Көне мұхиттарды зерттеу: Палеоокеанография

Кіріспе

Мұхиттарды геологиялық өткенде зерттеу – журнал

Палеокеанография – геологиялық өткенде мұхиттар тарихын, оның айналымын, химиясын, биологиясын, геологиясын, шөгінділердің және биологиялық өнімділіктің үлгілерін зерттеу ғылымы. Палеокеанографиялық зерттеулер, қоршаған ортаның модельдерін және түрлі проксилерді қолдана отырып, ғылыми қауымға өткен климатты әртүрлі кезеңдерде қайта құру арқылы мұхит процестерінің жаһандық климаттағы рөлін бағалауға мүмкіндік береді. Палеокеанографиялық зерттеулер палеоклиматологиямен тығыз байланысты.

Ақпараттың көзі және әдістері

Палеокеанография әлемдік мұхиттардың өткен жағдайы мен эволюциясы туралы ақпарат алу үшін «прокси» деп аталатын әдістерді пайдаланады. Геохимиялық прокси құралдарының қатарында ұзын тізбекті органикалық молекулалар (мысалы, алкенондар), тұрақты және радиоактивті изотоптар, сондай-ақ іздік металдар бар. Бұған қоса, қазбалармен және қабықшалармен (тесттер) бай шөгінділердің өзегі де пайдалы; палеокеанография шөгіндітану және палеонтология салаларымен тығыз байланысты.

Теңіз бетінің температурасы

Теңіз бетінің температурасы (SST) туралы мәліметтерді терең теңіз шөгінділерінің өзегінен, планктон қабықтарының секрецияларындағы оттегі изотоптарының арақатынасынан, магний мен кальцийдің (Mg/Ca) арақатынасынан, алкенон сияқты ұзақ тізбекті органикалық молекулалардан, теңіз бетіне жақын тропикалық маржандардан және моллюск қабықтарынан алуға болады. Оттегі изотоптарының арақатынасы (δ18O) температураның изотоп арақатынасына тигізетін әсеріне байланысты SST-ді қайта құруда пайдалы. Планктон қабық құру кезінде оттегін сіңіреді және теңіз суымен термодинамикалық тепе-теңдікте болған жағдайда, жылы суларда δ18O-ға азырақ тояды. Бұл қабықтар шөгіп, мұхит түбінде шөгінділерді құрайды, олардың δ18O арақатынасын өткен SST-ні анықтау үшін пайдалануға болады. Дегенмен, оттегі изотоптарының арақатынасы толыққанды прокси емес. Континенттік мұздықтарда қамауға алынған мұздың көлемі δ18O-ға әсер етуі мүмкін. Төменгі δ18O мәндерімен сипатталатын таза су континенттік мұздықтарда қалады, сондықтан мұздық кезеңдерде теңіз суының δ18O жоғарылайды және осы кезде пайда болған кальцит қабықтарының δ18O мәні үлкен болады. CaCO3 қабықтарында кальцийдің орнына магнийдің қосылуы қабықтар пайда болған SST-ні бағалау үшін прокси ретінде қолданылуы мүмкін. Mg/Ca арақатынасына температурадан басқа да көптеген факторлар әсер етеді, мысалы, тірі организмнің әсері, қабықтың тазалануы, сондай-ақ postmortem және шөгіндінен кейінгі еріу әсерлері. Алкенондар – фотосинтездік балдырлар өндіретін ұзақ тізбекті, күрделі органикалық молекулалар. Олар температураға сезімтал және теңіз шөгінділерінен алуға болады. Алкенондарды қолдану SST мен балдырлар арасындағы тікелей байланысты көрсетеді және CaCO3 зерттеулерінде қажетті биотикалық және физикалық-химиялық термодинамикалық қатынастарды білуді қажет етпейді. Алкенондарды пайдаланудың тағы бір артықшылығы – олар фотосинтездің өнімі болғандықтан, жоғары беткі қабаттарда күн сәулесінің болуы қажет. Осылайша, бұл жағдай беткі SST-ні жақсырақ тіркеуге мүмкіндік береді. Авторлар Mg/Ca арақатынасының су түбі температурасын калибрлейтін экспоненциалдық формадағы теңдеуді тапты:

Sea surface temperature (SST) records can be extracted from deep sea sediment cores using oxygen isotope ratios and the ratio of magnesium to calcium (Mg/Ca) in shell secretions from plankton, from long chain organic molecules such as alkenone, from tropical corals near the sea surface, and from mollusk shells. Oxygen isotope ratios (δ18O) are useful in reconstructing SST because of the influence temperature has on the isotope ratio. Plankton take up oxygen in building their shells and will be less enriched in their δ18O when formed in warmer waters, provided they are in thermodynamic equilibrium with the seawater. When these shells precipitate, they sink and form sediments on the ocean floor whose δ18O can be used to infer past SSTs. Oxygen isotope ratios are not perfect proxies, however. The volume of ice trapped in continental ice sheets can have an impact of the δ18O. Freshwater characterized by lower values of δ18O becomes trapped in the continental ice sheets, so that during glacial periods seawater δ18O is elevated and calcite shells formed during these times will have a larger δ18O value. The substitution of magnesium in place of calcium in CaCO3 shells can be used as a proxy for the SST in which the shells formed. Mg/Ca ratios have several other influencing factors other than temperature, such as vital effects, shell cleaning, and postmortem and post depositional dissolution effects, to name a few. Alkenones are long chain, complex organic molecules produced by photosynthetic algae. They are temperature sensitive and can be extracted from marine sediments. Use of alkenones represents a more direct relationship between SST and algae and does not rely on knowing biotic and physical chemical thermodynamic relationships needed in CaCO3 studies. Another advantage of using alkenones is that they are a product of photosynthesis, necessitating formation in the sunlight of the upper surface layers. As such, it better records near surface SST. The authors found an equation calibrating bottom water temperature of Mg/Ca ratios that takes on an exponential form:

мұнда Mg/Ca – бентоникалық форминифераларда табылған Mg/Ca арақатынасы, ал BWT – су түбінің температурасы.

Седименттер туралы мәліметтер

Тұнбалардың деректері бізге өткеніміз туралы көп нәрсе айтады және болашаққа қатысты қорытындылар жасауға көмектеседі. Палеокеанография саласы жаңа емес, зерттеулер 1930 жылдарға дейін де жүргізілген. Қазіргі заманғы уақыт шкаласын қайта құру жөніндегі зерттеулер тұнба өзегін сканерлеу әдістерін пайдалана отырып дамып келеді. Бұл әдістер Антарктидадағы мұз өзегі деректерімен жүргізілген зерттеулерге ұқсас зерттеулер жүргізуге мүмкіндік береді. Бұл деректер палеопродуктивтілік әдістерін қолдану арқылы, мысалы, диатомдардың жалпы мөлшерін өлшеу арқылы белгілі бір уақытта кездесетін организмдердің салыстырмалы көптігі туралы мәлімет бере алады. Сондай-ақ, деректер тарихи ауа-райы үлгілері және Deschamps және авторлар тобы сияқты мұхит ағындары туралы ақпарат бере алады, олар Алясканың Чукчи және Канаданың Бофорт аймандарының тұнбаларын зерттеуде сипаттаған.

Тұздылығы

Тұздылықты палеожазбалардан анықтау қиынырақ. Негізгі жазбалардағы дейтерийдің артық мөлшері, оттегі изотоптарына қарағанда теңіз бетінің тұздылығын жақсырақ көрсетеді, ал диатомдар сияқты кейбір түрлер, белгілі бір тұздылық жағдайларында ғана өсетін диатомдардың салыстырмалы мөлшеріне байланысты, жартылай сандық тұздылық жазбасын ұсынуы мүмкін. Жаһандық су айналымы мен мұхиттардың тұздылық балансында өзгерістер болды, Солтүстік Атлантика мұхитының тұздылығы артты, ал субтропиктік Үнді және Тынық мұхиттарындағы тұздылық азайды. Су айналымының өзгеруімен бірге тұздардың және галоклиндердің тік бөлінуінде де өзгерістер орын алды. Үлкен көлемдегі тұщы судың құйылуы және тұздылықтың өзгеруі теңіз мұзының ауданын азайтуға да себеп болуы мүмкін.

Мұхит айналымы

Өткен мұхит айналымы мен оның өзгеруін анықтау үшін бірнеше прокси-әдістер қолданылған. Оларға көміртегі изотоптарының арақатынасы, кадмий/кальций (Cd/Ca) арақатынасы, протактиний/торий изотоптары (231Pa және 230Th), радиокөміртегінің активтігі (δ14C), неодимий изотоптары (143Nd және 144Nd) және сұрыпталатын шлам (терең теңіз шөгінділерінің 10 мен 63 мкм аралығындағы фракциясы) жатады. Дегенмен, аталған арақатынастарға биологиялық, экологиялық және геохимиялық процестер әсер етеді, бұл айналым туралы қорытындыларды күрделендіреді. Қолданылған барлық проксилер меридионалды айналымның қалып-құлықтарын анықтауға көмектеседі. 231Pa және 230Th екеуі де теңіз суында еріген уранның радиоактивті ыдырауынан түзіледі, мұнда 231Pa су жоғары қабатында 230Th-дан ұзақ сақталуға қабілетті: 231Pa-ның тұру мерзімі шамамен 100–200 жылды құрайды, ал 230Th-тың тұру мерзімі шамамен 20–40 жылды құрайды. Сонымен қатар, δ11B-нің планктон қабықшаларындағы қолданылуы өткен бірнеше миллион жылдағы атмосфералық CO2 концентрациясының жанама проксисі ретінде пайдаланылуы мүмкін.