Геологические и биологические регуляторы климата
Как известно, состав земной атмосферы в докембрии изменился с появлением и развитием жизни на планете. Первые простейшие микроорганизмы «выели» метан и другие углеводороды, а их потомки, освоившие фотосинтез, — огромные количества углекислого газа, господствовавшего в первичной атмосфере. В ее составе стал преобладать азот при постепенно повышавшемся содержании кислорода. Очевидно, что уже на заре развития биосферы живые организмы оказывали решающее воздействие на состав воздушной среды и газовую составляющую океанов, а через эти параметры и на климат всей планеты. Несомненно, что позднее, когда жизнь распространилась на континенты, освоила центральные районы океана и его дно, ее способность влиять на климат Земли еще более усилилась. Механизм этого влияния реализуется, по-видимому, через усиление или ослабление парникового эффекта.
Действительно, стоило увеличиться концентрации углекислого газа в атмосфере всего лишь на 25 %, а это произошло за последние 30 лет, как среднегодовая температура в умеренных широтах сразу же стала повышаться. Известно, что из 10 самых теплых зим, наблюдавшихся в нашем столетии в северном полушарии, восемь пришлись на 80-е годы, когда содержание углекислого газа в воздухе достигло 0,035 % против 0,028 % в середине века. Что же произойдет, если концентрация этого газа удвоится, т. е. достигнет 0,07 %? Ученые утверждают, что это вызовет катастрофические для человечества последствия. Среднегодовая температура возрастет в экваториальном поясе на 1,5 °C, а в высоких и умеренных широтах на 3–4 °C. Льды Антарктиды и Гренландии начнут быстро таять, что будет сопровождаться повышением уровня океана и морей. Огромные массивы суши окажутся затопленными. Произойдет то, что неоднократно наблюдалось как в плейстоцене, так и на протяжении всей геологической истории Земли, т. е. трансгрессия моря.
Следовательно, наличие или отсутствие парникового эффекта является важнейшим фактором, определяющим климат планеты. Очевидно, что количественные флуктуации в составе атмосферы, вызывающие серьезные последствия, весьма невелики. Двести лет промышленной революции, за которые было сожжено, по-видимому, около биллиона тонн ископаемого топлива, привели к усилению парникового эффекта, что, в свою очередь, обусловило заметное потепление климата. Всего 200 лет. Несомненно, что и в прошлом мог действовать механизм, связанный уже не с антропогенным воздействием, а с жизнедеятельностью организмов. Основными участниками процессов, контролирующих баланс кислорода и углекислого газа в атмосфере, в последние 400–300 млн лет остаются фитопланктон, обитающий в верхнем, фотическом слое океанских вод, бентос и высшая наземная растительность. Немаловажное значение имеет и направленность седиментационных процессов.
Напомним, что большинство морских организмов строят раковины или другие скелетные компоненты из карбоната кальция. Некоторые же представители фитопланктона используют кремнезем. После гибели организмов органическое вещество — слагаемое живых клеток — в большинстве седиментационных обстановок разлагается. В осадках фоссилизируется не более 0,2–0,4 % Сорг, участвующего в круговороте. Накопление значительного количества органического вещества происходит в болотных и озерных водоемах на суше, а также в полузамкнутых морских бассейнах с застойным гидрологическим режимом. В океанах такими зонами являются континентальные склоны, особенно в областях устойчивого подъема глубинных вод, и в меньшей степени приливно-отливные равнины или лагуны. Если органическое вещество, за исключением малой его части, не переходит в ископаемое состояние, то большая часть скелетных остатков достигает дна, формирует здесь осадки и таким образом выводится из круговорота веществ. Правда, в глубоководных океанских котловинах существует критическая глубина карбонатонакопления. Ниже ее карбонатные остатки, в основном раковинки фитопланктона, не проникают, растворяясь полностью. В современную эпоху эта глубина равна около 4500 м. Зато на континентальных окраинах, где накапливается до 80 % всех осадков океана, основная масса скелетных карбонатных остатков, в том числе рифы и другие постройки, не разрушается, образуя мощные осадочные толщи. Вместе с ними связываются и выводятся из оборота огромные количества кальция и углекислого газа, растворенных в морской воде.
Оптимальные условия для развития карбонатстроящих организмов существуют в низких и субтропических, отчасти в умеренных широтах, т. е. в теплых водах. Поэтому в эпохи глобального потепления климата ареалы распространения организмов с карбонатной функцией резко расширяются, захватывая умеренные, а иногда и высокие широты. Потепление, как известно, сопряжено с таянием ледников и повышением уровня океанских вод, нередко значительным. Это, в свою очередь, влечет за собой сокращение площади суши и расширение морского мелководья, которое в условиях некоторого снижения терригенного сноса с суши заселяется преимущественно карбонатстроящими организмами. Повышение уровня вод способствует быстрому росту рифов.
Теплый и влажный климат благоприятствует буйному развитию высшей растительности на суше, что при условии захоронения древесных остатков усиливает изъятие углекислого газа при одновременном обогащении воздушной среды кислородом. С течением времени описываемая последовательность событий неизбежно реализуется в сокращении концентрации углекислого газа в воздухе, а в конечном итоге и в снятии парникового эффекта. Результатом происшедшего сдвига становится постепенное похолодание климата, так как значительная часть солнечного тепла, достигающего верхних слоев атмосферы, начинает рассеиваться в космосе. Ледовый панцирь на полюсах постепенно разрастается, начинается оледенение, захватывающее умеренные широты. Вместе с тем происходит расширение области распространения холодных вод в океане, усиливается активность придонных течений, несущих кислород, и апвеллинговых процессов.
Как следствие, ареал обитания организмов с карбонатной функцией, а также высшей наземной растительности резко сокращается. Место карбонатного планктона занимает кремнистый: диатомовые, перидиниевые водоросли, силикофлагелляты, радиолярии. Биологическая продуктивность диатомовых и перидиниевых водорослей при наличии в среде биогенных элементов на несколько порядков выше продукции карбонатного планктона. Поэтому в эпохи похолодания на огромных пространствах океанского дна в холодных, умеренных и отчасти в тропических широтах (где обитают радиолярии) накапливаются кремнистые осадки. В зонах подъема глубинных вод эти последние существенно обогащаются органическим углеродом (1,5–5 % и выше), который попал на дно вместе с остатками диатомей и других организмов. Перевод атмосферного углекислого газа в органический углерод осадков называют действием «углеродной помпы». Она также усиливает эффект похолодания. Одновременно, однако, активизируются седиментационные процессы, протекающие с участием молекулярного кислорода.
Когда говорят об «углеродной помпе», обычно не учитывают, что органическое вещество в осадках из зоны апвеллинга относится к особому, амикагиновому типу [Вассоевич, Конюхов, Лопатин, 1976]. В структуре слагающих его гетерополиконденсатов связано много кислорода, азота и серы (N до 6 %, отношение Н/Сат достигает наивысших значений, 1,4–1,45). Разрушение этих гетерополиконденсатов и облагораживание органического вещества за счет удаления кислорода, азота и серы произойдут лишь при погружении вмещающих отложений в глубокие недра спустя миллионы лет. Таким образом, вместе с углеродом в органике амикагинового типа на долгое время связываются многие другие элементы, в том числе и входящие в состав атмосферы.
По соседству с углеродистыми, слабодиатомовыми осадками в зонах подъема глубинных вод формируются многие аутигенные образования, в том числе глаукониты, фосфориты, цеолиты. Хотя рост этих стяжений протекает очень медленно, масштабы аутигенеза подобных осадков весьма значительны. Только на континентальном склоне Западной Сахары глауконитовые пески и алевриты занимают, согласно нашим исследованиям в 1990 г., полосу протяженностью около 500 км в диапазоне глубин от 500 до 2500 м. Огромные поля глауконитовых песков оконтурены и в других зонах апвеллинга. В кристаллической решетке этих слоистых силикатов, аналогичной структуре трехэтажных глинистых минералов, находится много атомов кислорода. В эпоху похолодания усиливается «проветривание» океанских и морских глубин, ведущее к образованию (или утолщению) верхнего, окисленного слоя донных осадков. На это также расходуются значительные массы кислорода (в том числе на перевод закисных форм железа в оксиды), растворенного в воде, куда он поступает из атмосферы.
В эпохи похолодания на суше усиливается контрастность климатических условий. В пересыхающих водоемах обширных аридных поясов активно формируются псевдослоистые силикаты — сепиолит и палыгорскит. В структуре этих новообразованных минералов также связывается много растворенного в воде кислорода. Не просто подсчитать, какое количество последнего расходуется в отмеченных выше процессах. Несомненным, однако, является то, что его «потребление» в седиментационных процессах в эпохи похолодания значительно выше, чем в периоды господства теплого климата.
Движение ледников сопровождается эрозией обширных пространств суши. Разрушению подвергаются самые разнообразные породы, в том числе известняки и доломиты. Однако если большинство других образований в виде обломков разной величины остаются в моренных грядах или сносятся в конечные водоемы стока, то мелкие карбонатные зерна при переносе разрушаются полностью. Значительное количество углекислого газа, некогда связанного в их составе, возвращается в воду и воздух.
Благодаря перечисленным выше факторам, а также вследствие накопления продуктов вулканических извержений, окисления органического вещества, метана и нефтяных углеводородов, просачивающихся к поверхности, наконец, из-за лесных и степных пожаров равновесие вновь начинает смещаться в сторону повышения роли углекислого газа в атмосфере. Похолодание постепенно сменяется потеплением, ледники начинают отступать и таять. Маятник снова качнулся в другую сторону.
Вот как, на наш взгляд, действуют биологические и седиментологические механизмы регуляции климата, приводимые в действие главным образом живыми организмами. На одной стороне биологических «качелей» находится кремнестроящий фитопланктон, на другом — организмы с карбонатной функцией и высшая наземная растительность. На длительность периодов похолодания, потепления и перестройки климата от одного состояния к другому влияет, естественно, множество факторов, в том числе астрономические и тектонические. Так, резкое повышение вулканической активности приводит сначала к помутнению верхних слоев атмосферы, отражению части солнечных лучей и тепла в космос, что способствует похолоданию. Однако связанное с извержениями поступление углекислого газа в воздушную среду в долговременном плане должно приводить к глобальному потеплению климата.
Можно думать, что в течение длительных промежутков геологического времени, по крайней мере в фанерозое, сохранялось устойчивое равновесие между потреблением и поступлением в атмосферу таких важнейших ее составляющих, как кислород и диоксид углерода. Причины, приведшие к существенному нарушению сложившегося баланса, имели, скорее всего, тектоническую природу (рис. 11). Позднепалеозойское оледенение в гондванской части Пангеи закончилось одновременно с распадом этого суперматерика, начавшимся с углубления и расширения реликтового океана Тетис. Об этом свидетельствует накопление в центральных его котловинах радиоляриевых илов, ныне обнажающихся в Альпах, Апеннинах, Оманских горах, а в позднем триасе и юре накапливавшихся ниже уровня карбонатной компенсации. Однако на обширных шельфах и континентальных склонах, окружавших океан, господствовала аккумуляция карбонатов. Дальнейший распад Пангеи на фрагменты и раскрытие молодых неглубоких океанов резко расширили площадь шельфов, подводных склонов и неглубоких котловин, которые стали на долгое время областями накопления карбонатных осадков. Глобальные же трансгрессии моря в позднеюрскую и особенно в позднемеловую эпохи привели к еще большему распространению организмов с карбонатной функцией и благоприятствовали рифостроительству. За несколько десятков миллионов лет огромные количества углекислого газа были связаны в виде карбоната кальция, образовавшего мощные толщи известняков и доломитов на континентальных окраинах океанов Тетис, Атлантического и Индийского. Уже к концу мела климат на полюсах стал заметно меняться. Об этом свидетельствует анализ органических остатков, состава растительных сообществ, а также колец роста и сосудистой системы окаменевших деревьев в районе арктического склона Аляски. В позднем мелу этот регион располагался от 75 до 85°с. ш. Если в коньякский век среднегодовая температура близ Северного полюса достигала + 13 °C, то в Маастрихте и палеоцене она упала соответственно до + 5 и + 6… + 7 °C. В Маастрихте отмечалась некоторая аридизация климата в летние месяцы, а зимы стали морозными. Однако море вряд ли покрывалось льдами [Spicer, Totman, 1990]. В сеномане ледники сохранялись лишь на высотах более 1700 м, в Маастрихте они опустились до 1000 м.
Рис. 11. Площади, занятые континентами и океанами в различных широтах, в современную эпоху (а) и в фанерозое (б) ITardy el а!., 1989) Условные обозначения те же, что и на рис. 8
В высоких широтах южного полушария также отмечается похолодание, начавшееся в Маастрихте, т. е. до предполагаемого столкновения Земли с небесным телом, вызвавшего глобальный катаклизм. Небезынтересно отметить, что именно в Маастрихте произошло закрытие южного рукава океана Тетис и сближение Аравийско-Африканского континентального блока с Евразией. Тем самым тенденция к распаду материков сменилась тенденцией к их объединению. Первые признаки похолодания, зафиксированные в Маастрихте, обозначили лишь точку перелома, от которой началось смещение климатического маятника в сторону глобального понижения температуры. Однако только по прошествии 60 млн лет это привело к широкомасштабному оледенению.
За 300 млн лет до того к такому же похолоданию, вернее, к перелому тенденции от потепления к похолоданию привело пышное развитие высшей растительности на континентах (каменноугольный период). Вместе с древесными остатками, давшими начало многочисленным скоплениям угля, в недрах было захоронено огромное количество углерода, усвоенного растениями в процессе фотосинтеза и разложения углекислого газа атмосферы. Начавшемуся в позднекаменноугольную эпоху в южном полушарии оледенению благоприятствовало, как подчеркивалось выше, помимо указанного фактора, объединение континентов в гигантский суперматерик. Как видим, уже в то время действовали биологические и седиментологические «качели». Так, накопление карбонатов, достигшее максимума в девоне, постепенно сменилось во многих районах формированием кремнистых толщ — фтанитов, которые широко распространены в Уральском регионе, Северном Казахстане, на тихоокеанской окраине Северной Америки (Скалистые горы) и в других местах. Похолодание в позднем карбоне привело, таким образом, к вытеснению карбонатстроящих организмов холоднолюбивыми кремнистыми. Стали преобладать процессы, приведшие к снижению потребления углекислого газа и увеличению расхода кислорода.
Такова в общих чертах схема, позволяющая увязать трансформации климата на Земле в геологическом прошлом с тектоническими, биологическими и седиментационными процессами, протекающими у ее поверхности и в недрах.
