в донных осадках.

Приведен пример комплексного исследования данных о содержании видов планктонных фораминифер в образцах из колонки (1,-66) . Построены Т-Б кривые для четырех сезонов и разрезы для пяти изотопно-кислородных стадий: "холодных" - второй, шестой и восьмой и "теплых" - пятой и седьмой. А также

проведен анализ реконструированных водных масс с точки зрения схожести их состава с современными водными массами.

Глава III. Палеореконструкции по радиоляриям.

Исследована база данных по составу комплексов радиолярий в поверхностном слое осадка северной части Атлантического океана. Эта база данных включает в себя комплексы радиолярий из 78 проб поверхностного слоя осадка и из пяти колонок, три из которых расположены в районе хребта Рейкьянсс.

Удается отчетливо выделить 7 групп радиолярий, который связаны с водными массами в районах их обитания.

Построена карта расположения групп поверхностных проб, полученных в результате применения факторного анализа и отмечены границы между этими группами. В пределах надежности построений, обусловленной обеспеченностью базы данных заметно совпадение границ выделенных групп с границами водных масс в северной части Атлантического океана.

Приведены примеры реконструкций палеотемператур для имеющихся колонок.

Глава IV. Палеотемпературы для времени максимума последнего оледенения.

Для времени максимума последнего материкового оледенения (изотопная стадия 2, около 18 тыс. лет) реконструированы среднегодовые и среднесезонные палеогидрологические характеристики океанской

воды.

Для этих палеореконструкций использованы как база данных Института океанологии, так и данные CLIMAP. В связи с невозможностью слияния этих баз данных на этапе реконструкций условий палеосреды из-за использования разных фракций при фораминиферовом анализе, приходится отдельно реконструировать данные из колонок CLIMAP по поверхностным данным базы CLIMAP и данные из колонок Института океанологии по данным поверхностной базы данных Института океанологии.

Построены карты температуры и солености на разных горизонтах для времени последнего оледенения и проведено сравнение их с современными

гидрологическими характеристиками океанской воды. Приведены карты разницы между температурой воды в современном океане и температурой воды времени последнего оледенения, а также сезонного хода для этих времен и разницы сезонного хода современной температуры воды и температуры воды для времени последнего оледенения.

Для вычисления скоростей течений использована численная модель открытой области, основанная на уравнениях гидротермодинамики океана в приближениях Буссинеска и кваЗистатики. На жидких границах приняты граничные условия Орланского (Ог1апэк± I. , 1976)

Приведены схемы горизонтальных скоростей течений на 9 стандартных горизонтах для времени последнего оледенения. Проанализированы отличия этих схем от современных схем скоростей течений. Построены карты геострофической составляющей вертикальной скорости.

Проведено тестирование надежности полученных результатов с точки Зрения палеогеографии. По данным о содержании видов планктонных фораминифер в верхних образцах колонок проведены реконструкции

гидрологических полей и построены схемы течений. Сравнение этих схем течений с картами течений в современном океане показало, что предложенные модели дают возможность получать объективные результаты, пригодные для палеогеографических исследований. Так, надежно воспроизводятся не только поверхностные течения, но и течения на больших глубинах, в частности - противотечение под струей Гольфстрима.

Глава V. Палеореконструкции по геохимическим данным.

Ассоциации химических элементов в океанском осадочном цикле.

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.

Исследование различных компонентов океанской среды выявило наличие определенных ассоциаций химических элементов, склонных к совместной миграции в системе морская вода - живое вещество - взвесь -осадки - железомарганцавые конкреции. Материал для работы почерпнут из литературных источников.

Для решения задачи о связях между отдельными элементами в ходе всего осадочного цикла в целом использованы методы численной иерархической классификации. Учитывая, что каждый элемент характеризуется рядом признаков (каковыми являются его содержания в различных объектах), элементы объединялись в группы по признаку максимальной однородности. Затем группы рассматривались попарно на предмет последующего объединения исходя из критерия минимального увеличения неоднородности. Было рассмотрено пять стратегий объединения, подробно рассмотренных в первой главе работы. Оказалось, что в целом выделенные группы элементов нечувствительны к смене стратегии. Это обстоятельство является признаком существования объективной природной закономерности, выражающейся в создании устойчивых ассоциаций элементов в океанской среде.

При рассмотрении результатов обращают на себя внимание устойчивые ассоциации некоторых элементов, сохраняющиеся на всех этапах миграции вещества от морской воды до осадков (что характеризует процессы седиментогенеза) и далее по железомарганцевых конкреций (являющихся диагенетическими

образованиями). Таковы, в частности, группа биогенных элементов, щелочных и щелочноземельных элементов, халькофильных металлов, благородных металлов. Полученные результаты, являются первой попыткой обобщения всех современных данных по миграции химических элементов в океанской среде и

26

могут послужить основой для разработки глобальной модели океанского осадочного цикла.

О химическом составе и источниках вещества океанской

взвеси.

С целью прояснения вопроса об относительной роли возможных источников материала взвесей исследовано содержание 13 макро- и 30 микроэлементов в 9 пробах водной взвеси из Атлантического и Тихого океанов и в одной пробе эоловой взвеси и района пролива Ла-Манш.

Количественная оценка степени сходства состава исследованных проб с выбранными эталонными объектами, осуществлялась Q-методом факторного анализа, подробно рассмотренным в первой главе работы. В качестве возможных источников океанских взвесей рассматривались планктон, аэрозоли и терригенный материал.

Установлено, что для всех изученных проб взвесей характерны почти одинаковые соотношения между терригенным и аутигенным веществом, примерно 1:1. При этом терригенный материал взвесей в большинстве случаев ближе по составу к глинам континентов, чем к эоловой взвеси из Атлантики, хотя разница между последними двумя эталонами несущественна.

Наиболее важным результатам является установление превалирующей роли терригенного источника

минеральной части взвеси, очень близкие составы эоловой африканской пыли и среднего состава глинистых пород земной коры и относительное однообразие соотношений между терригенным,

аэрозольным и планктонным источниками океансхой взвеси из относительно обширных регионов Атлантического и Тихого океанов.

Источники редкоземельных элементов в рудных образованиях Атлантического и Тихого океанов

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. Для рассмотрения источников РЗЭ в рудных образованиях Тихого океана использованы литературные данные по их содержанию в разнообразных объектах, включая следующие: рудные корки гидрогенного и гидротермального генезиса из различных зон океана, железомарганцевые конкреции из рудной провинции Кларион-Кпиппертон и зон активной гидротермальной деятельности, металлоносные осадки, полученные из скважин глубинного бурения в пределах Галапагосской зоны спрединга, фосфориты из различных фациальных обстановок, а также кости рыб и морских млекопитающих из пелагической зоны океана.

В качестве объектов сравнения использовались: океанская вода с 17 горизонтов, от 15 до 3250 метров, биогенные объекты - фораминиферы, диатомеи, водная взвесь (сепзрационная и из седиментационных ловушек с различных глубин), терригенные образования, включая средние составы земной коры, сланцев, континентальных глин, а также терригенные осадки Южно-Китайского и Желтого морей, средний состав глубоководных океанских осадков, средние составы океанских аэрозолей, гидротермальные сульфиды - пирит и халькопирит из "черного курильщика" Восточно-Тихоокеанского

подводного поднятия и высокотемпературные

гидротермальные растворы Срединно-Атлантического хребта.

Для исследования взаимосвязи между переменными, которыми в данном случае являются содержания РЗЭ, использован О-метод факторного анализа,

модифицированный в соответствии со спецификой рассматриваемых объектов.

В связи с тем, что анализы РЗЭ в рассматриваемых объектах неполны и неоднородны, выполнена оценка сопоставимости результатов при разных наборах элементов. Рассмотрение наиболее представительной группы образцов (54 рудные корки), проанализированных на 8 РЗЭ, выявило идентичность результатов по следующим сериям из 8, 7 и б элементов:

Ьа, Се, Нс1, Эт, Ей, ва, УЬ, Ъи;

Ьа, Се, N<1, 8т, Ей, УЬ, Ьи;

Ьа, Се, N<1, Бт, Ей, УЪ

Наиболее примечательным 1-13 полученных результатов является то, что в гидротермальных рудных корках и металлоносных осадках, формирующихся за счет активной поставки эндогенного материала из недр океанской коры, преобладают РЗЭ гидрогенного происхождения, а в гидрогенных корках, образующихся за счет медленного осаждения железа и металлов из морской воды, преобладают РЗЭ эндогенного происхождения.

В гидрогенных рудных корках, образующихся со скоростями на несколько порядков ниже по сравнению с гидротермальными, сорбция РЗЭ происходит в целом более эффективно. При этом РЗЭ поступают в основном не из океанской воды, как полагали ранее, а из некоего другого источника со составом РЗЭ, аналогичным гидротермальному. Вероятно, таким источником могут быть медленно высачивающиеся в зоне распространения подводных гор гидротермы или диффундирующие из базальтов при их подводном выветривании поровые воды.

Вторым по Значению источником РЗЭ в гидрогенных корках является терригенный. Вероятно, это связано с поступлением в пелагическую зону океана наиболее тонких фракций терригенного эолового материала, обогащенного РЗЭ относительно среднего состава континентальных пород.

Источники РЗЭ в железомарганцевых конкрециях зоны Кларион-Клиппертон не являются неожиданными. В донных отложениях этой зоны преобладает биогенный материал, который, видимо, и служит основным переносчиком РЗЭ из водной толщи на дно. Вторым по значению является терригенный материал, который также составляет значительную фракцию донных отложений.

Фосфориты, несмотря на разнообразие их составов и условий залегания, представляют в рассматриваемом плане довольно единообразную картину - основными источниками РЗЭ в них являются биогенный материал, что согласуется с их изначально биогенной природой, и океанская вода.

Сложенные фосфатом костные остатки рыб и морских млекопитающих из пелагической зоны океана по сравнению с фосфоритами — значительно более активные накопители РЗЭ, концентрируют их до десятых долей процента. Содержащиеся в них РЗЭ - исключительно гидрогенного происхождения, что связано с длительной экспозицией биогенного фосфата (нередко с третичного времени) в зонах отсутствия осадконакопления или эрозии дна.

В целом приведенные результаты свидетельствуют о том, что факторный анализ может оказать существенную помощь в деле выявления природы и роли источников химических элементов в рудных образованиях океана.

Выли также исследованы рудные образования со дна Атлантического океана. В качестве объектов исследования были использованы рудные образования нескольких типов с известным составом РЗЭ. В качестве материалов сравнения, которые рассматривались как потенциальные источники РЗЭ в фосфоритах, использованы составы РЗЭ следующих объектов: морская вода с 15 горизонтов (10-4427 м) из северо-западной Атлантики и с 10 горизонтов (0-4500 м) из северовосточной Атлантики, донные осадки трех типов: глубоководные пелагические, терригенные из

периферических зон океана и известняки банки Агульяс, глинистые и карбонатные породы континентального блока, биогенные материалы: фораминиферы, диатомеи, суммарный планктон и суммарная взвесь поверхностных вод океана, материал из седиментационных ловушек с горизонтов 1500, 3200, 3500 м. , средний состав океанского аэрозоля, состав высокотемпературных гидротерм из рифтовых Зон океана, а также состав гидротермальных пирита и халькопирита сульфидной руды из зоны 12°50' северной широты Восточно-Тихоокеанского поднятия. Общее число рассматриваемых образцов - 60, материалов сравнения - 54.

На основании полученных данных все образцы можно формально разделить на 4 группы.

В первую группу входят все гидрогенные корки, тодорокит из гидротермальной корки, железомарганцевые конкреции и микроконкреции и

фосфатизированное ядро желеЗомарганцевой конкреции. Во вторую группу входят большая часть гидротермальных корок и фосфоритов. Третья группа включает в себя фосфатные пеллеты с шельфа Намибии и 2 образца фосфоритов с банки Агульяс. Четвертая группа представлена 2 образцами гидротермальных корок.

В образцах первой группы решающую роль в накоплении РЗЭ играет, видимо, процесс осаждения железа и соосаждения РЗЭ из морской воды. Роль эндогенного фактора в этом случае второстепенна, но выявляется отчетливо.

В образцах второй группы состав РЗЭ определяется гидрогенным фактором, нередко при существенной роли биогенного. Механизм поступления РЗЭ в

гидротермальные корки, вероятно, тот же, что и при формировании гидрогенных корок и железомарганцевых конкреций, т.е. соосаждение из морской воды с гидроксидами железа и марганца.

Третья группа образцов, представленная

фосфоритами с терригенным составом РЗЭ, является свидетельством того, что терригенный материал содержит подвижную фракцию РЗЭ.

Четвертая группа отличается от всех прочих ярко выраженной "эндогенной" меткой во всех трех основных вариантах расчета (31-61%). Это показывает, что в некоторых случаях гидротермальные РЗЭ

количественно улавливаются осаждающимися

гидроксидами железа и, видимо, марганца. Два рассмотренных образца представлены именно

марганцевыми корками, содержащими 43-44% Мп и 0.2% Ге.

Редкоземельные элементы в фосфоритах и глубина их

формирования на подводных горах Тихого океана.

Исследовано распределение редкоземельных

элементов (РЗЭ) в фосфоритах, поднятых с подводных гор с глубин от примерно 400 до 3600 метров. В целом для этих фосфоритов характерно относительно повышенное содержание РЗЭ, резко отрицательная цериевая аномалия, небольшая положительная аномалия

Gd и незначительное относительное обогащение тяжелыми РЗЭ, что характерно также для океанской воды, в которой происходит определенное изменение состава РЗЭ с глубиной. Сопоставление составов РЗЭ фосфоритов и вод северо-западной части Тихого океана с помощью Q-метода факторного анализа показало, что РЗЭ поступали в фосфатное вещество с разных глубин по мере погружения подводных гор.

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.

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 Ce/La.

В единичных образцах фосфоритов обнаружено влияние на состав РЗЭ планктона и водной взвеси, т.е. преимущественно биогенного материала, осаждающегося из поверхностных вод.

В образцах с четырех подводных гор, находящихся в зоне активного вулканизма между Гавайскими островами и островами Лайн, установлена заметная доля РЗЭ гидротермального происхождения.

В заключении сформулированы основные результаты

работы.

Разработана и применена новая математическая модель интерпретации микропалеонтологических данных для реконструкции палеоокеанологических условий основанная на факторном анализе и многомерных сплайнах. Модель обеспечивает полный цикл математической обработки и палеоокеанологической интерпретации эмпирических данных

микропалеонтологических исследований осадков океанов и морей. 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. Модель позволяет реконструировать

трехмерные поля гидрологических параметров

(температура, 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, палеосолености, палеотечений и т.п.

Реконструкции сезонных гидрологических

характеристик для серий глубинных горизонтов позволяет получать данные для расчетов

крупномасштабных элементов климатической системы Земли. Палеоокеанологические реконструкции могут быть использованы для фундаментальных исследований пространственно-временных Закономерностей

формирования глобальных климатических систем на разных этапах геологической истории, в частности, для создания прогностических моделей.

Проведены исследования амплитуды и

последовательности позднечетвертичных

палеоокеанологических изменений по колонкам осадков из разных районов Атлантического океана и реконструкции полей палеоокеанологических параметров для характерного позднечетвертичкого временного уровня - времени максимума последнего материкового оледенения ( около 18 тыс. лет назад).

Обобщены современные данные о содержании химических элементов в океанской среде и установлены связи между этими элементами при их миграции в системе морская вода - живое вещество -взвесь - осадки - железомарганцевые конкреции.

Детально рассмотрен химический состав нескольких представительных проб сепарационной взвеси из Атлантического и Тихого океанов и одной пробы эоловой взвеси для выяснения вопроса об относительной роли возможных источников материала Результаты расчетов показали, что для всех изученных проб взвесей характерны почти одинаковые соотношения между терригенным и аутигенным веществом, примерно

1:1. При этом терригенный материал взвесей в большинстве случаев ближе по составу к глинам континентов, чем к эоловой взвеси из Атлантики.

С помощью факторного анализа выполнено сопоставление составов редкоземельных элементов (РЗЭ) в железомарганцевых рудных образованиях и фосфоритах и их потенциальных источниках. В качестве источников рассматривались поверхностные и глубинные океанские воды, различные типы донных осадков и осадочных пород, биологические объекты, аэрозоли, гидротермальные растворы. По степени сходства с потенциальными источниками выделено 4 типа распределения РЗЭ в исследуемых объектах. Установлено ощутимое влияние гидротермального источника на состав РЗЭ гидрогенных корок, некоторых гидротермальных корок и

желеЗомаргакцезых конкреций.

Сопоставление данных по распределению РЗЭ в фосфоритах подводных гор и различных горизонтах водкой толщи открытого океана выявило наличие "мелководной" метки во всех рассмотренных образцах независимо от глубины их отбора.

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 Ce/La.

В единичных образцах фосфоритов обнаружено влияние на состав РЗЭ планктона и водной взвеси, т.е. преимущественно биогенного материала, осаждающегося из поверхностных вод.

В образцах с четырех подводных гор, находящихся в зоне активного вулканизма между Гавайскими островами и островами Лайн, установлена заметная доля РЗЭ гидротермального происхождения.

Список основных работ автора

A.C.Монин, В.H.Дроздов, И.Г.Юшина. Спектры течений ПОЛИМОДЕ. Доклады АН СССР т.258, N2, 1981, с.331-334

Д.Г.Сеидов, И.Г.Юшина. О взаимодействиях вихрей синоптического масштаба в открытом океане. Известия АН СССР, ФАО, т. 19, N7, 1983,с.750-760 Д.Г.Сеидов, И.Г.Юшина. О численном прогнозе течений в открытом океане. Известия АН СССР, ФАО, т. 19, N9, 1983,с. 965-970

И.Г.Юшина. Расчет синоптических течений на полигоне "Кергелен" в Тихом океане. Актуальные проблемы океанологии, 1984, Москва, Изд. ИО АН СССР, с. 39-42 И.Г.Юшина. Моделирование неустойчивости баротропного циркумполярного течения. Тонкая структура и синоптическая изменчивость морей и океанов, 1984, Таллин, Изд. АН СССР, с. 193-195

Ю.М.Грачев, И.Г.Юшина. Синоптический прогноз течений в струе Антарктического циркумполярного течения. Океанологические исследования, 1985, N 39, с. 23-26

A.С. Монин, В.H.Дроздов, И.Г.Юшина. Временные спектры. Атлас ПОЛИМОДЕ, Woods Hole, 1986, Océanographie Institution Woods Hole, Massachussets, USA, 1986,pp.134-155

Г.Г.Сутьгрин, И.Г.Юшина. Взаимодействие синоптических вихрей конечной амплитуды. Доклады АН СССР, 1986, т. 288, N3, с. 585-589

I1. Г. Сутьгрин, И. Г. Юшина. Об эволюции одиночных вихрей во вращающейся жидкости. Известия АН СССР, МЖГ, 1986, Ы 4, с. 52-59

Г.Г.Сутырин, И.Г.Юшина. Численное моделирование слияния внутритермоклинных вихрей.

Внутритермоклинные вихри в океане, 1986, Москва, Изд. ИО АН СССР, с. 101-104

И.Г.Юшина. Имитация взаимодействия синоптических вихрей в открытом океане. Моделирование

синоптических вихрей и процессов в океане 1986, М. , Наука, с.60-63

Ю.М.Грачев, И.Г.Юшина. О сопоставлении результатов синоптического прогноза с данными наблюдений на полигоне к югу от Африки в АЦТ. Моделирование синоптических вихрей и процессов в океане 1986, М. , Наука, с.55-60

B.H.Дроздов, И.Г.Юшина. Особенности движения на полигоне ПОЛИМОДЕ по частотным спектрам и некоторым средним характеристикам течений. Моделирование

синоптических вихрей и процессов в океане 1986, М. , Наука, с.79-84

С.Б.Кругликова, И.Г.Юшина. Использование таксонов высокого ранга радиолярий для палеореконструкций методом факторного анализа. Известия АН СССР, серия геологич., 1987, N 2, с 128-130

Г.Г.Сутырин, И.Г.Юшина. Формирование вихревого солитона. Доклады АН СССР, 1988, т. 299, N3, с. 580584

Д. Г.Сеидов, В. Н.Дроздов, И.Г.Юшина. Примеры

краткосрочного прогноза гидрофизических полей на полигонах. Модели океанских процессов, Москва, Наука, 1989, с. 150-154

Д.Г.Сеидов, В.Н.Дроздов, В.Х.Еникеев, И.Г.Юшина. Численный прогноз эволюции гидрофизических полей по данным 45 рейса НИС "Академик Курчатов". Модели океанских процессов, Москва, Наука, 1989, с. 161-165 Г.Г.Сутырин, И.Г.Юшина. Моделирование эволюции монопольного вихря под действием - эффекта. Модели океанских процессов, Москва, Наука, 1989, с. 174-182 И.Г.Юшина. Реконструкция условий палеосреды океана по планктонным фораминиферам методом факторного анализа и онлайновой интерполяции. Океанология, 1989, Т. 29, Вып.4, с.619-624.

Г.Н.Батурин, В.С.Савенко, И.Г.Юшина. Об ассоциациях химических элементов в океанском осадочном цикле. Доклады АН СССР, 1989, т. 309, N 6, с. 1453-1459 Г.Н.Батурин, И.Г.Юшина. Об источниках редкоземельных элементов в железомарганцевых конкрециях. Геохимия, 1991, КГ 6, с.905-910

Г.Г.Сутырин, И.Г.Юшина. Numerical modelling of formation, evolution, interaction and decay of isolated vortices. Mesoscale/Synoptic Coherent Structures in Geophysical Turbulence, Amsterdam Oxford - New York - Tokyo, ELSEVIER, 1989, p. 721-736 Г.Г.Сутырин, И.Г.Юшина. О синоптическом фронтогенезе в верхнем слое океана. Исследование

гидрометеорологических океанических процессов,

Москва, Наука, 1990.

Д.Г.Сеидов, В.Н.Дроздов, В.Х.Еникеев, И.Г.Юшина. Количественная оценка оправдываемости прогноза

океанографической обстановки в синоптическом диапазоне по данным полигонных исследований. Исследование гидрометеорологических океанических процессов, Москва, Наука, 1990.

И.Г.Юшина. Evolution of the near-wall jet. General Circulation of the Oceans, WHOI-89-54, Woods-Hole, USA, 1989, p.470-512

Г.Н.Батурин, И.Г.Юшина. Источники редкоземельных элементов в рудных образованиях Тихого океана. Доклады АН СССР, 1991, т. 318, N 2, с. 418-422 Г. Г. Сутырин, J.S. Hasthaven, J. P. Lynov, J.J. Rasnussen, И.Г.Юшина. Nonlinear interaction between a monopolar vortex and its Rossby wave wake. Annales Geophvsicae, 1994, suppl.to V.12, p.344 Г.Н. Батурин, Е.М.Емельянов, В. JI. Стрюк, И.Г.Юшина. О химическом составе и источниках вещества океанской взвеси. Океанология, 1995, N 1, с. 114-120. Г. Н . Батурин, И.Г.Юшина. Редкоземельные элементы и их возможные источники в рудных образованиях со дна Атлантического океана. Океанология, 1996, N 3 с. 451-461.

И.Г.Юшина. A complex of programs and databases for palecclimate modeling and the biogeographical analysis by micropaleontological data. Terra Nostra, Schiften der Alfred-Wegener-Stiftung 1996, p.56.