Зависимости между тектоникой и океанскими водами

Океанологи хотят изучить, как тектоника бассейнов связана с самими океанскими водами. Лучше всего выразить это с использованием временных шкал. Как морфология современных океанических бассейнов влияет на эволюцию современных океанов? Взаимодействие твердых границ бассейна и океанических вод на коротких интервалах времени рассматривается в гл. 11 при общем описании циркуляции океана. Здесь же мы рассмотрим более длительные связи. Как протяженная система срединно-океанических хребтов влияет на движение глубинных вод? Какова связь между системой глубоководный желоб — вулканическая цепь на границах плит конвергентного типа и распределением воды в пределах нескольких океанов? Что нам могут дать исследования палеоокеанов? Что происходит с «уровнем моря», если учесть длительность тектонических процессов?

Понижения в хребтах и глубоководная циркуляция.Несомненно, система срединно-океанических хребтов должна непосредственно влиять на движение глубинных вод не только потому, что хребты высоко поднимаются над дном океана, но и потому, что они существуют во всех крупных бассейнах. Ясно, что хребты влияют на путь, по которому глубинные воды перемещаются из одной котловины в другую. Точнее, многочисленные понижения в системе хребтов представляют собой каналы, по которым вода перетекает из одной океанической депрессии в другую. Наибольшее количество информации имеется по Атлантическому океану.

На рис. 4.10 изображена система Срединно-Атлантического хребта.

В ней имеются крупные понижения: желоб Романш, расположенный вблизи экватора, понижение на широте около 8° в Северном полушарии и еще одно, расположенное непосредственно к югу от южной оконечности Африки (48° ю. ш.). Кроме того, большое влияние на циркуляцию глубинных вод в Южной Атлантике оказывает второстепенный хребет Китовый, который соединяет центральный хребет с Африканским континентом.

Глубоководные массы Атлантики — самые холодные и плотные воды во всем Мировом океане. Здесь преобладает так называемая Антарктическая придонная вода. Значительное количество этой водной массы формируется на поверхности моря Уэдделла (кружок на рис. 4.10), отсюда она опускается на самое дно и начинает растекаться, заполняя наиболее глубокие участки океанических бассейнов. (Подробно о том, как формируются эти воды, см. в разд. «Гигантская антарктическая ледовая машина перемешивания» в гл. 20.)



Некоторая часть Антарктической придонной воды проникает далеко в Северное полушарие, особенно в Атлантике. Продвигаясь к северу (рис. 4.10), эти воды сначала проходят вдоль западной стороны Срединно-Атлантического хребта вплоть до экватора. Здесь через желоб Романш Антарктическая придонная вода проникает в восточный сектор Южно-Атлантического бассейна (Ангольскую котловину). Затем часть этого течения направляется на юг и распространяется по всей восточной абиссальной равнине; дальнейшему его продвижению препятствует Китовый хребет. Кроме того, Антарктическая придонная вода заполняет впадину к югу от Китового хребта, но сюда она втекает через крупное понижение в срединном хребте в районе 48° ю. ш.

В Северном полушарии глубинное течение движется на север по обе стороны главного хребта. Однако здесь первичная Антарктическая придонная вода оказывается значительно измененной вследствие перемешивания. Мы можем проследить ее проникновение к северу примерно до 40° с. ш.

Рельеф океанического хребта, вероятно, необходимо учитывать и при изучении глубоководных биосистем, особенно сообществ бентосных организмов. Разделение бассейнов протяженной системой хребтов, возможно, играет определяющую роль в эволюции таких сообществ. Пока еще отбор образцов глубоководной фауны проведен на слишком больших расстояниях друг от друга, чтобы можно было ответить на эти вопросы.

Системы глубоководный желоб — горная цепь, водоразделы океанических бассейнов и соленость океанов.Если внимательно посмотреть на рис. 4.1, то можно заметить, что многие из крупных горных хребтов на континентах представляют собой вулканические цепи, связанные с глубоководными желобами и зонами субдукции, изображенными на рис. 4.9. Для океанолога эти вулканические цепи очень важны, так как они выделяются на континентах как водоразделы, с которых пресные воды в конце концов стекают в соседние океаны. На рис. 4.11 показаны водосборные бассейны для Атлантического, Тихого, Индийского и Северного Ледовитого океанов.

Ясно, что чем крупнее горные хребты, расположенные на Евро-Африканском и Американском континентах, тем больший водосборный бассейн дренируется в Атлантику. Объединяя водосборные бассейны Атлантического и Северного Ледовитого океанов — почти все пресные воды Северного Ледовитого океана в конце концов смешиваются с водами Атлантики, — мы обнаруживаем, что 80% стока крупных рек питают Атлантический океан. Остальные 20% примерно поровну делятся между Тихим и Индийским океанами (количественные оценки стока рек приведены в табл. 18.1).

Из сравнения водосборных бассейнов можно ожидать, что воды в Атлантике должны быть заметно менее солеными, чем в других океанах. В действительности все наоборот. Атлантика — практически самый соленый из крупных океанов (количественные значения см. на рис. 7.4). Это весьма важный океанологический результат; именно такие нарушения равновесия приводят в действие водообмен между бассейнами, т. е. океанические течения. Несоответствие в солености объясняется в последующих главах.

Проблема уровня моря в океанических бассейнах.До сих пор мы сравнивали все высоты и глубины по вертикали с уровнем моря. Однако к настоящему времени у читателя мог появиться некоторый скептицизм в отношении того, правомерно ли использовать поверхность моря как уровень отсчета. Считается, что движение границ континентов и дна океанов относительно и что новый материал внедряется по мере того, как старый удаляется со дна бассейнов. Достаточно ли постоянен общий объем всех океанических бассейнов, чтобы в них сохранялся «устойчивый» уровень океанских вод, который можно было бы использовать в качестве точки отсчета?

Единственным «уровнем» для отсчета высот поверхности моря может служить некоторая фиксированная точка на ближайшем берегу. Предположим, что мы устанавливаем в этой точке соответствующий датчик и начинаем непрерывно записывать высоту поверхности моря. Фиксируемые за очень короткие интервалы времени повышения и понижения, вероятно, представляют собой колебания поверхности, которые происходят в результате волнений, вызванных ветрами, приливов и отливов или локальных штормов. Такими кратковременными вариациями пренебрегают при изучении длительных изменений уровня моря, прямо или косвенно связанных с тектоническими причинами. Например, что если бы на всей поверхности моря, измеряемой по всему земному шару, было зарегистрировано одинаковое изменение уровня моря в одно и то же время? Ясно, что тогда мы должны были бы сделать вывод, что уровень моря изменился, и стали бы искать причину.

Существует целый ряд причин, по которым уровень моря может измениться относительно средней высоты суши над морем, и для каждой из них характерна своя временная шкала.

1. Может измениться средняя температура Мирового океана. Охлаждение всех океанских вод на 1°С должно вызвать общее понижение уровня моря на 2 м. Изучение ископаемых морских организмов в осадках океанического дна показало, что в прошлые геологические эпохи, возможно, происходило изменение температуры на 5 °С, заставлявшее уровень моря изменяться на 10 м в течение длительных периодов времени (рис. 4.12, а).

2. Может измениться среднее содержание солей в водах одного из бассейнов относительно солености вод других бассейнов. В результате изменяется средняя плотность воды (см. гл. 9). В том океане, где средняя плотность воды меньше, чем в соседних океанах, поверхность располагается выше (рис. 4.12, б). Примером является понижение уровня моря на 30 см при переходе от менее соленого Тихого океана к более соленому Атлантическому через зону Панамского канала. Поверхность океана, плотность воды в котором больше, будет расположена ниже. Конечно, для развития таких изменений требуется длительное время. Причиной их могут служить долговременные сдвиги в режиме испарения и выпадения атмосферных осадков в масштабе всей Земли. Кроме того, подобные изменения могут происходить всякий раз, когда в результате смещения континентов открываются или закрываются разные проливы, соединяющие океанические бассейны.

3. Континенты подвергаются эрозии, и сносимый с них материал отлагается в океанических бассейнах. По-видимому, существовали длительные геологические периоды, во время которых скорости эрозии превышали скорости воздымания новых горных хребтов. По мере того как сокращался относительный объем океанических бассейнов, уровень моря повышался. Эти периоды ассоциируются с крупными трансгрессиями — наступаниями океана на сушу, в результате которых образовались обширные внутренние моря, подобные тому, которое занимало центральную часть территории США в течение миссисипской эпохи — от 350 до 300 млн. лет назад (рис. 4.12, в).

4. Вода удаляется из океанов и отлагается на поверхности суши в виде льда. Считают, что в последнюю ледниковую эпоху, всего 18 000 лет назад, уровень моря на всей Земле понизился примерно на 120 м (рис. 4.12, г). Такие быстрые изменения имеют большое значение для исследований геоморфологии континентальных окраин, которая рассматривается в следующем разделе.

5. Может измениться относительная средняя глубина дна бассейнов, в результате чего изменится их объем (рис. 4.12, в). Новая магма, внедрившаяся в дно в зоне срединно-океанических хребтов, быстро остывает до точки затвердевания и начинает отодвигаться от оси хребта. Однако в течение длительного времени она остается достаточно теплой, теряя тепло постепенно, при этом ее объем тоже постепенно сокращается. Если скорость внедрения новой магмы постоянна, мы должны сделать вывод, что уменьшение объема также происходит равномерно. Следовательно, и относительная высота системы хребтов, и уровень всего океана должны оставаться постоянными.

Однако если скорость внедрения новой магмы эпизодически меняется с достаточно большими интервалами времени, причем «импульсы» быстрого разрастания океанического дна чередуются с периодами покоя, то общий объем океанических бассейнов может заметно изменяться, а вместе с ним изменится и уровень Мирового океана.

Крупная глобальная трансгрессия морей на сушу происходила в течение мезозойской эры — от 225 до 65 млн. лет назад. Когда около 75 млн. лет назад она достигла максимума, огромные площади суши оказались заняты мелководными морями. На рис. 4.13, а показано расположение континентов около 100 млн. лет назад.

Атлантический океан хорошо развит, но дрейф континентов далек от завершения. Следовательно, это был период сильной тектонической активности, и геологи считают, что трансгрессия моря была обусловлена главным образом этим сокращением объема бассейнов [12].

6. Может измениться относительная площадь суши по сравнению с площадью морей. Области, в которых имеют место такие изменения, находятся, вероятно, у границ, где происходят столкновения и субдукция плит. Если участки океанического дна «наращивают» края континентов, то по мере того, как материал соскабливается с погружающейся плиты, образуется новая «суша».

Наконец, может происходить сближение (конвергенция) плит, при котором сходятся два континента. Например, считают, что континентальная масса, которую в настоящее время называют Индией, в прошлом столкнулась с Евразийским континентом. Это привело к образованию обширной области надвинутых и нарушенных сдвигами гор — Гималаев; общая площадь суши соответственно уменьшилась, поскольку эти континенты испытали сжатие.

Тектоника плит и значительные события в циркуляции океанских вод.В океанической циркуляции произошли два крупных события, которые сопровождали раскол Пангеи. Первым было постепенное блокирование сквозного прохода по океану Тетис в период от 65 примерно до 4 млн. лет назад. Вторым было образование Антарктического циркумполярного течения приблизительно 38—22 млн. лет назад. Кеннетт [6] предположил, что третье значительное событие началось после того, как возникло Циркумполярное течение. Мощный апвеллинг вокруг Антарктиды привел к огромной биологической продуктивности в тех водах и к появлению гладких (настоящих) китов.

Закрытие прохода по океану Тетис. Как отмечалось раньше, трансгрессия морей на сушу достигла максимума около 75 млн. лет назад. В то время океан Тетис протягивался через весь земной шар в широтном направлении и занимал зону от 10 до 25° с. ш. (рис. 4.13, а). Он проходил от Малайзии через те регионы, которые теперь являются северной частью Индийского океана, Средиземным морем и центральной частью Северной Атлантики, и достигал восточной части Тихого океана, проходя через область не существовавшего тогда сухопутного моста между Северной и Южной Америкой. Благодаря океану Тетис субтропические воды могли циркулировать на этих широтах вокруг всего земного шара. Постепенно, по мере того как Африка разворачивалась от Срединно-Атлантического хребта, она перекрыла океан Тетис у своей восточной оконечности, возможно около 22 млн. лет назад. И наконец, около 3,8 млн. лет назад достаточно вырос Панамский перешеек, нарушивший связь Атлантического и Тихого океанов. С этого момента циркуляция вод в Северном полушарии стала почти такой же, как в настоящее время.

Лейендик и др. [8] разработали модель циркуляции океанских вод Северного полушария, которая включала открытый морской проход— океан Тетис. Когда они ввели в свою модель предполагаемое распределение ветров, воздействующих на поверхность океана, выяснилось, что в циркуляции преобладает движение больших масс поверхностных вод на запад (рис. 4.13, а). В Тихом океане течение, сильно напоминающее современное течение Куросио (см. гл. 11), обеспечивало перенос теплых субтропических вод к полюсу. В Атлантике также существовал перенос теплых вод к полюсу. Эта модель циркуляции подтверждает общее мнение о том, что климат полярных районов был гораздо теплее, чем в настоящее время. Европа наслаждалась субтропическим климатом, а в Арктике температуры достигали примерно 14 °С [2].

По мере сближения Азиатского и Африканского континентов открытое водное пространство океана Тетис исчезало. Мощное широтное течение, которое прежде опоясывало земной шар, теперь оказалось перекрыто. В Северной Атлантике начала развиваться циркуляция, близкая к современной (см. рис. 11.1), но связь с Тихим океаном через пролив между Северной и Южной Америкой сохранялась почти до настоящего времени и прервалась всего около 3,8 млн. лет назад.

Сейчас мы знаем, что Центральноамериканский сухопутный мост оказал огромное влияние на циркуляцию как океана, так и атмосферы. Например, сравнение химии углерода по образцам, отобранным из Карибского моря и восточной части Тихого океана, явно свидетельствуют о том, что примерно в это время соленость воды в Атлантике начала заметно увеличиваться [4]. (Вспомните сделанное нами раньше замечание о сравнении соленостей вод Атлантического и Тихого океанов.) О крупных изменениях, сопровождавших это тектоническое событие, свидетельствуют и другие данные. Полагают, что мощность Гольфстрима постепенно возрастала по мере того, как из воды поднимался сухопутный мост, достигший современного состояния около 3,8 млн. лет назад. Как это ни странно, постепенное оледенение полярного региона Северной Америки также началось около 3,8 млн. лет назад. Сейчас океанологи ищут механизм, посредством которого смыкание Панамского перешейка могло привести в конечном счете к такому оледенению (см., например, [14]).

Эволюция Антарктического циркумполярного течения. С точки зрения океанологии самым поразительным из всех событий, происшедших в океанах вследствие распада Пангеи, было развитие Антарктического циркумполярного течения. Это течение оказало огромное влияние на состояние современного Мирового океана. Начнем рассматривать его историю с Южного полярного региона, поскольку она прослеживается на протяжении 53 млн. лет (рис. 4.14) [5].

В этот период и Антарктида, и Австралия все еще были связаны с Южной Америкой, хотя между первыми двумя происходило раскрытие рифта. Климат в Антарктиде был тогда сравнительно теплым, и, хотя она располагалась в области Южного географического полюса, оледенение было здесь незначительным. Поверхностные воды окружавшего Антарктиду океана имели довольно высокие температуры, возможно выше 15 °С, и осадки, накапливавшиеся на океаническом дне, состояли в основном из известковых раковин морских организмов. (Преобладание организмов, стожащих раковины из карбоната кальция, характерно для вод средних широт.) Стрелками на рис. 4.14, а показаны предполагаемые направления глубинных течений в это время.

Рифт между Антарктидой и Австралией расширялся. Около 38 млн. лет назад он стал достаточно широким для того, чтобы через него проходило крупное течение, и по существу укоротил путь течения, который оно прежде проделывало вокруг северных берегов Австралии. Около 21 млн. лет назад Австралия сомкнулась с Малайским архипелагом, перерезав проход через океан Тетис. На рис. 4.14, б показана вероятная система Антарктического течения для этого времени; теперь благодаря глубинной циркуляции воды из Южной Атлантики могли через Индийский океан поступать в южную часть Тихого океана.

Начало глубинной циркуляции вод вокруг Антарктиды оказало значительное влияние на ее экосистему. Кеннетт [5] отмечает: «Одно из самых драматических изменений в биогеографии планктона Южного океана произошло примерно в эоцен-олигоценовое время (38 млн. лет назад). С тех пор в антарктическом планктоне (на видовом уровне) отчетливо проявляется полярный облик и отражается начало развития антарктических фаунистической и флористической провинций». Поверхностные воды резко охлаждаются, начинают формироваться морские льды, и, как описано в гл. 20, включается механизм Гигантской антарктической ледовой машины перемешивания.

Около 22 млн. лет назад начал открываться пролив Дрейка между Южной Америкой и Антарктидой, которая до этого представляла собой полуостров (рис. 4.14, б), что позволило и поверхностным, и глубинным водам беспрепятственно течь вокруг всего Антарктического континента. Поскольку в этих широтах преобладают западные ветры, быстро возникло Антарктическое циркумполярное течение, ставшее самым крупным во всех океанах. Это течение захватывает как поверхностные, так и глубинные воды и, согласно расчетам, переносит в широтном поясе от 55 до 60° ю. ш. в три раза больший объем воды, чем Гольфстрим.

Это огромное течение создает гигантский соединительный канал между водными массами Атлантического, Тихого и Индийского океанов. Между этим течением и Антарктидой поверхностные воды остаются очень холодными. Уникальная биологическая обстановка возникла отчасти благодаря динамическому течению, но также и под действием механизма Гигантской антарктической ледовой машины перемешивания. В результате сформировалось восходящее течение такого крупного масштаба, что продуктивность растений здесь ограничивается освещенностью, а не количеством питательных веществ. Здесь образовалась кратчайшая в океане, самая продуктивная пищевая цепь. На ее вершине находятся гладкие киты (например, гренландский кит Mysticetus), которые появились около 32 млн. лет назад, т. е. по времени примерно посередине между образованием пролива, разделившего Австралию и Антарктиду, и возникновением пролива Дрейка. На рис. 20.10 представлены главные звенья этой доминирующей пищевой цепи Южного океана. Хотя между микроскопическими растениями и огромными гладкими китами существуют только три звена, три трофических уровня, в этой цепи принимает участие и множество других животных. Собственно рыбы являются второстепенной частью этой продуктивной пищевой цепи, что в какой-то мере объясняет, почему в Южном океане нет крупных скоплений рыбы.

Заключение.Сравнение площадей поверхности, занятых континентами и океанами, показывает, что в Северном полушарии преобладает суша, а в Южном — океаны. Сравнивая высоты, мы обнаруживаем, что они тяготеют к двум средним значениям; одному — для суши, другому — для коры океанических бассейнов. Этот результат согласуется с представлением о том, что жесткая литосфера лежит на вязком мантийном веществе, находясь в изостатическом равновесии. На рис. 4.1 хорошо видны все эти особенности. Показана также система срединно-океанических хребтов с разломами и смещениями. Поиски объяснений этих структур привели геофизиков к перевороту в глобальной геологии.

Новая теория глобальной тектоники развивалась в течение нашего столетия, начиная с работы Вегенера — убежденного ее сторонника, предложившего концепцию дрейфа континентов. Как только эта идея была признана правдоподобной, исследователи стали искать механизм, способный «двигать континенты», и обнаружили его в процессе, который теперь называют спредингом океанического дна. По этой концепции хребты и другие элементы строения океанических бассейнов образуются в результате внедрения новой магмы в дно в осевых зонах хребтов. Но хотя спрединг проливает свет на многие из наблюдаемых явлений, например молодой возраст ложа океанов, он не может объяснить, что происходило с древними океаническими бассейнами.

В конце концов единую картину геологического строения Земли в новой глобальной тектонике удалось получить с помощью движений системы литосферных плит. Дальнейшее развитие тектоники плит позволило объяснить природу глубоководных желобов и цепочек вулканов, а также своеобразный характер распределения землетрясений.

Однако в океанологии положения новой глобальной тектоники используются главным образом для того, чтобы объяснить эволюцию крупнейших животных — гладких китов; понять, почему окаменелости в настоящее время находят именно в данных местах; для того чтобы составить представление о том, как климатические события, например ледниковые периоды, можно связать с циркуляцией океанских вод; чтобы представить себе, как движутся массы глубинных океанских вод, а также установить причины глобальных изменений уровня моря.






Дата добавления: 2019-05-06; просмотров: 146;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2019 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.011 сек.