ТУРИЗМ И ПУТЕШЕСТВИЯ (последнее)
ДИАТОМОВАЯ ЛЕТОПИСЬ БАЙКАЛА И ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА
Актуальные публикации по вопросам туризма. Путешествия. Отчеты о поездках. Страны мира. История экзотических стран мира.
Академик Михаил КУЗЬМИН, директор Института геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН (Иркутск),
доктор биологических наук Галина ХУРСЕВИЧ, Белорусский государственный педагогический университет им. Максима Танка (Минск, Республика Беларусь)
Среди одноклеточных организмов есть совершенно особенная группа - диатомовые водоросли, или диатомеи. Они живут одиночно или образуют разнообразные колонии в виде нитей и цепочек, трубочек и звездочек, вееров и кустиков, лент и пленок. Их единственная клетка заключена в панцирь - наружную твердую кремнеземную оболочку. Ее форма необычайно затейлива, причудлива, а структура настолько изящна и красива, что кажется творением искусного художника.
О РОЛИ ИСКОПАЕМЫХ ДИАТОМЕИ
Впервые изображения диатомовых водорослей появились 300 лет назад, когда Левенгуком был изобретен световой микроскоп. Первые обстоятельные наблюдения и изучение строения их клетки и панциря были проведены на протяжении XIX в. Качественно новый уровень исследования начался с середины XX в. в связи с введением в практику трансмиссионного (просвечивающего) и сканирующего (отражающего) электронных микроскопов, которые позволили получить новые, ценные для систематики сведения о тонкой структуре панциря современных и ископаемых диатомеи. Общепризнанна роль диатомовых водорослей для решения биостратиграфических, палеолимнологических и палеоклиматических задач. Кремнеземные панцири и створки диатомеи в благоприятных условиях могут сохраняться в породах миллионы лет и являются носителями информации о биологическом разнообразии прошлых геологических эпох, о времени и условиях седиментации. Для таких целей прово-
стр. 56
дится бурение отложений дна водоема с последующим послойным изучением видового состава ископаемых окаменелых диатомей снизу вверх по всему осадочному разрезу, вскрытому керном, и устанавливаются особенности изменения их качественного и количественного состава. На основе полученной информации выделяются уровни появления или исчезновения отдельных видов/родов, уровни массового появления или резкого сокращения численности тех или иных таксонов, сопоставленные с возрастной моделью изученного осадочного разреза. Затем проводится сравнение выделенных уровней с известными событиями, характеризующими изменения климата на планете в целом или в отдельном регионе, что позволяет выяснить причины вымираний, а также смен отдельных таксонов диатомовых водорослей в конкретной экосистеме.
Говоря о палеоклиматических "сигналах", получаемых при расшифровке "посланий из прошлого", следует иметь в виду: данные об изменении состава диатомей и численности створок нельзя с помощью каких-либо математических формул трансформировать в параметры климата, такие как среднегодовые температуры, суммы атмосферных осадков и т.д. Однако прийти к выводу об относительной изменчивости климата в ту или иную эпоху вполне реально. Например, можно понять, в какой период (ледниковый или межледниковый) накапливались определенные слои донных отложений озера Байкал. Еще одним важным аспектом анализа палеоклимата по данным диатомовых исследований является оценка стабильности условий природной среды и климата. А границы существенных смен состава и численности водорослей указывают на значительные изменения среды их обитания. По детальным диатомовым записям ученые определяют общие тенденции и отдельные палеоклиматические события, их возраст на геологической шкале.
ПРОЕКТ "БАЙКАЛ-БУРЕНИЕ"
Изучению изменения климата в Центральной Азии был посвящен международный проект "Байкал-бурение" (BDP - Baikal Drilling Project), реализованный в 1991 - 2006 гг. Кратко остановимся на его историческом аспекте.
В 1989 г. по инициативе известного геолога и океанолога Льва Зоненшайна (член-корреспондент РАН с 1991 г.) была составлена программа "Глубоководная экология, палеолимнология и геодинамика Байкала", поддержанная председателем СО АН СССР академиком Валентином Коптюгом, его заместителем академиком Николаем Добрецовым и президентом АН СССР академиком Гурием Марчуком. Она предполагала новый этап геологических, геофизических и подводных исследований озера.
В том же году на Международном геологическом конгрессе в Вашингтоне американские специалисты, в первую очередь профессор Университета Южной Каролины Дуглас Вильямс, предложили российским коллегам начать совместное изучение глобальных изменений природной среды и климата Центральной Азии на основе глубоководного бурения на Байкале. (Интерес зарубежных исследователей к данному региону не случаен. К тому времени было известно: получение непрерывных палеоклиматических записей в Северном полушарии возможно лишь на этом озере.)
Подготовку технического обеспечения работ взяло на себя Научно-производственное предприятие "Недра" Министерства геологии СССР. В 1992 г. к проекту присоединились японские ученые из Университета Киото (профессор Шоджи Хорие) и байкальской ассоциации (доктор Такаёше Каваи). В то же время работы поддержало Министерство науки и технологий РФ.
В 1992 и 1993 гг. сотрудники Южного отделения Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН и участники совместной с Геологической службой США экспедиции провели многоканальные сейсмические исследования и в результате оценили строение и мощность осадочной толщи Байкала. Тогда же в ходе реализации программы его дно изучали с помощью подводных обитаемых аппаратов "Пайсис". В это же время подготовили буровой комплекс, уста-
стр. 57
новленный на барже, которая вместе с судном-буксиром должна была вмораживаться в лед при проведении работ.
Еще до начала бурения ученые уточнили мощность (до 8 км) осадочного чехла озера, установили ритмичность строения осадков, обусловленную чередованием слоев, обогащенных створками диатомовых водорослей, сформированных в теплые межледниковые интервалы, и слоев, сложенных терригенными (обломочными) глинами, отлагающимися в холодные ледниковые периоды.
Первый вариант бурового комплекса смонтировали на 400-тонной барже. Его оборудование позволяло пройти скважины глубиной 200 - 300 м под толщей воды до 300 - 400 м, что и удалось в ходе экспедиций 1993 и 1996 гг.
А в 1997 г. уже на 1000-тонной барже был создан буровой комплекс "Байкал-2000". В ходе экспедиций, состоявшихся в том же году и в два последующих, удалось проходить скважины до 1 км при глубине воды до 900 м. При проходке применяли керноприемники длиной до 6 м (а не 2 м, как ранее), благодаря чему значительно увеличилась ее скорость. В итоге выход керна составил 95 - 98 %, что отметили как высокое достижение специалисты международных программ научного океанического и континентального бурения.
Напомним: в целом Байкал состоит из трех глубоких котловин, отделенных друг от друга поднятиями.
стр. 58
батиметрическая карта озера Байкал. Точки - местоположение пробуренных скважин.
Так, Северная отделена от Центральной подводным Академическим хребтом, Центральная от Южной -Селенгино-Бугульдейской перемычкой. Самое первое бурение осуществили в 1993 г. именно на этой перемычке примерно в 6 км к юго-востоку от устья реки Бугульдейка в точке с координатами 52°31'05" с.ш. и 106°09'11" в.д. на глубине 354 м.
Еще одну попытку реализовали в 1996 г., но уже на поднятии Академического хребта в точке с координатами 53°41'48" с.ш. и 108°21'06" в.д. при толще воды 321 м. На близком расстоянии друг от друга были пробурены две скважины: BDP-96 - 1 глубиной 300 м (отбор керна проводился только до отметки 200 м) и BDP-96 - 2 глубиной 100 м.
В 1998 г. работы на Академическом хребте провели в точке с координатами 53°44'48" с.ш. и 108°24'34" в.д., расположенной в 5 км севернее двух точек бурения BDP-96. Глубина скважины BDP-98 составила 670 м под толщей воды 333 м. Сплошной отбор керна осуществляли до отметки 600 м, причем его выход составил более 90%.
В следующем году бурение проводили в точке с координатами 52°05'23" с.ш. и 105°50'24" в.д., где глубина воды составляла 205,56 м, а скважины - 350,5 м. Это место отвечает так называемой Посольской банке, осадки которой во многом определяются взвешенным материалом, поступающим с реки Селенга. Здесь получена высокоразрешающая палеоклимати-
стр. 59
ческая запись, отображающая экологию Селенгинского бассейна в очень далеком прошлом и дающая большую информацию об истории Байкальской впадины.
В целом в рамках проекта "Байкал-бурение" за 10 лет проведено пять буровых экспедиций, вскрывших семь скважин длиной от 40 до 630 м, получены донные отложения общей длиной более 1500 м, их возраст - более 8 млн. лет. Разрешение (хронологическая точность) полученных палеоклиматических записей высокое и составляет от 20 до 200 лет в одном сантиметре керна. Общий объем полученных данных оказался настолько велик, что детальная обработка части из них заняла более 10 лет и продолжается в настоящее время.
Следует заметить, что выход на точку бурения не был простой "морской прогулкой". Плавучую установку подводили к ней в самом начале ледостава и поэтому она могла попасть в зоны торошения. В этой связи позволим себе небольшое отступление и приведем описание, сделанное одним из авторов данной статьи Михаилом Кузьминым при попадании бурового комплекса в такую опасную зону. "Вдруг появился какой-то гул. Ничего не понимая, я побежал на мостик. В рубке полная тишина, никто ничего не говорит, а гул нарастает. Ясно - пошел лед, началось образование торосов. Картина вокруг потрясающая! По правому борту появились трещины, в них вода, хотя несколько минут назад все было покрыто льдом... Льдины надвигаются и громоздятся друг на друга. Видно, как отдельные глыбы сплошного льда, высотой до метра и более, легко, как маленькие кубики, выбрасываются на лед, образуя зоны торошения. От больших трещин отходит ряд поперечных, косых. Именно по ним происходит нагромождение льдин. Кажется, весь лед вокруг нас движется. Огромные пластины размером 5 - 8x4 - 5 м и толщиной до 20 - 30 см легко подныривают или наползают на преграждающее им путь поле. Грандиозная и устрашающая картина... Весь этот разгул стихии продолжался всего около 45 мин. Все, кто был на судне, члены команды и экспедиции, стояли у бортов, на носу или на мостике и молча созерцали то, что творила природа. Мы находимся на маленьком пароходе среди живущих и движущихся льдов,
стр. 60
которые, ломаясь и наползая друг на друга, образуют огромные поля торосов. Этому льду не страшна никакая преграда - он может сломать все. Чувствуешь себя маленьким и не защищенным человечком в ледяном плену, чувствуешь свою беспомощность перед природой и понимаешь, что с ней шутить нельзя".
Но вернемся к основной теме. Результаты изучения ископаемых диатомовых водорослей в глубоководных кернах Байкала, полученные за минувшие 15 лет, имеют мировой уровень. Этому благоприятствуют следующие обстоятельства. Как уже упоминалось, озеро Байкал расположено в высоких широтах, где вариации солнечной радиации проявляются особенно четко и хорошо выражены сезонные климатические колебания. Важны непрерывность, а также продолжительность разрезов (накопление 600-метровой осадочной толщи происходило на протяжении последних 8 млн. лет). Отметим и детальный интервал опробования (через каждые 2 см для буровых кернов BDP-96 - 1, BDP-96 - 2 и через каждые 5 - 10, реже 15 см в керне BDP-98). И еще: удалось достичь высокого выхода керна (90 - 95%), точного возрастного контроля вскрытых отложений. Добытый материал изучали с использованием комплекса методов (диатомовый анализ, распределение биогенного кремнезема в разрезах, палинологические данные, а также показатели минералогического и химического состава осадков и др.), что помогло расшифровать глобальные и региональные изменения климата в регионе. Полученные палеоклиматические летописи можно рассматривать в качестве модельных для Азии и в целом для континентов Северного полушария.
В ходе работ были вскрыты осадочные разрезы, содержащие уникальную запись эволюции диатомовых водорослей, и на этой основе установлен возрастной диапазон вымерших эндемиков и реликтов, прослежены изменения морфологических признаков во времени и выяснены предполагаемые филогенетические связи отдельных родов и видов.
В целом в верхнекайнозойских* отложениях Байкала зарегистрирован богатый состав планктонных диатомовых водорослей класса Coscinodiscophyceae, представленный 16 родами, охватывающими 81 вид и 22 внутривидовых таксона. Из них новые для науки: одно эндемичное семейство (Thalassiobeckiaceae), три эндемичных для озера Байкал рода (Mesodictyopsis, Stephanopsis, Thalassiobeckia), 42 вида и 6 внутривидовых таксонов, принадлежащих к вымершим. Прослежены появление, расцвет и вымирание многих планктонных видов диатомей, что обусловлено неоднократными изменениями окружающей среды и палеоклимата.
ЭВОЛЮЦИЯ ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ В ПОЗДНЕМ МИОЦЕНЕ
Верхнемиоценовые** отложения вскрыты скважиной BDP-98 в интервале глубин 600 - 286 м. Их возраст составляет 8,00 - 5,32 млн. лет. На основе изменения видового состава диатомей и их численности выделены 8 биостратиграфических зон. Если нижняя часть разреза данной скважины (600 - 492,32 м) характеризуется относительно низким содержанием створок диатомей и доминированием в ней на некоторых уровнях мелководных донных форм (Staurosira, Fragilariforma и др.), то в вышезалегающих отложениях (492,32 - 286 м) существенно увеличивается численность планктонных диатомовых водорослей, представленных вымершими представителями родов Concentrodiscus, Actinocyclus, Mesodictyon, а также значительным содержанием древних видов Aulacoseira, внутривидовым разнообразием и вариабельностью вымирающего вида Cyclotella iris.
Диатомный анализ и литологические особенности рассматриваемого интервала (тенденция к значительному уменьшению содержания гравия, песчаных прослоев, растительных остатков и фрагментов древесины к верхнему рубежу интервала отложений 600 - 286 м) указывают на формирование этих осадков первоначально в прибрежной зоне древнего бассейна в условиях большого притока терригенного материала древней реки Палеобаргузин, а затем постепенного замещения их тонкими илами в результате растяжения и дальнейшего углубления бассейна в районе расположения подводного Академического хребта, на котором и была заложена упомянутая скважина. Во временном интервале от 6,6 до 4,8 млн. лет интенсивно эволюционировал впоследствии вымерший род Mesodictyopsis, представленный 7 эндемичными видами.
ЭВОЛЮЦИЯ ДИАТОМЕЙ В ПЛИОЦЕНЕ
Первые данные, показывающие очевидную связь изменения видового состава и содержания створок диатомовых водорослей с изменениями палеоклимата Восточной Сибири за последние 2,5 млн. лет, получены учеными и опубликованы еще в 1998 г. Более детальные исследования диатомей в 200-метровом керне (скважина BDP-96) представлены позднее. Возраст основания этой толщи составляет около 5,4 млн. лет. Полный разрез плиоцена*** был вскрыт лишь скважиной BDP-98. Причем его отложения расчленены на 13 биостратиграфических зон, отражающих основные биологические и палеоклиматические события, происходившие в древнем бассейне и на территории Байкальского региона. Вымирание видов Mesodictyopsis и последовавшее за ним доминирование и
* Кайнозойская эра - самая молодая в геологической истории Земли, охватывает и современную эпоху; началась 66 млн. лет назад; подразделяется на палеогеновый, неогеновый и четвертичный (антропогеновый) периоды {прим. ред.).
** Миоцен - нижнее подразделение неогенового периода, начавшегося ~23,5 млн. лет назад и продолжавшегося примерно 20 млн. лет (прим. ред.).
*** Плиоцен - эпоха неогенового периода; началась около 5,3 млн. лет назад, закончилась примерно 1,8 млн. лет назад (прим. ред.).
стр. 61
исчезновение круга форм Cyclotella iris соответствуют, вероятно, продолжительной волне похолодания в начале плиоцена (5,3 - 4,7 млн. лет).
Появление, обильное развитие и угасание видов Tertiariopsis в сочетании с массовостью древних видов Aulacoseira происходило в условиях климатического оптимума (4,7 - 4,44 млн. лет). Доминирование нового рода Stephanopsis совместно с древними видами Aulacoseira отражает продолжительный постоптимальный интервал существования благоприятных условий в палеоводоеме (4,44 - 3,5 млн. лет). Монодоминантное развитие нового позднего вымершего эндемика Stephanopsis costatus и временное исчезновение из планктона озера древних видов Aulacoseira соответствуют началу значительного похолодания климата в регионе во временном интервале 3,5 - 2,85 млн. лет. И внезапное обильное появление мелких по размерам быстроисчезающих видов Tertiarius и Stephanodiscus, сменившееся небольшой вспышкой нового, позднее вымершего рода Thalassiobeckia, свидетельствует о кратковременном улучшении палеоэкологических условий в древнем бассейне на фоне прогрессирующего похолодания климата во второй половине среднего плиоцена (2,85- 2,64 млн. лет).
Полное же отсутствие представителей трех вымерших родов - Stephanopsis, Tertiarius и Thalassiobeckia - и появление в планктоне Байкала новых, позднее вымерших видов Cyclotella отражают драматичные изменения окружающей среды в палеоводоеме в течение наиболее существенного похолодания здешнего климата (2,64 - 2,46 млн. лет), обусловленного, по всей вероятности, развитием самого раннего горного оледенения в этом регионе около 2,5 млн. лет назад. И наконец, развитие двух впоследствии вымерших эндемиков Cyclotella distincta и Cyclotella tempereiformica, количественное содержание которых неоднократно менялось в планктоне древнего озера, характеризует реакцию его экосистемы на периодические изменения климата во временном интервале 2,46 - 1,81 млн. лет.
Следует отметить, что в раннем и среднем плиоцене (5,32 - 2,5 млн. лет) в Байкале появились, интенсивно развивались и вымерли четыре рода диатомовых водорослей (вначале Tertiariopsis, затем Stephanopsis, позднее Tertiarius и Thalassiobeckia), что свидетельствует о высоких скоростях эволюции пресноводных планктонных диатомей.
РАЗВИТИЕ ДИАТОМЕЙ В ПЛЕЙСТОЦЕНЕ И ГОЛОЦЕНЕ
Детальные исследования плейстоценовых* отложений, наиболее полно вскрытых в разрезе скважины BDP-96 - 2 на глубине 72,8 - 0,11 м, позволили расчленить их на 43 диатомовые зоны, отражающие ледниково-межледниковую ритмичность климата. Именно контрастные условия природной среды того времени стали причиной частых и глубоких перестроек в экосистеме озера.
Так, в начале раннего плейстоцена (1,81 - 1,51 млн. лет) невысокая численность и прерывистое развитие практически одного доминантного вымершего вида Cyclotella comtaeformica в древнем бассейне отражает существенное похолодание климата в данном регионе. На протяжении следующего интервала (1,51- 1,25 млн. лет) развитие этого вида завершается на фоне появления в небольшом количестве видов Aulacoseira и Stephanodiscus, что указывает на очередное изменение окружающей среды в водоеме.
Сравнительный анализ состава диатомовых сообществ, характерных для последующих теплых и холодных интервалов плейстоцена, показывает, что можно выделить четыре периода в их развитии. Каждый из них имеет определенный уровень стабильности сообщества, обусловленный изменениями притока на Землю солнечной радиации. Границы периодов соответствуют резким изменениям климата и палеоэкологических условий в Байкале, а значит, и существенным структурным перестройкам в планктонных диатомовых сообществах, - их начало совпадает с рубежами некоторых морских изотопно-кислородных стадий (на основе различий изотопов кислорода они показывают теплые и ледниковые периоды).
Период 1,25 - 0,612 млн. лет назад отличается интенсивным видообразованием и вымиранием в пределах рода Stephanodiscus. Возрастной диапазон отдельных его представителей не превышает 13 - 15 тыс. лет, что свидетельствует об их зависимости от быстрого изменения природной среды. Отметим, по сравнению с таксонами Stephanodiscus вымерший вид Cyclotella praeminuta появился и развивался в древнем бассейне на протяжении более продолжительного времени (около 170 тыс. лет).
Временной интервал 595 - 365 тыс. лет, когда амплитуды изменения в инсоляции Земли были незначительными, характеризуется обилием диатомей в Байкале, стабильным, практически непрерывным развитием планктонного сообщества, представленного главным образом вымершим эндемиком Stephanodiscus distinctus et var. excentricoides. Кроме того, в этом интервале отмечается первое появление и максимальное количественное содержание нового вида Cyclotella minuta.
Период, охватывающий 342 - 74 тыс. лет, выделяется появлением, обилием и вымиранием видов группы Stephanodiscusgrandis, а также первым появлением и максимальной численностью новых байкальских таксонов Cyclotella baicalensis, Cyclotella ornata и Aulacoseira baicalensis, что обусловлено ростом амплитуд инсоляционных изменений.
В конце позднего плейстоцена и голоцене** (58 тыс. лет назад - настоящее время) происходит формирова-
* Плейстоцен - начался примерно 1,8 млн. лет назад, закончился около 10 тыс. лет назад; характеризуется общим похолоданием климата Земли, периодическим возникновением в средних широтах обширных материковых оледенений (прим. ред.).
** Голоцен - послеледниковая эпоха, составляющая незакончившийся отрезок четвертичного (антропогенового) периода геологической истории; начался около 11 тыс. лет назад (прим. ред.).
стр. 62
стр. 63
ние современного фитопланктона озера. В составе диатомовой флоры с той поры доминируют Aulacoseira baicalensis, виды группы Cyclotella minuta, обитающие здесь и поныне.
В первой половине голоцена в озере развивался вымерший вид, близкородственный Stephanodiscus flabellatus. Кроме того, качественное разнообразие сообщества диатомовых водорослей возросло за счет видов Aulacoseira skvortzowii, Cyclostephanos dubius, Stephanodiscus inconspicuus, встреченных с высоким количественным содержанием.
Таким образом, если эволюция планктонных диатомовых водорослей класса Coscinodiscophyceae в озере на протяжении позднего миоцена и плиоцена характеризовалась появлением и вымиранием не только видов, но и родов, то в плейстоцене она шла, главным образом, на видовом уровне.
Байкал - уникальный объект для изучения процессов эндемического видообразования. Рубежи вымирания большинства видов в нем совпадают с границами начала холодных (ледниковых) периодов, характеризуя значительные экологические перестройки. Исчезновение доминирующих видов диатомей во время оледенений освобождало ниши, которые при потеплениях быстро осваивали новые таксоны. Частые изменения климата (а следовательно, и палеоэкологических условий окружающей среды) в плейстоцене способствовали быстрой эволюции планктонных диатомей в озере (и прежде всего видов Stephanodiscus). Тесная связь климата и видообразования демонстрирует контроль первого над эволюцией диатомовых водорослей и их разнообразием.
В целом же по своей детальности, точности возрастной модели и длительности (8 млн. лет) диатомовая запись из осадков древнего Байкала не имеет аналогов в мире. Она вполне может быть использована в качестве стандарта для интерпретации других континентальных записей, включая "летописи" озер, бурение которых еще предстоит осуществить. Кроме того, данные, полученные в ходе экспедиций, являются основой для сравнения изменения климата в океанах и на континенте.
доктор биологических наук Галина ХУРСЕВИЧ, Белорусский государственный педагогический университет им. Максима Танка (Минск, Республика Беларусь)
Среди одноклеточных организмов есть совершенно особенная группа - диатомовые водоросли, или диатомеи. Они живут одиночно или образуют разнообразные колонии в виде нитей и цепочек, трубочек и звездочек, вееров и кустиков, лент и пленок. Их единственная клетка заключена в панцирь - наружную твердую кремнеземную оболочку. Ее форма необычайно затейлива, причудлива, а структура настолько изящна и красива, что кажется творением искусного художника.
О РОЛИ ИСКОПАЕМЫХ ДИАТОМЕИ
Впервые изображения диатомовых водорослей появились 300 лет назад, когда Левенгуком был изобретен световой микроскоп. Первые обстоятельные наблюдения и изучение строения их клетки и панциря были проведены на протяжении XIX в. Качественно новый уровень исследования начался с середины XX в. в связи с введением в практику трансмиссионного (просвечивающего) и сканирующего (отражающего) электронных микроскопов, которые позволили получить новые, ценные для систематики сведения о тонкой структуре панциря современных и ископаемых диатомеи. Общепризнанна роль диатомовых водорослей для решения биостратиграфических, палеолимнологических и палеоклиматических задач. Кремнеземные панцири и створки диатомеи в благоприятных условиях могут сохраняться в породах миллионы лет и являются носителями информации о биологическом разнообразии прошлых геологических эпох, о времени и условиях седиментации. Для таких целей прово-
стр. 56
дится бурение отложений дна водоема с последующим послойным изучением видового состава ископаемых окаменелых диатомей снизу вверх по всему осадочному разрезу, вскрытому керном, и устанавливаются особенности изменения их качественного и количественного состава. На основе полученной информации выделяются уровни появления или исчезновения отдельных видов/родов, уровни массового появления или резкого сокращения численности тех или иных таксонов, сопоставленные с возрастной моделью изученного осадочного разреза. Затем проводится сравнение выделенных уровней с известными событиями, характеризующими изменения климата на планете в целом или в отдельном регионе, что позволяет выяснить причины вымираний, а также смен отдельных таксонов диатомовых водорослей в конкретной экосистеме.
Говоря о палеоклиматических "сигналах", получаемых при расшифровке "посланий из прошлого", следует иметь в виду: данные об изменении состава диатомей и численности створок нельзя с помощью каких-либо математических формул трансформировать в параметры климата, такие как среднегодовые температуры, суммы атмосферных осадков и т.д. Однако прийти к выводу об относительной изменчивости климата в ту или иную эпоху вполне реально. Например, можно понять, в какой период (ледниковый или межледниковый) накапливались определенные слои донных отложений озера Байкал. Еще одним важным аспектом анализа палеоклимата по данным диатомовых исследований является оценка стабильности условий природной среды и климата. А границы существенных смен состава и численности водорослей указывают на значительные изменения среды их обитания. По детальным диатомовым записям ученые определяют общие тенденции и отдельные палеоклиматические события, их возраст на геологической шкале.
ПРОЕКТ "БАЙКАЛ-БУРЕНИЕ"
Изучению изменения климата в Центральной Азии был посвящен международный проект "Байкал-бурение" (BDP - Baikal Drilling Project), реализованный в 1991 - 2006 гг. Кратко остановимся на его историческом аспекте.
В 1989 г. по инициативе известного геолога и океанолога Льва Зоненшайна (член-корреспондент РАН с 1991 г.) была составлена программа "Глубоководная экология, палеолимнология и геодинамика Байкала", поддержанная председателем СО АН СССР академиком Валентином Коптюгом, его заместителем академиком Николаем Добрецовым и президентом АН СССР академиком Гурием Марчуком. Она предполагала новый этап геологических, геофизических и подводных исследований озера.
В том же году на Международном геологическом конгрессе в Вашингтоне американские специалисты, в первую очередь профессор Университета Южной Каролины Дуглас Вильямс, предложили российским коллегам начать совместное изучение глобальных изменений природной среды и климата Центральной Азии на основе глубоководного бурения на Байкале. (Интерес зарубежных исследователей к данному региону не случаен. К тому времени было известно: получение непрерывных палеоклиматических записей в Северном полушарии возможно лишь на этом озере.)
Подготовку технического обеспечения работ взяло на себя Научно-производственное предприятие "Недра" Министерства геологии СССР. В 1992 г. к проекту присоединились японские ученые из Университета Киото (профессор Шоджи Хорие) и байкальской ассоциации (доктор Такаёше Каваи). В то же время работы поддержало Министерство науки и технологий РФ.
В 1992 и 1993 гг. сотрудники Южного отделения Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН и участники совместной с Геологической службой США экспедиции провели многоканальные сейсмические исследования и в результате оценили строение и мощность осадочной толщи Байкала. Тогда же в ходе реализации программы его дно изучали с помощью подводных обитаемых аппаратов "Пайсис". В это же время подготовили буровой комплекс, уста-
стр. 57
новленный на барже, которая вместе с судном-буксиром должна была вмораживаться в лед при проведении работ.
Еще до начала бурения ученые уточнили мощность (до 8 км) осадочного чехла озера, установили ритмичность строения осадков, обусловленную чередованием слоев, обогащенных створками диатомовых водорослей, сформированных в теплые межледниковые интервалы, и слоев, сложенных терригенными (обломочными) глинами, отлагающимися в холодные ледниковые периоды.
Первый вариант бурового комплекса смонтировали на 400-тонной барже. Его оборудование позволяло пройти скважины глубиной 200 - 300 м под толщей воды до 300 - 400 м, что и удалось в ходе экспедиций 1993 и 1996 гг.
А в 1997 г. уже на 1000-тонной барже был создан буровой комплекс "Байкал-2000". В ходе экспедиций, состоявшихся в том же году и в два последующих, удалось проходить скважины до 1 км при глубине воды до 900 м. При проходке применяли керноприемники длиной до 6 м (а не 2 м, как ранее), благодаря чему значительно увеличилась ее скорость. В итоге выход керна составил 95 - 98 %, что отметили как высокое достижение специалисты международных программ научного океанического и континентального бурения.
Напомним: в целом Байкал состоит из трех глубоких котловин, отделенных друг от друга поднятиями.
стр. 58
батиметрическая карта озера Байкал. Точки - местоположение пробуренных скважин.
Так, Северная отделена от Центральной подводным Академическим хребтом, Центральная от Южной -Селенгино-Бугульдейской перемычкой. Самое первое бурение осуществили в 1993 г. именно на этой перемычке примерно в 6 км к юго-востоку от устья реки Бугульдейка в точке с координатами 52°31'05" с.ш. и 106°09'11" в.д. на глубине 354 м.
Еще одну попытку реализовали в 1996 г., но уже на поднятии Академического хребта в точке с координатами 53°41'48" с.ш. и 108°21'06" в.д. при толще воды 321 м. На близком расстоянии друг от друга были пробурены две скважины: BDP-96 - 1 глубиной 300 м (отбор керна проводился только до отметки 200 м) и BDP-96 - 2 глубиной 100 м.
В 1998 г. работы на Академическом хребте провели в точке с координатами 53°44'48" с.ш. и 108°24'34" в.д., расположенной в 5 км севернее двух точек бурения BDP-96. Глубина скважины BDP-98 составила 670 м под толщей воды 333 м. Сплошной отбор керна осуществляли до отметки 600 м, причем его выход составил более 90%.
В следующем году бурение проводили в точке с координатами 52°05'23" с.ш. и 105°50'24" в.д., где глубина воды составляла 205,56 м, а скважины - 350,5 м. Это место отвечает так называемой Посольской банке, осадки которой во многом определяются взвешенным материалом, поступающим с реки Селенга. Здесь получена высокоразрешающая палеоклимати-
стр. 59
ческая запись, отображающая экологию Селенгинского бассейна в очень далеком прошлом и дающая большую информацию об истории Байкальской впадины.
В целом в рамках проекта "Байкал-бурение" за 10 лет проведено пять буровых экспедиций, вскрывших семь скважин длиной от 40 до 630 м, получены донные отложения общей длиной более 1500 м, их возраст - более 8 млн. лет. Разрешение (хронологическая точность) полученных палеоклиматических записей высокое и составляет от 20 до 200 лет в одном сантиметре керна. Общий объем полученных данных оказался настолько велик, что детальная обработка части из них заняла более 10 лет и продолжается в настоящее время.
Следует заметить, что выход на точку бурения не был простой "морской прогулкой". Плавучую установку подводили к ней в самом начале ледостава и поэтому она могла попасть в зоны торошения. В этой связи позволим себе небольшое отступление и приведем описание, сделанное одним из авторов данной статьи Михаилом Кузьминым при попадании бурового комплекса в такую опасную зону. "Вдруг появился какой-то гул. Ничего не понимая, я побежал на мостик. В рубке полная тишина, никто ничего не говорит, а гул нарастает. Ясно - пошел лед, началось образование торосов. Картина вокруг потрясающая! По правому борту появились трещины, в них вода, хотя несколько минут назад все было покрыто льдом... Льдины надвигаются и громоздятся друг на друга. Видно, как отдельные глыбы сплошного льда, высотой до метра и более, легко, как маленькие кубики, выбрасываются на лед, образуя зоны торошения. От больших трещин отходит ряд поперечных, косых. Именно по ним происходит нагромождение льдин. Кажется, весь лед вокруг нас движется. Огромные пластины размером 5 - 8x4 - 5 м и толщиной до 20 - 30 см легко подныривают или наползают на преграждающее им путь поле. Грандиозная и устрашающая картина... Весь этот разгул стихии продолжался всего около 45 мин. Все, кто был на судне, члены команды и экспедиции, стояли у бортов, на носу или на мостике и молча созерцали то, что творила природа. Мы находимся на маленьком пароходе среди живущих и движущихся льдов,
стр. 60
которые, ломаясь и наползая друг на друга, образуют огромные поля торосов. Этому льду не страшна никакая преграда - он может сломать все. Чувствуешь себя маленьким и не защищенным человечком в ледяном плену, чувствуешь свою беспомощность перед природой и понимаешь, что с ней шутить нельзя".
Но вернемся к основной теме. Результаты изучения ископаемых диатомовых водорослей в глубоководных кернах Байкала, полученные за минувшие 15 лет, имеют мировой уровень. Этому благоприятствуют следующие обстоятельства. Как уже упоминалось, озеро Байкал расположено в высоких широтах, где вариации солнечной радиации проявляются особенно четко и хорошо выражены сезонные климатические колебания. Важны непрерывность, а также продолжительность разрезов (накопление 600-метровой осадочной толщи происходило на протяжении последних 8 млн. лет). Отметим и детальный интервал опробования (через каждые 2 см для буровых кернов BDP-96 - 1, BDP-96 - 2 и через каждые 5 - 10, реже 15 см в керне BDP-98). И еще: удалось достичь высокого выхода керна (90 - 95%), точного возрастного контроля вскрытых отложений. Добытый материал изучали с использованием комплекса методов (диатомовый анализ, распределение биогенного кремнезема в разрезах, палинологические данные, а также показатели минералогического и химического состава осадков и др.), что помогло расшифровать глобальные и региональные изменения климата в регионе. Полученные палеоклиматические летописи можно рассматривать в качестве модельных для Азии и в целом для континентов Северного полушария.
В ходе работ были вскрыты осадочные разрезы, содержащие уникальную запись эволюции диатомовых водорослей, и на этой основе установлен возрастной диапазон вымерших эндемиков и реликтов, прослежены изменения морфологических признаков во времени и выяснены предполагаемые филогенетические связи отдельных родов и видов.
В целом в верхнекайнозойских* отложениях Байкала зарегистрирован богатый состав планктонных диатомовых водорослей класса Coscinodiscophyceae, представленный 16 родами, охватывающими 81 вид и 22 внутривидовых таксона. Из них новые для науки: одно эндемичное семейство (Thalassiobeckiaceae), три эндемичных для озера Байкал рода (Mesodictyopsis, Stephanopsis, Thalassiobeckia), 42 вида и 6 внутривидовых таксонов, принадлежащих к вымершим. Прослежены появление, расцвет и вымирание многих планктонных видов диатомей, что обусловлено неоднократными изменениями окружающей среды и палеоклимата.
ЭВОЛЮЦИЯ ДИАТОМОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ В ПОЗДНЕМ МИОЦЕНЕ
Верхнемиоценовые** отложения вскрыты скважиной BDP-98 в интервале глубин 600 - 286 м. Их возраст составляет 8,00 - 5,32 млн. лет. На основе изменения видового состава диатомей и их численности выделены 8 биостратиграфических зон. Если нижняя часть разреза данной скважины (600 - 492,32 м) характеризуется относительно низким содержанием створок диатомей и доминированием в ней на некоторых уровнях мелководных донных форм (Staurosira, Fragilariforma и др.), то в вышезалегающих отложениях (492,32 - 286 м) существенно увеличивается численность планктонных диатомовых водорослей, представленных вымершими представителями родов Concentrodiscus, Actinocyclus, Mesodictyon, а также значительным содержанием древних видов Aulacoseira, внутривидовым разнообразием и вариабельностью вымирающего вида Cyclotella iris.
Диатомный анализ и литологические особенности рассматриваемого интервала (тенденция к значительному уменьшению содержания гравия, песчаных прослоев, растительных остатков и фрагментов древесины к верхнему рубежу интервала отложений 600 - 286 м) указывают на формирование этих осадков первоначально в прибрежной зоне древнего бассейна в условиях большого притока терригенного материала древней реки Палеобаргузин, а затем постепенного замещения их тонкими илами в результате растяжения и дальнейшего углубления бассейна в районе расположения подводного Академического хребта, на котором и была заложена упомянутая скважина. Во временном интервале от 6,6 до 4,8 млн. лет интенсивно эволюционировал впоследствии вымерший род Mesodictyopsis, представленный 7 эндемичными видами.
ЭВОЛЮЦИЯ ДИАТОМЕЙ В ПЛИОЦЕНЕ
Первые данные, показывающие очевидную связь изменения видового состава и содержания створок диатомовых водорослей с изменениями палеоклимата Восточной Сибири за последние 2,5 млн. лет, получены учеными и опубликованы еще в 1998 г. Более детальные исследования диатомей в 200-метровом керне (скважина BDP-96) представлены позднее. Возраст основания этой толщи составляет около 5,4 млн. лет. Полный разрез плиоцена*** был вскрыт лишь скважиной BDP-98. Причем его отложения расчленены на 13 биостратиграфических зон, отражающих основные биологические и палеоклиматические события, происходившие в древнем бассейне и на территории Байкальского региона. Вымирание видов Mesodictyopsis и последовавшее за ним доминирование и
* Кайнозойская эра - самая молодая в геологической истории Земли, охватывает и современную эпоху; началась 66 млн. лет назад; подразделяется на палеогеновый, неогеновый и четвертичный (антропогеновый) периоды {прим. ред.).
** Миоцен - нижнее подразделение неогенового периода, начавшегося ~23,5 млн. лет назад и продолжавшегося примерно 20 млн. лет (прим. ред.).
*** Плиоцен - эпоха неогенового периода; началась около 5,3 млн. лет назад, закончилась примерно 1,8 млн. лет назад (прим. ред.).
стр. 61
исчезновение круга форм Cyclotella iris соответствуют, вероятно, продолжительной волне похолодания в начале плиоцена (5,3 - 4,7 млн. лет).
Появление, обильное развитие и угасание видов Tertiariopsis в сочетании с массовостью древних видов Aulacoseira происходило в условиях климатического оптимума (4,7 - 4,44 млн. лет). Доминирование нового рода Stephanopsis совместно с древними видами Aulacoseira отражает продолжительный постоптимальный интервал существования благоприятных условий в палеоводоеме (4,44 - 3,5 млн. лет). Монодоминантное развитие нового позднего вымершего эндемика Stephanopsis costatus и временное исчезновение из планктона озера древних видов Aulacoseira соответствуют началу значительного похолодания климата в регионе во временном интервале 3,5 - 2,85 млн. лет. И внезапное обильное появление мелких по размерам быстроисчезающих видов Tertiarius и Stephanodiscus, сменившееся небольшой вспышкой нового, позднее вымершего рода Thalassiobeckia, свидетельствует о кратковременном улучшении палеоэкологических условий в древнем бассейне на фоне прогрессирующего похолодания климата во второй половине среднего плиоцена (2,85- 2,64 млн. лет).
Полное же отсутствие представителей трех вымерших родов - Stephanopsis, Tertiarius и Thalassiobeckia - и появление в планктоне Байкала новых, позднее вымерших видов Cyclotella отражают драматичные изменения окружающей среды в палеоводоеме в течение наиболее существенного похолодания здешнего климата (2,64 - 2,46 млн. лет), обусловленного, по всей вероятности, развитием самого раннего горного оледенения в этом регионе около 2,5 млн. лет назад. И наконец, развитие двух впоследствии вымерших эндемиков Cyclotella distincta и Cyclotella tempereiformica, количественное содержание которых неоднократно менялось в планктоне древнего озера, характеризует реакцию его экосистемы на периодические изменения климата во временном интервале 2,46 - 1,81 млн. лет.
Следует отметить, что в раннем и среднем плиоцене (5,32 - 2,5 млн. лет) в Байкале появились, интенсивно развивались и вымерли четыре рода диатомовых водорослей (вначале Tertiariopsis, затем Stephanopsis, позднее Tertiarius и Thalassiobeckia), что свидетельствует о высоких скоростях эволюции пресноводных планктонных диатомей.
РАЗВИТИЕ ДИАТОМЕЙ В ПЛЕЙСТОЦЕНЕ И ГОЛОЦЕНЕ
Детальные исследования плейстоценовых* отложений, наиболее полно вскрытых в разрезе скважины BDP-96 - 2 на глубине 72,8 - 0,11 м, позволили расчленить их на 43 диатомовые зоны, отражающие ледниково-межледниковую ритмичность климата. Именно контрастные условия природной среды того времени стали причиной частых и глубоких перестроек в экосистеме озера.
Так, в начале раннего плейстоцена (1,81 - 1,51 млн. лет) невысокая численность и прерывистое развитие практически одного доминантного вымершего вида Cyclotella comtaeformica в древнем бассейне отражает существенное похолодание климата в данном регионе. На протяжении следующего интервала (1,51- 1,25 млн. лет) развитие этого вида завершается на фоне появления в небольшом количестве видов Aulacoseira и Stephanodiscus, что указывает на очередное изменение окружающей среды в водоеме.
Сравнительный анализ состава диатомовых сообществ, характерных для последующих теплых и холодных интервалов плейстоцена, показывает, что можно выделить четыре периода в их развитии. Каждый из них имеет определенный уровень стабильности сообщества, обусловленный изменениями притока на Землю солнечной радиации. Границы периодов соответствуют резким изменениям климата и палеоэкологических условий в Байкале, а значит, и существенным структурным перестройкам в планктонных диатомовых сообществах, - их начало совпадает с рубежами некоторых морских изотопно-кислородных стадий (на основе различий изотопов кислорода они показывают теплые и ледниковые периоды).
Период 1,25 - 0,612 млн. лет назад отличается интенсивным видообразованием и вымиранием в пределах рода Stephanodiscus. Возрастной диапазон отдельных его представителей не превышает 13 - 15 тыс. лет, что свидетельствует об их зависимости от быстрого изменения природной среды. Отметим, по сравнению с таксонами Stephanodiscus вымерший вид Cyclotella praeminuta появился и развивался в древнем бассейне на протяжении более продолжительного времени (около 170 тыс. лет).
Временной интервал 595 - 365 тыс. лет, когда амплитуды изменения в инсоляции Земли были незначительными, характеризуется обилием диатомей в Байкале, стабильным, практически непрерывным развитием планктонного сообщества, представленного главным образом вымершим эндемиком Stephanodiscus distinctus et var. excentricoides. Кроме того, в этом интервале отмечается первое появление и максимальное количественное содержание нового вида Cyclotella minuta.
Период, охватывающий 342 - 74 тыс. лет, выделяется появлением, обилием и вымиранием видов группы Stephanodiscusgrandis, а также первым появлением и максимальной численностью новых байкальских таксонов Cyclotella baicalensis, Cyclotella ornata и Aulacoseira baicalensis, что обусловлено ростом амплитуд инсоляционных изменений.
В конце позднего плейстоцена и голоцене** (58 тыс. лет назад - настоящее время) происходит формирова-
* Плейстоцен - начался примерно 1,8 млн. лет назад, закончился около 10 тыс. лет назад; характеризуется общим похолоданием климата Земли, периодическим возникновением в средних широтах обширных материковых оледенений (прим. ред.).
** Голоцен - послеледниковая эпоха, составляющая незакончившийся отрезок четвертичного (антропогенового) периода геологической истории; начался около 11 тыс. лет назад (прим. ред.).
стр. 62
стр. 63
ние современного фитопланктона озера. В составе диатомовой флоры с той поры доминируют Aulacoseira baicalensis, виды группы Cyclotella minuta, обитающие здесь и поныне.
В первой половине голоцена в озере развивался вымерший вид, близкородственный Stephanodiscus flabellatus. Кроме того, качественное разнообразие сообщества диатомовых водорослей возросло за счет видов Aulacoseira skvortzowii, Cyclostephanos dubius, Stephanodiscus inconspicuus, встреченных с высоким количественным содержанием.
Таким образом, если эволюция планктонных диатомовых водорослей класса Coscinodiscophyceae в озере на протяжении позднего миоцена и плиоцена характеризовалась появлением и вымиранием не только видов, но и родов, то в плейстоцене она шла, главным образом, на видовом уровне.
Байкал - уникальный объект для изучения процессов эндемического видообразования. Рубежи вымирания большинства видов в нем совпадают с границами начала холодных (ледниковых) периодов, характеризуя значительные экологические перестройки. Исчезновение доминирующих видов диатомей во время оледенений освобождало ниши, которые при потеплениях быстро осваивали новые таксоны. Частые изменения климата (а следовательно, и палеоэкологических условий окружающей среды) в плейстоцене способствовали быстрой эволюции планктонных диатомей в озере (и прежде всего видов Stephanodiscus). Тесная связь климата и видообразования демонстрирует контроль первого над эволюцией диатомовых водорослей и их разнообразием.
В целом же по своей детальности, точности возрастной модели и длительности (8 млн. лет) диатомовая запись из осадков древнего Байкала не имеет аналогов в мире. Она вполне может быть использована в качестве стандарта для интерпретации других континентальных записей, включая "летописи" озер, бурение которых еще предстоит осуществить. Кроме того, данные, полученные в ходе экспедиций, являются основой для сравнения изменения климата в океанах и на континенте.
Опубликовано 13 августа 2014 года
Новые статьи на library.by:
ТУРИЗМ И ПУТЕШЕСТВИЯ:
Комментируем публикацию: ДИАТОМОВАЯ ЛЕТОПИСЬ БАЙКАЛА И ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА
подняться наверх ↑
ССЫЛКИ ДЛЯ СПИСКА ЛИТЕРАТУРЫ
По стандарту ВАК Республики Беларусь
Стандарт используется в белорусских учебных заведениях различного типа.
По ГОСТу Российской Федерации
Для образовательных и научно-исследовательских учреждений РФ
Прямой URL на данную страницу для блога или сайта
Предполагаемый источник
Полностью готовые для научного цитирования ссылки. Вставьте их в статью, исследование, реферат, курсой или дипломный проект, чтобы сослаться на данную публикацию №1407934038 в базе LIBRARY.BY.
подняться наверх ↑
ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!
подняться наверх ↑
ОБРАТНО В РУБРИКУ?
Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.
Добавить статью
Обнародовать свои произведения
Редактировать работы
Для действующих авторов
Зарегистрироваться
Доступ к модулю публикаций