РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES
GEOLOGICAL INSTITUTE

CLIMATE
IN THE EPOCHS
OF MAJOR BIOSPHERIC
TRANSFORMATIONS

Transactions, Vol. 550 Founded in 1932

MOSCOW NAUKA 2004

КЛИМАТ
В ЭПОХИ
КРУПНЫХ БИОСФЕРНЫХ
ПЕРЕСТРОЕК

Труды, вып. 550 Основаны в 1932 году

МОСКВА НАУКА 2004

Редакционная коллегия:
Ю.Г. Леонов (главный редактор), М.А. Ахметъев,
Ю.О. Гаврилов, Ю.В. Карякин, М.А. Семихатов, М.Д. Хуторской

Рецензенты:
академик РАН Б.С. Соколов,
член-корреспондент РАН М.А. Федонкин

Климат в эпохи крупных биосферных перестроек / Гл. редакторы: М.А. Семихатов, Н.М. Чумаков. - М: Наука, 2004. - 299 с. (Тр. ГИН РАН; Вып. 550) ISBN 5-02-032917-7
Реконструирована палеоклиматическая зональность для 20 стратиграфических уровней палеогена, мезозоя, перми, венда и проанализирована динамика климатических изменений. Охарактеризованы два основных типа климата Земли: ледниковый и безледниковый, а также климаты, переходные между ними. В масштабе эонов выявлен тренд необратимого похолодания, выражавшийся в увеличении роли оледенений от эпизодической до. периодической. Обнаружена корреляция климатических событий с эндогенной активностью Земли. Показано, что климатические изменения являются элементом всех биосферных перестроек (причина, подготовка или последний толчок). На примере перми и триаса рассматривается актуальная проблема о характере событий происходящих в биосфере при переходе от ледникового климата, подобного современному, к безледниковому климату типа мезозойского.
Для геологов, геофизиков, палеонтологов и экологов.

ТП 2004-1-107

Editorial Board:
Yu.G. Leonov (Editor-in-Chief), M.A. Akhmetiev,
Yu.O. Gavrilov, Yu.V. Kariakin, M.A. Semikhatov, M.D. Khutorsky

Reviewers:
academician B.S. Sokolov,
associate member RAS M.A. Fedonkin

Climate in the Epoches of Major Biospheric Transformations / Eds M.A. Semikhatov, N.M. Chumakov. - Moscow, Nauka, 2004. - 299 p. (Transactions of the Geological Institute of the Russian Academy of Sciences, Issue 550)
ISBN 5-02-032917-7

Paleoclimatic zoniality is reconstructed for 20 stratigraphical levels of Paleogene, Mezozoic, Permian and Vendian and dynamic of climatic changes is analyzed. Two main types of the Earth's climate are described glacial and non-glacial, and also the transitional types between them. A trend of irreversible cooling was expressed in an increased role of glaciation, from episodic to periodic one. Correlation between climatic developments and endogenic activity of the Earth was revealed. It was shown that climatic changes were an element of all the biospheric transformations (couse, preparation or the last shock). By example of Permian and Triassic, the actual problem was considered dealing with the biosphere events during the transition period from the glacial climate, similar to the modem one, to the non-glacial climate of the Mezozoic type.
For geologists, geophysicists, paleontologist and ecologist.

ISBN 5-02-032917-7
Российская академия наук и издательство "Наука". Труды ГИН РАН (разработка, оформление), 1932 (год основания), 2004
УДК 551.5 ББК 16.237 К 49

ВВЕДЕНИЕ

Одна из важнейших задач науки в XXI в. - понять, как функционирует и изменяется биосфера, в которой обитает все живое, в том числе человек. Естественно, что основным путем для этого является всестороннее изучение современной биосферы. Однако такой подход может лишь частично решить данную проблему. Во-первых, он дает представление о биосфере, состояние которой с геологической точки зрения не является типичным, так как подобное ее состояние существовало на протяжении лишь 4% послеархейской истории Земли. Во-вторых, этот подход может дать сведения только за очень короткий период времени, т.е. "моментальный снимок" биосферы, который недостаточен для понимания общих закономерностей ее развития. Геологические данные свидетельствуют, что структура и состояние биосферы на протяжении геологической истории существенно менялись и эти изменения не были ни равномерными, ни однопорядковыми. Периоды относительной стабильности биосферы сменялись эпохами достаточно быстрых изменений (перестройками), которые включали крупные палеогеографические, климатические, геохимические и биотические события различной амплитуды, направленности и продолжительности. Поэтому, чтобы составить достаточно полное представление о биосфере, необходимо изучить ее прошлую историю, по меньшей мере, один полный цикл ее развития.
Как следует из заглавия, главная цель данной работы - реконструировать климаты, существовавшие во время важнейших биосферных перестроек прошлого и наметить возможные связи между климатическими и другими изменениями в биосфере. Климат в значительной степени определяет термодинамическое состояние биосферы, регулируя внутренний, а частично и внешний ее тепло- и массообмен. Это делает климат одним из важных факторов развития биосферы. Особенно большой интерес в этой связи вызывают крупные биотические события - кризисы. Создано множество гипотез об их причинах, в том числе те, которые связывают кризисы с климатическими изменениями. Можно надеяться, что данное исследование поможет выявлению причин биотических событий и в частности биотических кризисов.
В последние десятилетия стало ясно, что на протяжении геологической истории климат неоднократно менялся от холодного, ледникового, до весьма теплого, безледникового [Brooks, 1926; Schwarzbaach, 1974; Чумаков, 1972, 1984; Зубаков, 1990; Frakes et al., 1992 и др.]. Поэтому появилась необходимость различать два главных состояния биосферы - холодное и теплое [Чумаков, 1993]. Современная биосфера - холодная. Для того, чтобы получить полное представление о свойствах и механизмах функционирования биосферы, необходимо дополнить изучение современной холодной биосферы изучением теплых биосфер. Теплое состояние биосферы было типичным ее состоянием, резко преобладавшим в прошлом, но в то же время оно изучено несравнимо хуже, чем холодное, современное ее состояние. Реконструкция климатов теплой биосферы на основе геологических данных и составляет вторую цель данной работы.
Кроме научного интереса, настоящая работа имеет и конкретное практическое значение. Сравнение палеоклиматических реконструкций теплой биосфер с результатами математического моделирования не только представляет единственную возможность независимой эмпирической проверки действенности и универсальности математических моделей климата, но и способствует их совершенствованию и, следовательно, содействует повышению точности долгосрочных климатических прогнозов, в том числе относительно ожидаемого потепления Земли. Помимо того, реконструкции древней климатической зональности помогают оценивать перспективность территорий на многие важные осадочные полезные ископаемые, образование которых зависит от климата (каменный уголь, бокситы, нефть, природный газ, железные и марганцовые руды, соли, янтарь и др.).
Основными объектами исследований выбраны интервалы геологической истории, к которым приурочены самые значительные биосферные перестройки: переходный интервал от мела к палеогену и конец перми - начало триаса. Эти и отчасти другие интервалы позволяют также рассмотреть климатические изменения во время перехода от ледникового климата к безледниковому (на примере перми-раннего триаса и венда; части III и IV) и от безледникового климата к ледниковому (на примере палеогена и самого конца мела; части I и II). Изучение этих временных интервалов (за исключением венда) дает наилучшую возможность исследовать динамику климатических изменений во время перестроек в биосфере, в частности, понять, как начинались и заканчивались ледниковые периоды. Последнее представляется сейчас особенно актуальным, поскольку важно знать, что происходит в биосфере при крупных потеплениях, подобных тем, которые ожидаются на Земле.
Характеристика безледникового климата и теплой биосферы представлена во 2-ой главе, посвященной позднему мезозою (юра - мел). В этом разделе рассматриваются и некоторые биотические события второго порядка (в частности сеноман-туронские).
Крупные изменения климата полнее всего отражаются в характере климатической зональности, поэтому главное внимание в работе уделено составлению глобальных карт зональности, существовавшей на Земле до, во время и после крупных биосферных изменений. Эти карты являются результатом синтеза и дополнения серии опубликованных палеогеографических, литолого-палеогеографических и палеобиогеографических карт, с помощью которых реконструируются глобальные климатические пояса. Использование литологических, палеонтологических и геохимических индикаторов климата, а также других палеоклиматических данных позволяют качественно, а иногда и количественно, оценить основные климатические параметры выделенных поясов. В основу всех карт положены опубликованные мобилистские реконструкции расположения континентов (кайнозой и юра [Smith et al., 1994; Rees et al., 2000]; мел [Funell, 1990]; пермь и ранний триас [Scotese, Langford, 1995; Golonka et al., 1994; Ziegler et al., 1997]; кембрий-венд [Smith, 2001]), в которые были внесены дополнения и уточнения, иногда весьма существенные, касающиеся главным образом Северной Евразии и некоторых микроконтинентов. Наиболее важные изменения рассмотрены и аргументированы в соответствующих разделах работы. В целом (за исключением положения некоторых микроконтинентов) эти реконструкции хорошо согласуются с палеоклиматическими данными и общими климатическими закономерностями (рис. 1а). Фиксистский подход, напротив, приводит к абсурдным палеоклиматическим ре-
зультатам. Один из примеров этого представлен на рис. 1б. По-видимому, он не требует дополнительных комментариев. Другим методом проверки климатических реконструкций для перми-кайнозоя являлось их сравнение с результатами математического моделирования, которые в общих чертах согласуются с этими реконструкциями.

Для реконструкций климатической зональности выбирали наиболее характерные или переломные интервалы геологической истории. Это могли быть отдельные века или интервалы, охватывающие части смежных веков, реже части веков. При длительности веков несколько млн и более лет, реконструкции могут отразить, естественно, лишь усредненную картину климатической зональности за рассматриваемый интервал времени, а последовательность ряда реконструкций - лишь долговременную тенденцию климатических изменений. Выводы о более коротких климатических изменениях сделаны на основе анализа палеоклиматических данных по разрезам тех стратиграфических подразделений, которые положены в основу реконструкций климатической зональности.
Существующие неопределенности в глобальных стратиграфических корреляциях, возрастающие с возрастом отложений, обуславливают некоторую условность возрастных рамок предлагаемых палеоклиматических реконструкций и рассматриваемых событий, однако, не меняют их характера и последовательности. Наиболее серьезные трудности, возникающие при стратиграфических корреляциях, а также конкретные особенности методов исследования разных стратиграфических интервалов, рассмотрены в соответствующих главах.
Остановимся на основных понятиях и терминах, которые используются в работе и прежде всего, на соотношении понятий климата и палеоклимат. Климатом в метеорологии именуется статистически определяемый многолетний режим погоды. Он вычисляется по данным инструментальных наблюдений за несколько десятков лет. Режим погоды характеризуется широким спектром параметров, но в большинстве классификаций климата учитываются только некоторые: температура, влажность и их сезонные изменения. Палеоклимат или древний климат — это климат геологического прошлого. Он реконструируется по результатам многолетнего и многовекового воздействия погоды, главным образом, температуры, влажности и их колебаний на геологические процессы (выветривание, денудацию, транспорт продуктов денудации, осадконакопление, рельеф и др.) и на биоты, которые адаптируются к климату. Таким образом, в геологической летописи в большей или меньшей степени проявляются и сохраняются самые главные погодные параметры прошлого, осредненные за большие периоды времени. Эти обстоятельства позволяют на качественном, а иногда и на количественном уровне оценивать основные параметры палеоклиматов и сравнивать их с современными.
Среди современных климатов выделяется очень большое количество разностей по их метеорологическим характеристикам и ареалам развития, однако возможность определить разные типы палеоклиматов уменьшается от более молодых отложений к древним, но в общем среди палеоклиматов уверенно реконструируются климаты широтных поясов — широтные климаты. Довольно часто внутри этих поясов удается различить секториальные климаты, обусловленные удаленностью территорий от океанов и морей, а также некоторые региональные климаты, также связанные с макрогеографическими факторами. Поскольку в течение геологической истории характер климатической зональности и широтных
климатов существенно менялись, появилась необходимость ввести понятие глобальный климат. Оно отражает набор (состав) и характер широтных климатических поясов, возникающих на планете в определенные отрезки геологической истории.

Вслед за В. И. Вернадским и большинством российских исследователей, мы понимаем под биосферой всю сферу развития жизни на Земле. Биосфера представляет собой единую открытую систему, состоящую из нескольких термодинамически тесно связанных между собой подсистем: тропосферы, гидросферы, верхней части литосферы и биоты*. По нашему мнению в биосфере следует выделить еще одну факультативную, но весьма влиятельную подсистему - многолетнюю глянциосферу, т.е. ледниковые покровы, подземное оледенение, многолетние льды и снега равнин и морей**.
Как уже отмечалось, быстрые и существенные изменения в биосфере рассматриваются нами как биосферные перестройки. Если рассматривается перестройка в одной из подсистем биосферы или конкретная перестройка проявилась в одной из подсистем гораздо ярче, чем в других, то мы с определенной степенью условности будем именовать эти перестройки атмосферными, океаническими, биотическими, палеогеографическими или гляциосферными перестройками. Такие "частные" перестройки были, по-видимому, достаточно редкими и небольшими по масштабу событиями. Обычно, из-за очень тесных прямых и обратных связей внутри биосферы, значительные изменения в одной из ее подсистем быстро приводили к существенным изменениям в ряде других подсистем. Такие события мы будем называть биосферными перестройками. Изменения глобального климата всегда вызывали существенные изменения во всех подсистемах биосферы. Ярким примером этого могут служить появление и деградация оледенений, которые быстро и существенно изменяли структуру биосферы, состояние всех ее подсистем, скорость и направление происходящих в них процессов. Это позволяет различать два главных климатических состояния биосферы: холодную биосферу, главным признаком которой является наличие многолетней гляциосферы и огромного слоя холодной воды в океане (психросферы), и безледниковое состояние биосферы, которому соответствует теплая биосфера. В теплой биосфере многолетняя гляциосфера отсутствует, а глубинные воды океанов существенно теплеют.
В настоящей работе палеоклимат рассматривается от молодых интервалов геологической истории к более древним. Это обусловлено тем, что детальность и точность палеоклиматических реконструкций с увеличением возраста, как уже говорилось, падает, особенно в раннем палеозое и венде. Это связано, во-первых, с тем, что с увеличением возраста отложений затрудняется оценка палеоклиматов: сокращается набор надежных литологических и палеонтологических индикаторов, осложняется приложение актуалистического метода к интерпретации оставшихся индикаторов и одновременно затрудняется либо ограничивается использование геохимических палеотемпературных методов из-за нарушения изотопных и химических систем. Вторая причина -уменьшение с возрастом разрешающей способности биостратиграфического метода, а также точности изотопно-геохронологических датировок и корреляций. Третья причина - падение вниз по разрезу (особенно, начиная с кембрия) достоверности палеогеографических реконструкций. Поэтому выбранный нами переход от более известного к менее известному кажется оправданным. Он позволяет приложить, правда очень осторожно и с некоторыми оговорками, подходы и представления, разработанные и полученные при изучении климата фанерозоя, к анализу климата в венде.
Данная работа является результатом исследований по программе Геологического института РАН "Палеоклиматы Земли в позднем докембрии и фанерозое: эволюция зональности, динамика и последствия изменений", которая была начата в 1996 г. В работу, кроме того, вошли данные, полученные при исследованиях по Государственной научно-технической программе "Глобальные изменения природной среды и климата", а также многочисленным инициативным проектам РФФИ: "Теплая биосфера" № 93-05-8877, № 96-05-65848 "Климатический фон крупных биотических событий верхнего докембрия и фанерозоя", № 96-05-64607 "Эвапоритовые пояса позднего докембрия и фанерозоя", № 97-05-64884 "Морская биота юрских осадочных бассейнов от экватора до высоких широт", № 99-05-64073 "Закономерности климатических изменений в фанерозое и позднем докембрии", № 02-05-64335 "Коэволюция климата и геосфер Земли в протерозое и фанерозое" № 02-05-65170, проект ИНТ АС-РФФИ № 95-0949 "Влияние теплой Арктики на климат и растительность Евразии"; РФФИ - НШ-1615.2003.5 и др.
Результаты этих исследований частично уже были опубликованы в разных журналах и сборниках. Это облегчает нашу задачу тем, что по ходу изложения позволяет по многим деталям, фактам и источникам отсылать читателя к этим публикациям.

Литература

Зубаков В.А. Глобальные климатические события неогена. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 223 с.
Клиге Р.К., Данилов И.Д., Конищев В.Н. История гидросферы. М: Научный мир, 1998. 368 с.
Чумаков Н.М. Международный симпозиум по докембрийским ледниковым отложениям // Вести. АН СССР. 1972. № 4. С. 101-102.
Чумаков Н.М. Главные ледниковые события прошлого и их геологическое значение // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1984. № 7. С. 35-53.
Чумаков Н.М. Проблемы палеоклимата в исследованиях по эволюции биосферы // Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М.: Наука, 1993. С. 106-122.
Чумаков Н.М., Жарков М.А. Климат во время пермо-триасовых перестроек. 1. Климат ранней перми // Стратиграфия. Геол. Корреляция. 2002. Т. 10, № 6. С. 62-81.
Brooks C.E.P. Climate through the ages. L.: Benn, 1926. 321 p.
Frakes LA., Francis J.E., Syrtus J.I. Climate modes of the Phanerozioc. Cambridge: Cambridge Univ. press, 1992. 274 p.
Funnel B.M. Global and European Cretaceous shorelines, stage by stage // Cretaceous resources, events and rhythms. Dordrecht: Kluwer, 1990. P. 221-235.
Golonka J., Ross M.I., Scotese C.R. Phanerozoic paleogeographic and paleoclimatic modelling maps. Calgary, 1994. 47 p. (Canad. Soc. Petrol. Geol. Mem.; 17).
Lenton T.M., Oijen M. Gaia as a complex adaptive system // Philos. Trans. Roy. Soc. London. B. 2002. Vol. 357, N 1421. P. 683-695.
Rees P.McA., Ziegler AM., Valdes P.J. Jurassic phytogeography and climates: New data and model comparisons // Warm climates in Earth history / Ed. B.T. Huber et al. Cambridge: Cambridge Univ. press, 2000. P. 297-318.
Schwarzbach M. Das Klima der Vorzeit. Stuttgart: Enke, 1974. 321 S.
Scotese C.R., Langford R.P. Pangea and paleogeograpgy of the Permian // The Permian of Northern Pangea. В.; Heidelberg: Springer, 1995. Vol. 1. P. 3-19.
Smith A.G. Paleomagnetically and tectonically based global maps for Vendian to Mid-Ordovician time // The ecology of the Cambrian radiation. N.Y.: Columbian Univ. press, 2001. P. 11-46.
Smith A.G., Smith D.G., Funnel E.M. Atlas of Mesozoic and Cenozoic coastlines. Cambridge: Cambridge Univ. press, 1994. 74 p.
Ziegler A.M., Hulver M.L., Rowley D.B. Permian world topography and climate // Late Glacial and Postglacial environmental changes. Oxford: Oxford Univ. press, 1997. P. 111-146.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение (Н.М. Чумаков)....................................................................................................................................... 5
Часть I
ЭПОХА ПЕРЕХОДА ОТ ТЁПЛОЙ К ХОЛОДНОЙ БИОСФЕРЕ: КЛИМАТ ПАЛЕОГЕНА
Глава 1. Климат Земного шара в палеоцене и эоцене по данным палеоботаники (М.Л. Ахметьев)............. 10
Часть II
КЛИМАТ И ПЕРЕСТРОЙКИ В ТЁПЛОЙ БИОСФЕРЕ (МЕЛ, ЮРА)
Глава 2. Общий обзор позднемезозойского климата и событий (Н.М. Чумаков)............................................ 44
Глава 3. Палеогеографические перестройки и седиментация мелового периода
(М.А. Жарков, И.О. Мурдмаа, Н.И. Филатова).................................................................................................... 52
Глава 4. Количественные палеоботанические данные о позднемеловом климате
Евразии и Аляски (А.Б. Герман)............................................................................................................................ 88
Глава 5. Климатическая зональность и климат мелового периода (Н.М. Чумаков)......................................... 105
Глава 6. Глобальная экспансия планктонных фораминифер: триас, юра, мел
(К.И. Кузнецова, О.А. Корчагин).......................................................................................................................... 124
Глава 7. Динамика и возможные причины климатических изменений в позднем мезозое
(Н.М. Чумаков)........................................................................................................................................................ 149
Часть III
ЭПОХА ПЕРЕХОДА ОТ ХОЛОДНОЙ К ТЁПЛОЙ БИОСФЕРЕ (ПЕРМЬ И РАННИЙ ТРИАС)
Глава 8. Палеогеографические перестройки и обстановки седиментации в перми и раннем
триасе (М.Л. Жарков).............................................................................................................................................. 158
Глава 9. Палеобиогеография пермских фузулинид (Э.Я. Левен)........................................................................ 181
Глава 10. Палеофитогеография пермского периода (С.В. Наугольных)............................................................. 194
Глава 11. Палеопочвы перми и раннего триаса (С.В. Наугольных)................................................................... 221
Глава 12. Климат и климатическая зональность перми и раннего триаса (Н.М. Чумаков)............................. 230
Часть IV
ГЛАВНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ И БИОСФЕРНЫЕ СОБЫТИЯ ПОЗДНЕГО ДОКЕМБРИЯ
Глава 13. Ледниковый и безледниковый климат в докембрии (Н.М. Чумаков)............................................... 259
Глава 14. Проблема климатической зональности в позднем докембрии. Климат и биосферные
события (Н.М. Чумаков, В.Н. Сергеев)................................................................................................................. 271
Заключение (Н.М. Чумаков)................................................................................................................................ 290
Conclusion............................................................................................................................................................... 296