Введение

Изучение океанов в геологическом прошлом – это наука, исследующая историю океанов в геологическом прошлом в отношении циркуляции, химии, биологии, геологии, закономерностей осадконакопления и биологической продуктивности. Палеоокеанографические исследования, использующие модели окружающей среды и различные прокси-данные, позволяют научному сообществу оценивать роль океанических процессов в глобальном климате посредством реконструкции климата в различные периоды прошлого. Палеоокеанографические исследования также тесно связаны с палеоклиматологией.

Источник и методы получения информации

Палеокеанография использует так называемые прокси-методы для получения информации о прошлом состоянии и эволюции мирового океана. К числу геохимических прокси-инструментов относятся органические молекулы с длинной цепью (например, алкеноны), стабильные и радиоактивные изотопы, а также микроэлементы. Кроме того, полезными могут быть и осадочные керны, богатые ископаемыми и панцирями (тестами); палеокеанография тесно связана с седиментологией и палеонтологией.

Температура поверхности моря

Записи температуры поверхности моря (SST) могут быть получены из глубоководных осадочных кернов с использованием соотношений изотопов кислорода и отношения магния к кальцию (Mg/Ca) в раковинах планктона, из длинноцепочечных органических молекул, таких как алкеноны, из тропических кораллов, растущих у поверхности моря, и из раковин моллюсков. Соотношения изотопов кислорода (δ18O) полезны для реконструкции SST благодаря влиянию температуры на изотопный состав. Планктон включает кислород в состав своих раковин и будет содержать меньше δ18O при формировании в более теплых водах, при условии термодинамического равновесия с морской водой. Когда эти раковины осаждаются, они опускаются на дно океана, образуя осадки, по δ18O которых можно судить о прошлых значениях SST. Однако соотношения изотопов кислорода – не идеальные прокси-индикаторы. Объём льда, заключённого в континентальных ледниковых щитах, может влиять на δ18O. Пресная вода, характеризующаяся более низкими значениями δ18O, накапливается в ледниковых щитах, поэтому в периоды оледенения δ18O морской воды повышается, а кальцитовые раковины, образовавшиеся в это время, будут иметь более высокое значение δ18O. Замещение магния на кальций в раковинах CaCO3 может использоваться в качестве прокси-индикатора SST, при которой формировались раковины. На соотношение Mg/Ca, помимо температуры, влияют и другие факторы, такие как витальные эффекты, очистка раковин, а также процессы растворения после смерти организма и после осаждения. Алкеноны – это длинноцепочечные, сложные органические молекулы, производимые фотосинтезирующими водорослями. Они чувствительны к температуре и могут быть извлечены из морских осадков. Использование алкенонов обеспечивает более прямую связь между SST и водорослями и не требует знания биотических и физико-химических термодинамических соотношений, необходимых при изучении CaCO3. Ещё одним преимуществом алкенонов является то, что они являются продуктом фотосинтеза, то есть образуются в освещённых верхних слоях воды. Таким образом, они лучше отражают температуру поверхности моря. Авторы вывели уравнение, калибрующее температуру придонных вод по соотношению Mg/Ca, которое имеет экспоненциальный вид:

где Mg/Ca – это отношение Mg/Ca, обнаруженное в бентосных фораминиферах, а BWT – температура придонных вод.

Записи осадочных пород

Записи осадков могут многое рассказать о нашем прошлом и помочь делать прогнозы на будущее. Хотя эта область палеокеанографии не нова, и некоторые исследования восходят к 1930-м годам и даже ранее. Современные исследования реконструкции временных шкал продвинулись благодаря использованию методов сканирования кернов отложений. Эти методы позволили проводить исследования, аналогичные тем, что выполняются с ледяными кернами в Антарктиде. Эти записи могут предоставить информацию об относительном количестве организмов, присутствовавших в определенный период времени, с использованием методов оценки палеопродуктивности, таких как измерение общей численности диатомовых водорослей. Записи также могут рассказать об исторических погодных условиях и океанической циркуляции, как, например, описано Deschamps et al. в их исследованиях отложений с Чукотского моря, Аляскинского и Канадского Бофортовского шельфа.

Соленость

Соленость – величина, которую сложнее восстановить по палеозаписям. Избыток дейтерия в кернах может дать более точную оценку солености поверхностных вод океана, чем изотопы кислорода, а некоторые организмы, такие как диатомовые водоросли, могут предоставить полуколичественную запись солености благодаря различной численности видов, приуроченных к определенным диапазонам солености. В глобальном круговороте воды произошли изменения, повлиявшие на солевой баланс океанов: Северная Атлантика становится более соленой, а субтропические Индийский и Тихий океаны – менее соленой. Изменения в круговороте воды также сопровождались изменениями в вертикальном распределении солей и образованием галоклинов. Значительное поступление пресной воды и изменение солености могут способствовать уменьшению площади морского льда.

Циркуляция океана

Для реконструкции прошлой циркуляции океана и ее изменений использовались различные прокси-методы. К ним относятся соотношения изотопов углерода, соотношения кадмия/кальция (Cd/Ca), изотопы протактиния/тория (231Pa и 230Th), активность радиоуглерода (δ14C), изотопы неодима (143Nd и 144Nd) и сортируемый ил (фракция глубоководных отложений размером от 10 до 63 мкм). Однако на эти соотношения влияют биологические, экологические и геохимические процессы, что затрудняет интерпретацию данных о циркуляции. Все рассмотренные прокси полезны для реконструкции поведения меридиональной опрокидывающейся циркуляции. 231Pa и 230Th образуются в результате радиоактивного распада растворенного урана в морской воде, при этом 231Pa способен дольше оставаться в водной толще, чем 230Th: время жизни 231Pa составляет около 100–200 лет, а 230Th – около 20–40 лет. Кроме того, δ11B в раковинах планктона может использоваться как косвенный прокси для определения концентрации CO2 в атмосфере за последние несколько миллионов лет.