15.03.2019

Тибетское нагорье поднялось позже, чем предполагалось

Палеогеографические модели строятся на основе интеграции данных специализированных моделей — палеотектонических, геодинамических, палеомагнитных, палеоклиматических, моделей атмосферных и морских циркуляций и т. д. С их помощью можно реконструировать многие процессы, происходившие в прошлом на нашей планете: становление ландшафта континентов и дна океана, образование определенных видов горных пород и полезных ископаемых, вариации биоразнообразия, массовые вымирания, эволюцию жизни на Земле.

Палеоальтиметрические методы помогают получить информацию об абсолютных отметках высоты рельефа местности в прошлом. В последнее время это направление активно развивается, позволяя вносить корректировки в палеогеографические модели. Один из основных методов палеоальтиметрии основан на анализе содержания изотопов кислорода в образцах горных пород. Рассмотрев, как работает этот метод на примере Тибетского нагорья, ученые пришли к выводу, что он нуждаются в корректировке, а подход к палеогеографическим реконструкциям может быть только комплексным.

Тибетское нагорье — самый большой по площади горный массив на Земле, имеющий среднюю высоту около 4800 метров над уровнем моря. Он образовался примерно 50 миллионов лет назад, в раннем эоцене, в результате столкновения Индостанской и Евразийской тектонических плит. На границе двух плит возникла складчатая область Гималайских гор, при этом край Евразийской плиты был приподнят, образовав Тибетское нагорье. Интересным с точки зрения геодинамики является вопрос о том, на какую высоту произошло это поднятие в эоцене и имели ли место более поздние вертикальные подвижки, приведшие к вздыманию территории на нынешние высоты.

Дело в том, что возможны как минимум два сценария такого поднятия, которые могли работать одновременно. Во-первых, оно могло стать результатом самого коллизионного события (столкновения плит). Во-вторых, столкновение могло только инициировать процесс поднятия края Евразийской плиты, а основной подъем территории был уже связан с более поздними процессами, имеющими глубинную природу (например, с восходящими потоками в верхней мантии). Выяснив, по какому сценарию развивались события, мы приблизимся к пониманию того, какие геологические силы прежде всего отвечают за формирование горных хребтов по краям тектонических плит.

Узнать, какой была высота гор в прошлом, довольно сложно, так как прямых методов палеоальтиметрии нет. Из косвенных методов наиболее надежным считается метод определения древних высот на основе изотопного анализа кислорода. Исследования атмосферных осадков в современных горных областях Альп и Гималаев показали, что чем больше абсолютные отметки местности, где выпадают осадки, тем меньше в них содержится тяжелых изотопов кислорода. Экспериментальное исследование данной закономерности показало, что изотопное отношение атомов кислорода является функцией температуры, влажности атмосферы и давления водяного пара.

На уровне моря кислород в составе дождевых вод состоит примерно на 99% из изотопа ¹⁶O и на 1% — из изотопа ¹⁸O. С ростом высоты доля ¹⁸O сокращается. Например, в современных Гималаях коэффициент δ¹⁸O в дождевых водах уменьшается примерно на 2,8‰ с каждым километром высоты. Это позволяет по изотопному составу кислорода в осадочных породах определить, на какой высоте они образовались. Обычно для такого анализа используются древние осадки высокогорных пресноводных озер.

Данные изотопно-кислородной палеоальтиметрии для Тибетского нагорья (D. B. Rowley, B. S. Currie, 2006. Palaeo-altimetry of the late Eocene to Miocene Lunpola basin, central Tibet) показывали, что в среднем эоцене, около 40 миллионов лет назад, нагорье было уже примерно таким же высоким, как и сегодня, так как значения δ¹⁸O в карбонатных отложениях эоценовых горных озер примерно соответствовали современным. Однако у специалистов по геотектонике возможность столь быстрого и столь мощного горообразования огромной территории только в результате коллизионного события вызывала серьезные сомнения. К тому же данные, полученные по изотопам кислорода, не подтверждались палеонтологическими и особенно палеоботаническими находками в тех же осадочных породах. В частности, совсем недавно в породах центрального Тибета, относящихся по возрасту к позднему олигоцену, были обнаружены следы диптерокарповых деревьев (H. Wang et al., 2018. Amber fossils reveal the Early Cenozoic dipterocarp rainforest in central Tibet), произрастающих во влажных тропических лесах.

Для уточнения высотных отметок Тибета в эоцене ученые во главе со Светланой Ботсюн (Svetlana Botsyun) из Тюбингенского университета создали цифровую модель, в которой данные изотопно-кислородной палеоальтиметрии совмещены с атмосферными моделями общей циркуляции (МОЦ). Результаты опубликованы в журнале Science.

Авторы исследования исходили из того, что распределение изотопов кислорода в атмосфере не только указывает на высоту над уровнем моря, но и является отражением целого комплекса палеоклиматических параметров. В эоцене концентрация углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере была значительно выше, чем сегодня. Также сильно отличались и температуры воздуха над территорией нынешней Центральной Азией. Ее географическое положение тоже было другим: Индостанская плита находилась на 10 градусов южнее своего нынешнего положения, в более теплом климатическом поясе, а на южной оконечности Евразийской плиты располагалось большое мелководное море Паратетис, оказывающее сильное влияние на влажность в регионе.

Помимо этих факторов, авторы учли в своей комплексной модели и другие параметры: парциальное давление CO₂, показатели поверхностного альбедо, орбитальные параметры Земли, температурное поле поверхности океана, а также направления движения воздушных масс и режима осаждения-испарения воды. Результаты моделирования с учетом всех этих дополнительных палеоклиматических параметров показали, что нет однозначной зависимости распределения изотопного состава кислорода от высоты. Порой наблюдается даже обратная картина: область с наименьшими значениями находится на схеме не над высокогорной областью Тибетского нагорья, а к югу от него - в предгорной области, для которой характерна мощная циклоническая циркуляция влажного воздуха. Над Тибетским нагорьем модель показывает существование противонаправленной атмосферной циркуляции типа антициклона, отвечающей за поддержание в этой зоне сухого аридного климата. Эти факторы оказали существенно влияние на результаты моделирования.

Новая интерпретация данных изотопно-кислородной альтиметрии в рамках комплексной модели (с учетом более южного расположения Тибета, чем сейчас, и более высокого парциального давления CO₂ в атмосфере) позволила авторам сделать вывод о том, что в среднем эоцене (42–40 млн лет назад) средние абсолютные отметки Тибетского нагорья составляли всего лишь около 3000 метров над уровнем моря, что вполне согласуется с палеонтологическими и палеоботаническими данными.

Комплексный подход, использованный авторами, показал, что для определения абсолютных высот рельефа в прошлом одного изотопно-кислородного метода недостаточно: его нужно совмещать с другими палеоклиматическими моделями, в первую очередь с моделями общей циркуляции атмосферы, итерационно рассчитывая свой цифровой «изотопно-кислородный альтиметр» для каждой географической области и для каждого отдельно взятого геологического периода. И здесь мы имеем интересный пример обратной связи в научных исследованиях. Если раньше данные палеоальтиметрии использовали для корректировки палеоклиматических моделей, то теперь понятно, что нужно учитывать взаимное влияние результатов двух подходов моделирования. Грубо говоря, палеоклиматические модели традиционно использовали данные палеоальтиметрии в качестве входных данных, а теперь ясно, что и палеоальтиметрические расчеты должны учитывать данные палеоклиматологии. К сожалению, все это только добавляет неопределенности в существующие палеогеографические модели.

В любом случае, полученные авторами исследования результаты указывают на то, что в процессе деформации земной коры, возникшей при столкновении двух литосферных плит в раннем эоцене, Тибетское нагорье было приподнято на высоту не более 3000 метров, а нынешних абсолютных отметок регион достиг значительно позже, скорее всего, в неогене. И этот более поздний подъем территории, скорее всего, был связан с глубинными процессами в подстилающей мантии.

Коэффициент δ¹⁸O

Для количественной оценки соотношения изотопов ¹⁶O и ¹⁸O используется коэффициент δ¹⁸O, который равен отношению ¹⁶O/¹⁸O в изученном образце к ¹⁶O/¹⁸O в стандартном образце, выраженный в промилле. В качестве стандарта используется вода с хорошо известным изотопным составом, например, — VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water), по составу примерно соответствующая воде глубинной части Мирового океана. В связи с тем, что изотопное фракционирование (разделение изотопов) кислорода сильно зависит от температуры, коэффициент δ¹⁸O является одним из базовых показателей, по которым выполняются палеоклиматические реконструкции. Например, известно, что повышение температуры воды на 1°С приводит к снижению δ¹⁸O на 0,22‰ (S. Epstein et al., 1953. Revised carbonate-water isotopic temperature scale).

Владислав Стрекопытов

Источники:

1. elementy.ru