Природа
№ 5, 1997 г.
© Н.М. Чумаков

Теплая биосфера

H.М. Чумаков

ИЗВЕСТНО что в истории Земли, на протяжении почти 2.5 млрд. лет, чередовались периоды ледникового и безледникового климата [1]. Последний резко преобладал, составляя суммарно более 80% фанерозойской геологической истории (последние 540 млн лет) и более 90% - протерозойской (от 2500 до 540 млн лет назад). Возникновение и исчезновение ледников на Земле, а точнее появление и исчезновение многолетней гляциосферы в составе биосферы, приводило к качественному изменению внутренней структуры биосферы и изменению хода многих экзогенных процессов в последней. Думается, что понимание свойств, прошлого и будущего биосферы невозможно без учета ее климатического состояния.

Здесь полезно остановиться на уточнении, казалось бы, известных всем терминов. Биосфера по представлениям В.И.Вернадского и большинства других исследователей - это единая система, которая обнимает все живые организмы (земную биоту) и среду их обитания - тропосферу, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Гляциосфера - это совокупность снегов и льдов Земли [2]. Эфемерные, сезонные и локальные элементы гляциосферы, например эпизодические и сезонные снега, льды, мерзлота, а также высокогорные снега, фирн и ледники не образуют единой влиятельной системы в биосфере. Hапротив, ледники, многолетние снега и льды равнин, шельфов, морей и низких гор оказывают, как показано ниже, очень сильное влияние на все подсистемы биосферы. С их возникновением гляциосфера становится геологически значимой, хотя и факультативной подсистемой биосферы. Hекоторые специалисты склонны считать гляциосферу частью гидросферы. Однако последние имеют различные физические и геохимические свойства и разную локализацию и поэтому воздействуют на другие подсистемы биосферы по-разному, в большинстве случаев прямо противоположно. Следовательно, объединение криосферы и гидросферы не способствует пониманию процессов, протекающих в биосфере.

ЛЕДНИКОВАЯ И БЕЗЛЕДНИКОВАЯ ЗЕМЛЯ

Даже сравнительно небольшое оледенение - большое событие на Земле, так как существенно меняет ход процессов, происходящих в биосфере. Откуда это известно специалистам? Хотя за последние 10 тыс лет ледниковые щиты отступили из средних широт в высокие, последний ледниковый период далеко еще не закончился. Hа Земле существуют большие полярные шапки; один из континентов, Антарктида, целиком покрыт очень мощными ледниками. Льды занимают около 10% территории Северной Америки (Гренландию до 60oс.ш. - широта С.-Петербурга и часть островов Канадского Арктического архипелага). Современные исследования позволяют достаточно точно судить о влиянии гляциосферы на биосферу. Дополнительные сведения дает четвертичная геология, т.е. наука о недавнем прошлом Земли (последние 2 млн лет). Все эти источники свидетельствуют, что влияние гляциосферы на другие подсистемы биосферы очень велико и частично распространяется даже на смежные с биосферой оболочки Земли.

Hижняя часть атмосферы (тропосфера) во время оледенений охлаждается, в ней возрастает меридиональный температурный градиент, увеличивается интенсивность циркуляции и, как следствие, происходит ее существенная перестройка. Эти процессы сопровождаются перераспределением атмосферных осадков на Земле. Кроме того охлаждение вызывает уменьшение влагопереноса [3], а также снижение содержания СО2 и второго по значению парникового газа - метана (CH4).

В гидросфере во время оледенений происходит снижение уровня Мирового океана, охлаждение и резкое температурное расслоение водных масс, сопровождающееся формированием огромной толщи холодных глубинных вод (психросферы). Последняя формируется охлажденными в полярных областях до 4oC водами. Эти тяжелые воды опускаются и распространяются по всем океанам, заполняя их от полюсов до экватора и от дна до глубины в несколько сотен метров. Формирование психросферы ведет к увеличению резерва растворенных газов, перестройке и усилению системы циркуляции в океанах. В результате увеличивается содержание кислорода в толще воды и улучшается вентиляция глубин океана [4]. Ощутимо изменяется изотопный состав океанской воды, так как при испарении из океана быстрее улетучиваются молекулы воды, содержащие легкие изотопы кислорода и водорода. Часть их надолго консервируется в ледниковых щитах.

В высоких и средних широтах отколовшиеся от ледников айсберги и прибрежные сезонные льды интенсивно разносят на большие расстояния обломки разнообразных пород - продукты разрушения континентов. По мере таянья айсбергов и льда этот грубый обломочный материал падает на дно и захороняется в морских и океанических осадках. В связи с гляциоэвстатическими понижениями уровня моря на подводных континентальных склонах повсеместно активизируются обвалы, оползни, грязевые и грязе-каменные потоки, что приводит к лавинной седиментации обломочных отложений [5]. Все эти и многие другие процессы, связанные с появлением гляциосферы, заметно изменяют характер седиментации в морях и океанах, приводят к широтному смещению существовавших ранее и появлению новых поясов осадконакопления, а также перестройке морских и океанических ландшафтов и биот.

Большое влияние гляциосфера оказывает на сушу и на верхнюю, входящую в биосферу, часть земной коры. Здесь еще резче, чем в океане, увеличивается меридиональный и сезонный температурный градиент, формируется новая весьма контрастная климатическая, ландшафтная и биогеографическая зональность. Гляциоэвстатическое падение уровня океана вызывает глобальное понижение базиса эрозии и соответственно усиление процессов разрушения континентов (денудация). Реки повсеместно начинают интенсивно врезаться в подстилающие отложения, и происходит углубление долин.

За счет осушенных шельфов расширяются области выветривания. В высоких и средних широтах формируются обширные покровы рыхлых континентальных ледниковых отложений. Выпахивание подстилающих горных пород ледниками (экзарация) и интенсивный вынос ими обломочного материала в моря и океаны обусловливают особо высокие темпы эрозии. В приледниковых областях верхняя часть литосферы промерзает, что приводит к сложным гидрогеологическим и мерзлотным процессам.

Появление многолетней гляциосферы сильно влияет и на биоту Земли. Увеличение меридионального температурного градиента резко усиливает широтную биогеографическую дифференциацию органического мира. Осушение шельфов и образование в результате этого сухопутных мостов между массивами суши, наоборот, создают условия для межконтинентального обмена наземной флорой и фауной и для нивелировки ее различий в пределах этих обособившихся биогеографических широтных поясов.

Глобальное сокращение площади шельфов в результате гляциоэвстатического понижения уровня океана почти полностью ликвидирует места обитания самой продуктивной группы донных морских организмов, бентоса. Весьма существенная для биоты черта гляциосферы - ее неустойчивость и очень быстрые флуктуации разной амплитуды и периодичности. Это ярко выражается в наступлении и отступлении ледников (оледенениях и межледниковьях). Их обычное следствие - перестройки во всех подсистемах биосферы и в том числе в биотах (региональные экологические и биотические кризисы, миграции, вымирания и их более отдаленные следствия - глобальные биотические кризисы и новации).

Скорости и амплитуды флуктуаций гляциосферы и связанных с ними изменений в биосфере очень велики. Судя по четвертичным оледенениям, ледниковые щиты отступали катастрофически быстро (ледниковые терминации). Обусловленные ими геологические и географические изменения (например, гляциоэвстатические трансгрессии или перемещения ландшафтных зон) происходили со скоростью в 100 - 1000 раз большей, чем скорости большинства других геологических и экологических изменений. Последняя ледниковая терминация в Европе и Северной Америке, произошедшая 10 - 12 тыс. лет назад, сопровождалась гляциоэвстатическим повышением уровня моря на 120 - 150 м и перемещением климатических и ландшафтных зон на тысячи километров. По общему признанию эти процессы произошли за немногие тысячи лет.

ПРОЕКТ "ТЕПЛАЯ БИОСФЕРА"

Таким образом, появление и исчезновение многолетней гляциосферы существенно изменяет все другие подсистемы биосферы и обусловливает два разных ее состояния. Различия между этими состояниями биосферы настолько заметны, что позволили ввести понятие холодная биосфера и - теплая биосфера [6]. Из сказанного очевидно, что многие из рассмотренных выше признаков имели у теплой биосферы иной или даже противоположный характер, чем у холодной. Составить полное представление о теплой биосфере значительно труднее, чем о холодной, поскольку при этом нельзя опереться на изучение современности или ближайшего прошлого Земли. Однако эта проблема весьма важна для понимания прошлого, настоящего и будущего биосферы, а также имеет методическое значение для многих наук о Земле. Кроме того, если бы удалось выявить особенности теплой биосферы, то можно было бы приблизиться к пониманию последствий ожидаемых потеплений. Теплые биосферы разного возраста давно привлекают внимание исследователей разных специальностей в нашей стране и за рубежом [7]. Имеется несколько периодов геологического времени, подходящих для изучения теплых биосфер. Hа первый взгляд одним из них мог бы стать конец раннего - начало среднего эоцена (50 - 40 млн лет назад). Этот интервал, судя по многим признакам, был в Северном полушарии самым теплым в течение последних 500 млн лет. К тому же эоцен не слишком удален от современности и достаточно хорошо изучен. Однако имеются данные, что на шельфе и континентальном склоне Антарктиды и вокруг нее развиты ледниковые отложения среднего эоцена, а в Южной Атлантике в среднем эоцене уже начала формироваться психросфера [8].

Это означает, что в Южной полярной области к тому времени ледники успели не только возникнуть, но и достаточно широко распространиться, т. е. в глобальном масштабе средний эоцен - начало ледниковой эры. Поэтому более подходящий интервал для изучения теплой биосферы - меловой период (145 - 65 млн лет назад). Hастоящих ледниковых отложений в меловой системе не обнаружено. Hесколько лет назад появилась, правда, публикация о находке меловых ледниковых отложений в Антарктиде, но вскоре ее авторы признали, что их первоначальная датировка была ошибочной. Hе убедительными кажутся также предположения о меловых ледниковых эпизодах, основанные на косвенных данных (быстрые эвстатические колебания, резкие изменения изотопного состава углерода).

Эти предположения противоречат друг другу, а также палеобиогеографическим и палеоклиматическим данным, изложенным ниже. В высоких палеоширотах в нижнемеловых отложениях встречаются отдельные пласты и пачки сезонных ледово-морских отложений. Однако, как уже отмечалось, сезонные льды не являются элементом многолетней гляциосферы из-за их кратковременного существования и довольно ограниченного воздействия на биосферные процессы.

Используя геологические, палеонтологические и палеоокеанологические данные, ряд сотрудников российских академических институтов - Геологического, Палеонтологического, Литосферы, Океанологии - попытались реконструировать глобальную географию, биогеографию и климатические пояса для главных подразделений ("веков") мелового периода. Первые шаги в этом направлении были сделаны в рамках прервавшейся Экологической программы АH СССР (1990), затем в государственной научно-технической программе России "Глобальные изменения природной среды и климата" (1991 - 1992). В 1993 г. Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) выделил средства на организацию трехгодичного проекта "Теплая биосфера" (N93-05-8877). В настоящее время эти исследования закончены, их результаты частично опубликованы в журнале "Стратиграфия. Геологическая корреляция" (1995. Т.3. N 3.) и других изданиях. С поддержкой РФФИ сейчас начаты исследования влияния климата, в том числе безледникового, на биосферу. Кратко остановимся на основных данных, полученных нашими предшественниками и в рамках упомянутых проектов.

КАРТА ЗЕМЛИ МЕЛОВОГО ПЕРИОДА

По ряду параметров главные подсистемы меловой биосферы Земли существенно отличались от современных, что наглядно отражается в глобальных географических, климатических и биогеографических картах, составленных для 12 веков этого периода.

Континенты и океаны. Современные очертания океанов и континентов стали вырисовываться лишь к концу мелового периода. В начале же этого периода они группировались и располагались на планете совсем иначе, имели иную конфигурацию и рельеф, чем сейчас. Большинства современных океанов, за исключением Тихого, еще не было на Земле, или они находились в самом зачаточном состоянии. Зато существовал огромный океан Тетис, которого нет сейчас. Он протягивался от Мексики до Юго-Восточной Азии и Австралии, сильно расширяясь с запада на восток. Современные Карибское и Средиземное моря, центральная часть Атлантического океана - это реликты Тетиса, а Тибет и Гималаи, образно говоря, - мавзолей, в котором покоятся его останки.

Тетис разделял два суперконтинента. К северу от него располагалась Лавразия, включавшая современную Северную Америку и Евразию, а к югу - Гондвана, объединявшая Южную Америку, Африку, Индию, Антарктиду и Австралию. В меловой период усилился наметившийся еще в поздней юре распад Гондваны и начался распад Лавразии. По главным системам расколов (рифтам) началось раздвижение континентов Hового и Старого света. В результате к концу мелового периода Атлантический океан постепенно превратился в единый, но еще неширокий, по сравнению с современным, бассейн. В середине мелового периода от Антарктиды откололась Индия и стала дрейфовать к северу, а в ее тылу открылся и стал быстро расширяться Индийский океан.

В результате поддвигания океанической коры под континенты (субдукции) вдоль северного берега Тетиса и в обрамлении Тихого океана сформировались глубоководные желоба, островные дуги, а в краевых частях континентов - протяженные вулканические горные пояса. Они поднялись вдоль южного и восточного побережий Азии, восточного побережья Австралии, западных побережий обеих Америк и Антарктиды. Обширные низко- и среднегорные области существовали также в Восточной Сибири, Юго-Восточной Азии, видимо, в Южной Африке и приатлантических районах Южной Америки. В то же время некоторые исследователи полагают, что в целом рельеф Земли был ниже и его кумулятивная (гипсометрическая) кривая была более уплощенной, чем сейчас [9].

Уровень Мирового океана. Важная особенность меловой Земли - самое большое за последние 400 млн лет повышение уровня Мирового океана. Это был воистину всемирный потоп, охвативший все континенты. Правда, в отличие от легендарного библейского потопа воды не затопили возвышенности и горы. По мнению некоторых исследователей максимальный подъем уровня океана в середине мелового периода достигал более 250 м.

Другие специалисты считают эту оценку завышенной. Как бы то ни было, обширные неглубокие моря покрыли окраины (шельфы) и прибрежные низменности всех континентов, а временами затапливали также внутренние равнины, например в Северной Америке, Южной и Восточной Европе, Западной Сибири, Австралии, частично Южной Америке. Небольшие колебания уровня океана сильно изменяли размеры и конфигурацию этих мелководных морей. Между морями часто возникали широкие проливы, разрезавшие сушу на крупные острова или архипелаги. В целом в меловой период Земля представляла мир огромных океанов и множества очень больших, средних и малых островов, полуостровов и архипелагов в пределах затопленных континентов.

Температура океана. Изучая изотопы некоторых раковин, главным образом микроскопических фораминифер, живших в поверхностном слое океана и на его дне, можно (при некоторых правдоподобных допущениях) оценить температуры поверхностных и донных вод этого океана. Последние исследования подобного рода [10] показывают, что в середине мелового периода среднегодовая температура поверхностных вод вблизи экватора была близка к современной (26 - 28oC) или даже на 3 - 4o выше. Вблизи 60o ю.ш. она колебалась от 10 до 18oC (сейчас 0 - 6oC), а на полюсах, как предполагается, была не ниже 0oC (сейчас заметно ниже). Температура донных вод на экваторе и вблизи 60o ю.ш. составляла соответственно около 16 - 19oC и 10 - 16oC и только к концу мелового периода повсеместно снизилась до 10 - 16oC.

Таким образом, в отличие от современного холодного океана (преобладающая температура в толще воды 4 - 6oC) меловой океан был теплым (в целом приблизительно на 10 - 15oC теплее современного). Подобное состояние океана не могло не сказаться на характере циркуляции, расслоении и вентиляции его вод, седиментации и условиях обитания организмов в океане.

Течения. Система главных поверхностных океанических течений на Земле имела в меловой период принципиально иной характер, чем ныне. Большинство исследователей считает, что из восточной экваториальной части Тетиса в его тропические центральную и западную части и далее снова в Тихий океан проходило мощное теплое течение - продолжение или ветвь северного экваториального течения Тихого океана [11]. Оно обусловливало весьма теплый климат и накопление своеобразных осадков в прилежащих районах Европы и Северной Америки.

Потеплению, по-видимому, способствовали отдельные ветви теплого течения, проникавшие на север вдоль меридиональных морей, эпизодически возникавших к востоку и западу от Урала, между Европой и Гренландией и на западе Северной Америки, у подножья Кордильер. Вместе с теплыми течениями распространялась на север тепловодная морская фауна из Тетиса. Южная ветвь экваториального течения восточного Тетиса, по-видимому, достигала восточных берегов Африки и, далее отклоняясь к югу, обусловливала теплый климат восточной Гондваны. В целом, в первой половине мелового периода течение в океанах имело в основном широтное направление. По мере раскрытия Атлантического и Индийского океанов усиливались их меридиональные компоненты.

О характере глубинных течений в меловом океане сейчас можно только гадать, хотя, возможно, именно они определяли многие особенности меловой биосферы. Hекоторые исследователи предполагают, что в меловой период теплые воды повышенной солености и плотности, формировавшиеся за счет интенсивного испарения в обширных и мелких эпиконтинентальных бассейнах тропического пояса, стекали в океаны и, заполняя его котловины, распространялись в полярные области, обогревая высокие широты.

КЛИМАТИЧЕСКАЯ ЗОНАЛЬНОСТЬ МЕЛОВОГО ПЕРИОДА

Горные породы, минералы, ископаемые растения и животные, которые образуются и растут в определенных климатических условиях, традиционно используются в геологии как климатические индикаторы. Их местонахождения были нанесены на новые палеогеографические карты веков мелового периода, составленные по палеомагнитным, палеобиогеографическим и геологическим данным. Палеоклиматические индикаторы закономерно расположились на этих картах в виде нескольких, приблизительно субширотных, поясов. При этом от палеоэкватора к обоим полюсам Земли пояс, характеризующийся индикаторами жаркого климата, последовательно сменяется поясами с индикаторами все более холодного климата.

Климатические параметры каждого пояса уточнялись с помощью различных палеоботанических, литологических, геохимических, палеобиогеографических и других методов [12]. Так удалось реконструировать климатические пояса всех веков мелового периода. Для контроля некоторые наши карты сравнивались с реконструкциями, полученными другим, сравнительно новым методом математического моделирования климатов. Он основан на использовании физических моделей климатической системы Земли, палеогеографических реконструкций и на единичных, наиболее достоверных палеоклиматических параметрах, извлеченных из геологических данных. Поэтому геологический и математический методы контролируют и дополняют друг друга.

Моделирование сейчас может дать представление о многолетней погоде, ее параметрах, их глобальном распределении и сезонной динамике. Геологический метод способен приблизительно реконструировать положение и характер климатов основных климатических поясов, осредненные за миллионы лет. Эти достаточно грубые реконструкции имеют важное значение, так как являются эмпирической базой палеоклиматологии. Результаты обоих методов в нашем случае неплохо согласуются между собой и тем самым в целом подтверждают друг друга. Впрочем, ниже будет отмечено, что по отдельным параметрам между ними возникают некоторые разногласия, имеющие в ряде случаев систематический характер.

Реконструированные меловые климатические пояса оказались своеобразными, во многом не похожими на современные. Их краткие характеристики приведены ниже.

Высокоширотные умеренные климатические пояса. Многие признаки указывают, что в обеих полярных областях в течение меловой эпохи располагались пояса, сходные с современным умеренным гумидным климатом. Hастоящие ледниковые отложения мелового периода или следы многолетней мерзлоты здесь нигде не обнаружены, а эпизодическое формирование ледово-морских отложений в середине периода на Шпицбергене и в Австралии свидетельствует не об оледенениях, как иногда думают, а о кратковременных похолоданиях, приводивших к сезонным и локальным замерзаниям арктических морей. В отложениях этих морей отмечаются также своеобразные карбонатные стяжения - глендониты и подобные им образования, возникающие, как полагают, в достаточно холодных водах. Однако в меловых полярных морях глендониты формировались тоже лишь эпизодически и локально. Подобно редким находкам ледово-морских отложений, они подчеркивают преобладание умеренного климата в меловых арктических морях. Такой вывод хорошо согласуется с мнением палеонтологов о том, что моря северного высокоширотного пояса были в мелу населены сравнительно теплолюбивыми моллюсками [13].

Умеренный и гумидный характер климата высокоширотных поясов подтверждается составом наземной растительности и фауны, а также широким развитием каменных и бурых углей. В обоих полушариях в составе растительности значительную роль играли влажные листопадные леса с папоротниковым подлеском. Большая ширина колец прироста и крупные поперечные сечения сосудов в стволах ископаемых деревьев доказывают достаточное и равномерное увлажнение лесов в течение вегетационного периода [14]. В то же время тонкие линзовидные прослои ископаемого древесного угля, обнаруженного в некоторых каменных углях, могут свидетельствовать о довольно частых, но, местных и кратковременных лесных пожарах, очевидно связанных с более сухими сезонами.

Морфологическое изучение листьев покрытосеменных позднего мела Камчатки, Hовосибирских о-вов, бассейна р.Вилюй и северной Аляски (палеоширота 65 - 82o с.ш.) позволяет оценить [15] среднегодовые температуры в 7 - 13oC, средние температуры самого теплого месяца - в 18 - 21oC, самого холодного месяца - от 4 до +6oC, а среднегодовые осадки - в 1300 - 1700 мм. В современных условиях такие температуры (за исключением несколько более низких зимних) характеризуют южную, теплоумеренную часть северного умеренного пояса (Францию, Крым и др.), а количество осадков - влажные области субтропиков (Западный Кавказ, например). О сравнительно теплом климате в высоких северных палеоширотах свидетельствуют, кроме того, находки комплексов умеренно теплолюбивых насекомых в меловых отложениях на севере Азии (палеошироты 70 - 75o с.ш.), а на Чукотке и севере Аляски (палеошироты 70 - 85o с.ш.) - остатков крупных динозавров. Можно, конечно, предположить, что эта сравнительно теплолюбивая фауна проникала в высокие широты эпизодически, в моменты наибольшего потепления климата, или сезонно, однако незначительное развитие в этом поясе ледово-морских отложений, по нашему мнению, скорее говорит об обратном - преобладании здесь сравнительно теплого умеренного климата и эпизодическом проявлении умеренно холодного.

Приведенные оценки палеоклимата относятся не к самым высоким широтам меловой Арктики. Резонно предположить, что севернее мог существовать умеренно холодный и субарктический ("тундровый") климат. По данным математического моделирования, последний мог быть развит на небольшом участке вокруг северного полюса.

Выше мы опирались на факты, относящиеся главным образом к хорошо изученной Арктике, однако сходные данные имеются и для южных высоких широт. Они тоже свидетельствуют об умеренном гумидном климате в южном меловом заполярье [16].

В целом меловой климат высоких широт по температурам мог бы приравниваться к современному умеренному климату, если бы не одно существенное отличие. В меловых заполярьях он характеризовался чередованием длительных полярных ночей и дней и, следовательно, резкой световой и температурной сезонностью. Подобная крайняя степень сезонности совсем несвойственна современному умеренному климатическому поясу, особенно его южной, умеренно теплой зоне. Поэтому, чтобы подчеркнуть их своеобразие, умеренные климатические пояса мелового периода названы нами высокоширотными умеренными.

Из приведенных выше палеоботанических оценок средних температур самого холодного и самого теплого месяцев следует, что диапазон сезонных колебаний в Арктике достигал 22oС. Значительно более низкие зимние температуры и, следовательно, большие сезонные колебания (до 50oC) предполагают для внутриконтинентальных районов Средней и Восточной Сибири, Арктики и Антарктики математическое моделирование [17].

Эти выводы расходятся не только с приведенными выше палеоботаническими, но и с геологическими данными, особенно с фактом ограниченного распространения сезонных ледовых отложений. Как допускают некоторые авторы, современные математические модели, возможно, не доучитывают какие-то важные особенности древних климатических систем [18]. Hе исключено, что в теплой биосфере существовали свои особые циркуляционные механизмы в атмосфере и гидросфере, обеспечивавшие более интенсивный и круглогодичный перенос тепла из низких широт в полярные области и из прибрежных районов в континентальные. Вопрос о зимних температурах и способах выживания организмов во время длинных полярных ночей в высоких широтах представляется существенным для понимания условий обитания и физиологии организмов полярных биот на безледниковой Земле. Важнейшая предпосылка для зимнего покоя растений и животных - резкое замедление метаболизма. Известно, что растения достигали этого, сбрасывая листву. Предполагалось также, что животные впадали в зимний анабиоз или спячку в укрытиях. Открытие многочисленных остатков крупных (до 10 м длиной) стадных растительноядных и хищных динозавров, в том числе остатков едва вылупившихся особей, на палеоширотах 65 - 85o в Южном и в Северном полушариях [19] сильно усложнило, однако, эту простую интерпретацию физиологии меловых полярных обитателей. Hайти зимние укрытия крупным стадным животным практически невозможно. В научной литературе возникла оживленная и далеко еще не законченная дискуссия: были ли динозавры постоянными теплокровными обитателями заполярья (для чего требуются достаточно теплые, с обильной пищей, зимы) или они были кочевыми животными, совершавшими дальние миграции. Последнее представляется нам более вероятным.

Остановимся еще на одной особенности меловых высокоширотных биот. Похоже, тогда условия весьма благоприятствовали развитию жизни и накоплению органического вещества в осадках. Достаточно теплый и влажный, непрерывный полярный день, продолжавшийся 1.5 - 4.5 мес., и большая общая длительность вегетационного периода (5 - 7.5 мес.), по-видимому, способствовали высокой продуктивности растительности. Она обеспечивала кормом стада крупных травоядных динозавров, а теплый летний климат создавал хорошие условия для выращивания молодняка.

Резкий переход от полярного дня к холодной полярной ночи снижал процессы биологической и химической деструкции отмершей растительной массы и способствовал ее захоронению. Последнее вместе с большой продуктивностью растительного покрова приводило к быстрому накоплению торфов и возникновению грандиозных залежей угля. Ресурсы верхнемелового бассейна Колвилл на северном побережье Аляски, например, оцениваются, в 2.5.1012 т высококачественных углей (около 1/3 современных запасов угля в США и около 17% мировых запасов). Огромны запасы меловых углей и в Ленском угленосном бассейне (оценки колеблятся от менее 1.1012 т до 2.1012т).

Высокопродуктивной в меловой период была и морская полярная биота: в морских шельфовых бассейнах в позднем мелу Арктики накопилось большое количество илов богатых органическим веществом - "черных сланцев", важных нефтематеринских пород.

Среднеширотные теплые пояса. Средние широты характеризовались в меловом периоде весьма теплым и достаточно влажным или переменно влажным климатом. Об этом свидетельствуют и ископаемая теплолюбивая флора, и фауна, и многочисленные местонахождения бокситов, каолиновых кор выветривания, и широкое распространение угленосных отложений. Здесь росли саговые пальмы (цикадофиты) и некоторые близкие к ним растения, а с середины мелового периода уже настоящие пальмы и платанообразные. Преобладали вечнозеленые влажные и, по-видимому, сезонно влажные леса и редколесья, главным образом хвойные с подчиненным количеством древовидных папоротников и цикадофитов, а также кустарники и, возможно, травы покрытосеменных. Древовидные папоротники и цикадофиты обладали характерными для деревьев безморозного климата стволами маноксилического типа (с преобладанием коры и сердцевины, но слабым развитием древесины). В редколесьях, по берегам рек и водоемов обитали многочисленные динозавры и теплолюбивые насекомые.

Cреднегодовые температуры в южной части северного среднеширотного пояса по морфологии листьев растений оцениваются в 10 - 15oC, температуры самого теплого месяца - около 20 - 22oC, а самого холодного - 1 - 8oC. Исходя из очень широкого распространения бокситов в пределах этого пояса (в Западно-Сибирском регионе до 60o с.ш.) и интерпретации условий их образования на основе анализа современных процессов, некоторые исследователи склоняются к выводу, что для всего этого пояса, вплоть до его северных границ, были характерны более высокие среднегодовые температуры (не менее 20 - 22oС) и значительная влажность [20]. Результаты математического моделирования тоже предполагают более высокие температуры для данного пояса.

В эпиконтинентальных морях средних широт накапливались глауконитовые и фосфоритоносные отложения, а позднее начали формироваться мощные толщи органогенного писчего мела и богатые органикой черные сланцы. В Тетисе были широко распространены карбонатные органогенные банки, отмели и рифы (карбонатные платформы) с богатым сообществом крупных кубковидных двустворок (рудист), фораминифер, а также другие индикаторы теплого климата. С карбонатными платформами связаны многочисленные местонахождения карстовых бокситов, говорящие о частичных осушениях. В Южном полушарии среднеширотный теплый гумидный пояс протягивался от юга Южной Америки и Африки до Австралии и характеризовался формированием на суше угленосных отложений, каолиновых кор выветривания, остатками теплолюбивой флоры и довольно многочисленными остатками динозавров.

По набору палеоботанических и литологических индикаторов, а также по имеющимся температурным оценкам оба теплых среднеширотных пояса мелового периода часто именуют "тропическими" или "субтропическими". Это, видимо, не совсем правильно, поскольку они весьма удалены от тропиков и субтропиков. В Северном полушарии теплый пояс протягивался приблизительно между 60o и 30o с.ш., а в Южном - между 40o и 65o ю.ш.

Аридные пояса. В первой половине мелового периода низкие и часть средних широт обоих полушарий Земли занимал огромный аридный пояс, простиравшийся в американском секторе приблизительно от 45o с.ш. до 45o ю.ш. Здесь по окраинам континентов были широко развиты окаймленные рифами солеродные бассейны, в которых отлагались гипсы и различные соли (эвапориты). Во внутриконтинентальных впадинах накапливались красноцветы, нередко тоже содержащие эвапориты. Среди эвапоритов особенно примечательными были сравнительно редкие разновидности солей - тахгидриты (водные кальцио-магниевые хлориты).

Аналогов такого пояса, названного нами аридным (засушливым) тропически-экваториальным, на современной Земле нет. В морях и океанах этого пояса обитала богатая и теплолюбивая фауна, большое распространение имели карбонатные платформы с барьерными рифами и отмелями, а в океанических впадинах - "черные сланцы", которые указывают на высокую продуктивность мелового планктона.

На суше в этом поясе был жаркий и сухой климат (высокое содержание пыльцы растений засушливых зон и пальм). Зона экваториальных дождевых лесов в начале мелового периода на Земле, по-видимому, отсутствовала, поскольку в это время даже вблизи экватора и по обе его стороны отлагались эвапориты.

Пояс экваториальных гумидных лесов возник в пределах Западной Гондваны в середине мелового периода. Он разделил единый тропически-экваториальный аридный пояс на два аридных - северный и южный.

Экваториальный гумидный пояс. Как уже отмечалось, в середине мелового периода появляются признаки влажного климата в приэкваториальной зоне. Hа северо-востоке Африки, между областями эвапоритовой седиментации, сначала устанавливается еще довольно узкий пояс накопления бокситов, каолинитовых пород и железных руд, а на северо-западе Южной Америки в отложениях этого возраста резко уменьшается содержание пыльцы ксерофитов.

Во второй половине мелового периода экваториальный гумидный пояс расширяется и прослеживается по местонахождениям каменных углей, бокситов, каолинитовых пород и железных руд от Аравии через Центральную и Западную Африку до северо-восточных районов Южной Америки. Одновременно в позднемеловых отложениях здесь уменьшается количество пыльцы ксерофитов, сначала у западного побережья Экваториальной Африки, а затем она почти исчезает во всем экваториальном поясе. Это указывает на широкое распространение экваториальных влажных тропических лесов. Обращает на себя внимание, что становление экваториального гумидного пояса в западной Гондване шло параллельно с раскрытием южной части Атлантического океана и прогрессивным сокращением и раздроблением областей аридной седиментации. Видимо, эти процессы были взаимосвязаны.

ЗАГАДКИ ТЕПЛОЙ БИОСФЕРЫ

Многие особенности меловой биосферы отражают своеобразное, не вполне изученное и далеко еще не понятое безледниковое, теплое состояние биосферы. Первая и главная загадка теплых биосфер - их причина. О ней идут жаркие дискуссии. Часто высказывались мнения, что подобные потепления вызывались перемещением континентов в более низкие широты, усилением теплых океанических течений, повышением уровня океана и увеличением площади морей, снижением средней высоты суши, увеличением содержания парниковых газов в атмосфере или некими астрономическими причинами. По-видимому, все эти процессы могли вносить какой-то вклад в потепления, но какой же из них был главным?

Как показывает сопоставление динамики климатических изменений (климатических кривых) для разных широтных поясов [21], повышение температуры на Земле в меловой период было глобальным, синхронным и синфазным. Поэтому оно могло происходить лишь в результате увеличения теплового баланса Земли, а не только из-за перераспределения тепла в биосфере, как предполагает гипотеза теплых течений. Математическое моделирование меловых климатов свидетельствует о том, что перемещение континентов в низкие широты или снижение альбедо Земли за счет увеличения площади морей совершенно недостаточно для достижения высоких глобальных меловых температур, которые реконструируются по геологическим данным и математическим моделям. Поэтому для объяснения потепления такого масштаба необходимо дополнительно привлечь парниковый эффект от многократного увеличения в атмосфере содержания CO2. Одним из важнейших источников последнего мог быть океан, который при сравнительно небольших потеплениях, связанных с увеличением площади меловых морей, начинал нагреваться и выделять CO2. В результате положительной обратной связи, возникающей при этом процессе, и грандиозному резерву CO2 в океане, последний может выделить в атмосферу очень значительные количества углекислоты [22]. Другим возможным источником CO2 в атмосфере мелового периода могла быть активная вулканическая деятельность, связанная с интенсивным океаническим спредингом и формированием глобальной системы краевых вулканических поясов на активных континентальных окраинах вокруг Тихого океана и вдоль северной окраины Тетиса. История этих вулканических поясов была связана с темпами образования новой океанической коры, а последние - с развитием мантийных плюмов [23].

Кроме этой, главной, загадки теплая биосфера задает еще ряд трудных вопросов.

Ответы на эти вопросы помогут решению проблемы возникновения и функционирования теплых биосфер, предсказать последствия ожидаемых крупных потеплений на Земле, а также точнее оценивать перспективы различных территорий на полезные ископаемые.

 

Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ (гранты 96-05-65848 и 97-05-65969).
VIVOS VOCO!
Июль 1997