Позднепалеозойское оледенение
Позднепалеозойское оледенение, также известный как позднепалеозойский ледниковый период (LPIA) и ранее известный как ледниковый период Кару, был ледниковым периодом, который начался в позднем девоне и закончился в поздней перми,[1]происходившим от 360 до 255 миллионов лет назад (Mya),[2][3] и большие ледяные щиты тогда присутствовали на поверхности земли.[4]Это был второй крупный ледниковый период фанерозоя после позднего ордовика андско-сахарского оледенения.
Временная шкала
Интерпретации позднепалеозойского оледенения разнятся: одни исследователи утверждают, что это было одно непрерывное ледниковое событие, а другие приходят к выводу, что в течение каменноугольного и пермского периодов в Гондване независимо друг от друга и диахронно образовалось, нарасло и растаяло до двадцати пяти отдельных ледниковых щитов[5][6][7]при этом распределение ледниковых центров менялось по мере дрейфа Гондваны и изменения её положения относительно Южного полюса.[8]В начале последнего ледникового периода ледниковые центры были сосредоточены в западной части Южной Америки; позже они сместились на восток, в Африку, и к концу ледникового периода сосредоточились в Австралии.[9] Данные, полученные из осадочных бассейнов, свидетельствуют о том, что отдельные ледниковые центры существовали примерно 10 миллионов лет, а их пики чередовались с периодами, когда постоянное ледяное покрытие было незначительным или отсутствовало вовсе.[10]
Первые ледниковые периоды в истории Земли произошли в конце фаменского[11] и турнейского,[12][13] периодов, о чём свидетельствуют данные δ15N, показывающие, что переход от парникового периода к ледниковому был поэтапным, а не мгновенным.[14]Эти ранние миссисипские оледенения были преходящими и незначительными, при этом иногда их считают отдельными оледенениями, предшествовавшими собственно позднему миоцену.[15] Между 335 и 330 млн лет назад, или где-то между серединой визейского и началом серпуховского ярусов, началось собственно позднее миоценовое оледенение[16] Примерно в это время в Айдахо начались гляциоэвстатические изменения уровня моря.[17] Первый крупный ледниковый период начался в серпуховский и закончился в московский ярус: ледяные щиты распространились от ядра в Южной Африке и Южной Америке. Во время башкирского яруса произошло глобальное эвстатическое понижение уровня моря, ознаменовавшее первый крупный ледниковый максимум в истории Земли. На этом этапе каменноугольного периода территория Лхасы покрылась ледником.[18] Между этим первым крупным ледниковым периодом и последующим вторым крупным ледниковым периодом был относительно тёплый межледниковый период, охватывающий касимовскую и гжельскую эпохи и совпадающий с климатическим оптимумом Аликаево.[19] Тем не менее в начале гжельской эпохи произошло окончательное оледенение бассейна Параны.[20] Второй ледниковый период начался в конце гжельского века на границе каменноугольного и пермского периодов и закончился в начале сакмарского века; ледяные щиты распространились из центральной части Австралии и Индии.Это был самый интенсивный период оледенения в позднем палеопротерозое;в Австралии он известен как P1.[21] Исключительно сильное похолодание произошло 300 млн лет назад.[22] Начиная с позднего сакмара и особенно после артинского потепления,[23] эти ледяные щиты уменьшились в размерах, о чём свидетельствует отрицательное значение δ18O.Ледяные щиты отступили на юг через Центральную Африку и бассейн Кару. На фоне глобального потепления и дегляциации в Австралии произошло региональное оледенение, охватившее последний сакмарский и артинский ярусы, известное как P2.[24] Это масштабное оледенение в конце сакмарского и артинского ярусов иногда считается окончанием собственно позднего плейстоцена, а граница между артинским и кунгурским ярусами[2] и связанная с ней кунгурская изотопная экскурсия углерода используются в качестве границы, обозначающей конец ледникового периода.[25][26][27] Тем не менее в Австралии оставались ледяные шапки гораздо меньшего объёма и площади. Ещё один длительный региональный интервал, также ограниченный территорией Австралии, длился с середины куньюйского яруса до начала капитанского яруса, известного как P3,[28] хотя, в отличие от предыдущих оледенений, это оледенение и последующее оледенение P4 в основном ограничивались альпийскими ледниками. Последний региональный австралийский интервал длился с середины капитанского яруса до конца учуапинского яруса, известного как P4. Как и в случае с P3, ледниковые щиты P4 состояли в основном из высокогорных ледников.[29] Этот ледниковый период был прерван резким потеплением, которое совпало с всплеском активности в Эмейшаньских траппах и привело к массовому вымиранию в конце каменноугольного периода.[30][31] Последние альпийские ледники ледникового периода Кару растаяли на территории современной восточной Австралии около 255 млн лет назад, в конце сычуаньского периода.
Временные интервалы, которые здесь называются ледниковыми и межледниковыми периодами, представляют собой отрезки в несколько миллионов лет, соответствующие более холодным и более тёплым периодам ледникового периода. На них повлияли долгосрочные изменения в палеогеографии, уровне парниковых газов и геологических процессах, таких как скорость вулканизма и силикатного выветривания. Их не следует путать с более короткими циклами ледниковых и межледниковых периодов, которые обусловлены астрономическими факторами, вызванными циклами Миланковича.[32]
Геологические эффекты
По словам Эйлса и Янга, «возобновление позднедевонского оледенения хорошо задокументировано в трёх крупных интракратонных бассейнах в Бразилии (бассейны Солимоэс, Амазонас и Паранаиба) и в Боливии. К раннему каменноугольному периоду (около 350 млн лет назад) ледниковые пласты начали накапливаться в субандийских бассейнах Боливии, Аргентины и Парагвая. К середине каменноугольного периода оледенение распространилось на Антарктиду, Австралию, Южную Африку, Индийский субконтинент, Азию и Аравийский полуостров. Во время позднекаменноугольного оледенения (около 300 млн лет назад) на обширной территории Гондваны установился ледниковый период. Самыми мощными ледниковыми отложениями пермско-каменноугольного периода являются формация Дуйка (толщиной 1000 м) в бассейне Кару на юге Африки, группа Итараре в бассейне Парана в Бразилии (1400 м) и бассейн Карнарвон в восточной Австралии. Пермско-каменноугольные оледенения примечательны заметными ледниково-эвстатическими изменениями уровня моря, которые привели к образованию не ледниковых бассейнов. Позднепалеозойское оледенение Гондваны можно объяснить миграцией суперконтинента через Южный полюс.[33]
На севере Эфиопии ледниковые формы рельефа, такие как бороздки, рош-мутонне и следы болтовни, могут быть обнаружены погребенными под ледниковыми отложениями позднего каменноугольного-раннего пермского периодов (ледники Эдага-Арби).[34] Гляциофлювиальные песчаники, морены, валунные подстилки, ледниково-бороздчатые покрытия и другие геологические структуры и пласты ледникового происхождения также известны по всей южной части Аравийского полуострова.[35]
На юге Земли Виктории в Антарктиде в тилите Метшеля, состоящем из переработанных девонских супергруппы Бикон осадочных пород, а также кембрийских и ордовикских гранитоидов и некоторых неопротерозойских метаморфических пород, сохранились ледниковые отложения, указывающие на наличие крупных ледниковых щитов. На севере Земли Виктории и Тасмании находился отдельный от южного ледника Виктории ледниковый щит, который двигался с запада на северо-запад.[36]
Сиднейский бассейн на востоке Австралии располагался на палеошироте от 60° до 70° южной широты в раннем и среднем периодах пермского периода, и в его осадочных породах сохранились по крайней мере четыре фазы оледенения за это время.[37]
До сих пор ведутся споры о том, подвергалось ли Северное полушарие оледенению, как Южное полушарие. Большинство палеоклиматических моделей предполагают, что ледяные щиты в Северной Пангее существовали, но их объём был очень незначительным. Диамиктиты из формации Аткан в Магаданской области, Россия, считались ледниковыми, хотя недавние исследования поставили эту интерпретацию под сомнение, предположив, что эти диамиктиты образовались во время межледникового периода в капитáне в результате вулканогенных потоков обломков, связанных с формированием Охотско-Тайгоносской вулканической дуги.[38][39]
В тропиках наблюдалась цикличность между влажными и засушливыми периодами, которая могла быть связана с чередованием холодных ледниковых периодов и тёплых межледниковых периодов. В Мидлендском бассейне Техаса в более тёплые периоды наблюдался рост эоловых отложений, что свидетельствует о повышенной засушливости,[40] как в бассейне Парадокс в Юте.[41]
Причины
Сокращение выбросов парниковых газов
Эволюция растений после силурийско-девонской революции на суше и последующей адаптивной радиациисосудистых растений на суше привела к долгосрочному повышению уровня кислорода на планете. Крупные древовидные папоротники, выраставшие до 20 м в высоту, были второстепенными доминантами по сравнению с крупными древовидными плаунами (30–40 м в высоту) в каменноугольных угольных лесах, которые процветали в экваториальных болотах, простиравшихся от Аппалачей до Польши, а позже и на склонах Урала. Усиленная секвестрация углерода повысила уровень кислорода в атмосфере до 35%,[42] а уровень углекислого газа снизился до 300 частей на миллион (ppm),[43] возможно, до 180 ppm во время касимовского периода,[44] который сегодня ассоциируется с ледниковыми периодами.[43]Это снижение парникового эффекта было связано с захоронением органического углерода в виде древесного угля или кокса, при этом лигнин и целлюлоза (в виде стволов деревьев и других растительных остатков) накапливались и захоранивались в больших каменноугольных угольных пластах.[45] Снижения уровня углекислого газа в атмосфере было бы достаточно, чтобы запустить процесс изменения полярного климата, который привёл бы к более холодному лету, неспособному растопить снежные покровы, образовавшиеся предыдущей зимой. Увеличение глубины снежного покрова до 6 метров создало бы достаточное давление для превращения нижних слоёв в лёд. Исследования показывают, что изменение концентрации углекислого газа было основным фактором, определяющим смену холодных и тёплых периодов в ранней и средней пермских эпохах.
Тектоническое объединение континентов Еврамерика и Гондвана в Пангею в ходе Герцинской-Аллеганской Орогенной складчатости привело к образованию крупного континентального массива в Антарктическом регионе и увеличению связывания углерода в результате силикатного выветривания, что привело к постепенному похолоданию летом и накоплению снежного покрова зимой, в результате чего горные альпийские ледники увеличились в размерах, а затем распространились за пределы высокогорных районов. Это привело к образованию континентальных ледников, которые распространились и покрыли большую часть Гондваны. Моделирование показывает, что тектонически обусловленное удаление углекислого газа в результате силикатного выветривания было достаточным для наступления ледникового периода.[46] Закрытие Рейского океана и Океана Япета привело к нарушению течений с тёплой водой в Панталассе и Палеотетисе, что, возможно, также сыграло свою роль в развитии Позднепалеозойского оледенения.[47]
Улавливание CO2 в результате выветривания крупных магматических провинций, образовавшихся в кунгурский период, привело к оледенению P3.[48]
Топографические изменения
В миссисипский период произошло крупное поднятие юго-западной части Гондваны, где начались первые оледенения в рамках позднего палеозойского оледенения. О поднятии, вызванном динамикой мантии, а не тектоническими процессами в земной коре, свидетельствует повышение температуры юго-западной части коры Гондваны, о чём говорит изменение состава гранитов, сформировавшихся в это время.[49]
Циклы Миланковича
В позднем плиоцене, как и в современном четвертичном оледенении, наблюдались ледниково-межледниковые циклы, обусловленные циклами Миланковича, которые действовали в масштабах от десятков тысяч до миллионов лет. Периоды низкой эклиптики, когда годовая инсоляция на полюсах уменьшалась, были связаны с интенсивным переносом влаги из низких широт и расширением ледников в высоких широтах, а периоды высокой эклиптики соответствовали более тёплым межледниковым периодам.[50] Данные по серпуховским и московским морским отложениям Южного Китая указывают на то, что гляциоэвстазия в первую очередь обусловлена долгопериодным эксцентриситетом с цикличностью около 0,405 млн лет и модуляцией амплитуды наклона земной оси с цикличностью примерно 1,2 млн лет. Это больше всего похоже на раннюю часть позднего кайнозойского ледникового периода, от олигоцена до плиоцена, до образования арктической ледяной шапки, что позволяет предположить, что климат в этот период был относительно тёплым для ледникового периода..[51] Данные, полученные из среднепермской формации Лукаогу в Синьцзяне, Китай, указывают на то, что климат в то время был особенно чувствителен к 1.2-миллионный цикл модуляции наклона земной оси. Это также говорит о том, что палео озёра, подобные тем, что находятся в Джунгарской впадине, вероятно, играли важную роль в качестве поглотителя углерода на поздних стадиях последнего ледникового максимума, а их поглощение и выделение углекислого газа действовали как мощные обратные связи во время циклов Миланковича, вызывающих ледниковые и межледниковые периоды.[52]Также в это время образовались уникальные осадочные толщи, называемые циклотемами. Они образовались в результате неоднократных изменений морской и неморской среды, вызванных ледниково-эвстатическими подъёмами и опусканиями уровня моря, связанными с циклами Миланковича.[53]
Биотические эффекты
Развитие высокочастотной и высокоамплитудной гляциоэвстазии, которая приводила к изменению уровня моря на 120 метров между более тёплыми и более холодными периодами, в начале позднепалеозойского межледниковья, в сочетании с усилением географической изоляции морских экорегионов и снижением океанической циркуляции, вызванным закрытием Рейсского океана, предположительно стало причиной каменноугольно-раннепермского биоразнообразия.[54][55] Циклы Миланковича оказывают значительное влияние на морскую жизнь в период последнего ледникового максимума, при этом высокоширотные виды сильнее подвержены влиянию ледниково-межледниковых циклов, чем низкоширотные.[56]
В начале Оледенения переход от парникового к ледниковому климату в сочетании с повышением концентрации кислорода в атмосфере привёл к уменьшению тепловой стратификации и увеличению вертикальной протяжённости смешанного слоя, что способствовало повышению скорости микробной нитрификации, о чём свидетельствует увеличение значений δ15Nобъёмных.[57]
Повышение уровня кислорода во время позднепалеозойского ледникового периода оказало значительное влияние на эволюцию растений и животных. Более высокая концентрация кислорода (и сопутствующее ей более высокое атмосферное давление) способствовала энергетическим метаболическим процессам, которые, в свою очередь, стимулировали эволюцию крупных наземных членистоногих и способность к полёту. Так, похожая на стрекозу меганевра, воздушный хищник, имела размах крыльев от 60 до 75 см. Травоядная многоножка с коренастым телом и панцирем Arthropleura достигала 1,8 метра в длину, а полуназемные хиббертоптериды эвриптериды были, вероятно, такого же размера, а некоторые скорпионы достигали 50 или 70 сантиметров
Прекращение действия
Увеличение планетарного альбедо Земли из-за расширения ледяных щитов привело бы к положительной обратной связи, в результате которой ледяные щиты распространились бы ещё больше, пока процесс не достиг бы предела. Снижение глобальной температуры в конечном счёте ограничило бы рост растений, а повышение уровня кислорода увеличило бы частоту лесных пожаров, поскольку влажная растительность может воспламеняться. Оба этих эффекта возвращают углекислый газ в атмосферу, обращая вспять эффект «снежного кома» и усиливая парниковый эффект, в результате чего уровень CO2 в последующий пермский период вырос до 300 частей на миллион. С рекордно низкого уровня 298 миллионов лет назад уровень CO2 в атмосфере резко вырос в 4 раза 294 миллиона лет назад.[58]
Как только эти факторы привели к остановке и небольшому откату в распространении ледниковых щитов, более низкого планетарного альбедо, вызванного уменьшением площади оледенения, стало бы достаточно для более тёплых лета и зимы, что ограничило бы глубину снежного покрова в районах, откуда распространялись ледники. Повышение уровня моря из-за глобального потепления привело к затоплению обширных равнинных территорий, где ранее бескислородные болота способствовали захоронению и удалению углерода (в виде угля). Из-за уменьшения площади осаждения углерода в атмосферу возвращалось больше углекислого газа, что ещё больше нагревало планету. В течение ранней и средней перми ледниковые периоды становились всё короче, а тёплые межледниковые периоды — всё длиннее, что постепенно превращало мир из «ледяного дома» в «парниковый» по мере развития пермского периода.[59] Узлы наклона, которые привели к расширению ледников и увеличению количества осадков в тропиках до 285,1 млн лет назад, после этого стали связаны с периодами аноксии в морской среде и усилением засушливости на суше. Это поворотный момент, ознаменовавший переход от ледникового периода к парниковому.[60]Увеличение выбросов метана из озёр стало положительной обратной связью, усилившей потепление.[61]Позднепалеозойское оледенение окончательно завершилось около 255 млн лет назад.
Смотрите также
- История Земли
- Четвертичное оледенение – современный ледниковый период
Ссылки
Библиография
- Beerling, D.J.; Berner, R.A. (2000). “Impact of a Permo-Carboniferous high event on the terrestrial carbon cycle”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97 (23): 12428—32. Bibcode:2000PNAS...9712428B. DOI:10.1073/pnas.220280097. PMC 18779. PMID 11050154.