ОКЕАНОЛОГИЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНЫХ МАСС. Какие приливы были в древности. Луна и прилив. Строматолиты с полосчатостью

Океанология является очень молодой наукой, поэтому она не может пока ответить на вопрос, находятся ли водные массы Мирового океана в полном равновесии с существующими климатическими условиями или же их приспособление друг к другу все еще продолжается

В этой главе сведены три довольно несопоставимые темы — приливы, течения и циркуляция, которые объединены только их обшей связью с движением воды Для каждою из этих явлений рассматривается, во-первых, их современное распределение или причины, во-вторых, обсуждается, как они могут или могли быть узнаны в геологической летописи, и, наконец, рассматривается их геологическая летопись.

Приливы

При характеристике приливов будут рассмотрены их 1) происхождение, 2) проявление на континентальных шельфах, 3) геологические индикаторы и 4) проявление в геологическом времени.

1. Океанские приливы, как показано на  3-1,а, зависят главным образом от взаимодействия Земли и Луны. В центре Земли (£) каждый килограмм притягивается к Луне гравитационной силой (которая достигает 3,38 мг). Для Земли в целом этому притяжению противодействует центробежная сила, равная по величине (3,38 мг). но противоположная по направлению. Такая система находится в равновесии, когда сумма всех сил равна нулю. На поверхность стороны Земли, обращенную к Луне, воздействует система сил, отличающаяся по величине от системы сил, приуроченных к точке в центре Земли (которая находится в истинном равновесии) или к точке на противоположной стороне Земли. В точке Z ( 3-1, а), которая находится на ближайшей к Луне стороне Земли, гравитационное притяжение превышает нормальное (равно 3,49 мг). Если центробежную силу Земли (3,38 мг) вычесть из гравитационного притяжения, то останется чистая абсолютная разница (0,11 мг), которая объясняет приливное вздутие по направлению к Луне.

В соответствии с гравитационным законом Ньютона тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Для Земли, Луны и Солнца значительно меньшее расстояние между Землей и Луной компенсирует намного большую массу Солнца, которое находится значительно дальше. Приливообразующая сила Солнца составляет примерно половину ее значения для Луны, и. следовательно, когда Солнце и Луна находятся на одной линии с Землей, сочетание их сил приводит в результате к приливам, высота которых в полтора раза больше по сравнению с высотой нормальных приливов.

Аналогичным образом, если угол между линиями, соединяющими Землю с Луной и Солнцем, составляет 90 е. значение приливообраэуюшей силы уменьшается, что приводит в результате к приливам, высота которых составляет примерно половину нормальной высоты. Наибольшие приливы носят название сизигийных, а наименьшие — квадратурных. Сизигийные и квадратурные приливы за сутки обегают земной шар вследствие изменения положения Луны (и Солнца) относительно Земли ( 3-1.6).

Предсказание высоты приливов зависит от знания результирующих сил, генерируемых Солнцем и Луной при их движении по эллиптической орбите со склонением и расстоянием, меняющимися по отношению к Земле. Наиболее важные составляющие приливов перечислены в  3-1. Главные из них — лунная (М2) и солнечная (ST) — составляют более 80 °0 приливообразуюгцей силы.

Приведенный обзор поведений приливов требует дополнительной информации еще до того, как могут быть предсказаны величины береговых приливов. Когда приливная волна проходит над глубоководными част ями океана и накатывается на более мелководный континентальный шельф, ее скорость резко уменьшается. От точки к точке глубина и ширина шельфа имеют разные значения, и вследствие этого участки береювой линии протяженностью несколько сотен километров MOiyr отличаться друг от друга по времени прихода полной воды на несколько часов, как, например, вдоль восточного побережья США [251]. С точки зрения палеоприливов это различие во времени полной воды затрудняло бы составление котидальных карт, на которых показаны вершинные линии полной воды. Для многих геологических ситуаций, однако, относительное время полной воды не является настолько важным, как распознавание ее относительной высоты.

Приливы на континентальном шельфе более высокие, чем в открытом океане. Над большей частью приливные колебания океана на расстоянии т ысяч километров имеют высоту, равную приблизительно 0,8 м. Однако при подходе к берегу приливная волна видоизменяется в результате соколебаний водных масс на континентальном шельфе [676]. Начальная стоячая волна, вызываемая приливом в. открытом океане, надстраивается при уменьшении глубины от 3,5 км до 0,2 км на небольшом расстоянии в пределах континентального подножия и склона. При дальнейшем движении к берегу прилив усиливается любыми особенностями рельефа.

Главный вывод, заключающийся в том, что чрезвычайно высокие приливы с полусуточным периодом встречаются в областях наиболее широкого континентального шельфа, имеет фундаментальное значение для палеоокеанологии. Из  3-3 видно, что прибрежные области с амплитудами приливов, большими 3 м, ассоциируются с широкими шельфами. Эти регионы также характеризуются песчаными хребтами и высокими скоростями течений. Редфилд [676] подсчитал, что для восточною побережья США ( 3-2) «наибольшие амплитуды прилива М2, встречающиеся при любой ширине шельфа, будут возрастать на один фут при увеличении ширины шельфа на каждые 20 миль».

При предсказании высоты приливов в древних морях в первую очередь необходимо обращать внимание на их палеогеографическое положение. Мелководные моря, о [деленные от открытого океана, характеризуются очень низкими приливами, поскольку не связаны с океанским резонансом. Озеро Чим в Баварии имеет ширину около 13 км и является самым маленьким озером, в пределах которого наблюдается прилив (I мм). Озера с максимальными размерами от 400 до 1000 км могут характеризоваться приливами высотой приблизительно от 6 до 8 см; для Средиземного моря, у которого восточная и западная котловины почти отделены друг от друга и имеют длину около 2000 км, высота приливов может колебаться от 10 до 15 см ( 4 в работе Дефанта [186]). Броше и Зюн- дерманн [103] попытались в первом приближении определить высоту прилива для открытого океана пермского возраста, используя метод цифрового моделирования. Работы такого типа необходимо выполнять в большом количестве, причем особое внимание следует уделять континентальным окраинам.

3. Геологические индикаторы высоты прилива запечатлены как в обломочных, так и в карбонатных осадках.

А. Среди обломочных отложений выделяются тайдалиты [461]; это осадки, формирующиеся в литоральной зоне и включающие в себя вертикальную последовательность грубых песков зоны прибоя (твердый сток волочения), среднезернистых песков приливно-отливной отмели (зона наката) и тонких глин приливно-отливной отмели (суспензионный твердый сток). Осадочные текстуры, которые образуются под воздействием обратного потока при наиболее низких приливах, указывают на средний уровень малой воды.

В дополнение к багамскому типу литоральных карбонатных осадков Гинзбург [326] в качестве второго типа выделил широко распространенные тонкослоистые строматолитовые известняки верхнего кембрия и нижнего ордовика. В этих осадках отсутствуют повторяющиеся, мелкомасштабные вертикальные последовательности литофа- ций и текстур, которые типичны для багамских литоральных карбонатов.

Этот нижнепадеозойский тип карбонатных осадков свидетельствует о режиме осадконакопления, который был широко распространен в течение непродолжительного времени, и образование его происходило, по-видимому, следующим образом. До силура в отсутствие наземных растений области побережий не имели столь хорошо выраженных, как в настоящее время, речных русел (). Следовательно, сток воды в море мог захватывать обширные области, которые были абсолютно плоскими на протяжении десятков и сотен километров; в настоящее время таким примером является область Сун- дарбан, расположенная в устье Инда вдоль северо-западного побережья Индии. В Большом Сундарбане (коюрый протягивается в глубь суши на 300 км и вдоль берега на 100 км) и в Малом Сундарбане приблизительно 30 000 км2 затапливается сезонно при юго- западных муссонах [332]. В этих непосредственно надлиторальных условиях в настоящее время аккумулируется слой гипса. При отсутствии муссонной гидрографии регион данного типа мог бы на большой площади аккумулировать тонкослоистые строматолитовые известняки.

Амплитуда прилива для карбонатов, как и для обломочных отложений. может быть оценена по вертикальному расстоянию между иезаливасмыми участками суши и участками, характеризующимися морскими условиями Наивысшая точка, в которой всфечаются отдельные синусоидальные прослойки строматолитов, находится там, где поверхность суши увлажняется при потной воде, а самая низкая точка приурочена к участкам, слегка заливаемым при малой воде; таким образом можно оценить амплитуду прилива [146]. Такая же картина наблюдается для некоторых строматолитов в Акульем заливе, Австралия. Было, однако, показано, что куполовидные строматолиты (которые используются для определения амплитуды прилива) встречаются в рифовых фациях девона до сублиторальных глубин, равных 45—100 м ниже уровня девонского моря [650]. Вследствие этого оценки прилива по строматолитам неопределенны.

4. Высота приливов в геологическом прошлом давно представляет интерес как для астрономов, так и для геологов. Поскольку наиболее крупной составляющей современных приливов является лунная составляющая (М;) и поскольку Луна медленно удаляется от Земли, то приливы теологического прошлого по сравнению с современными характеризовались, по-видимому, большей величиной. Приливное трение и аккреция ядра также замедляют скорость вращения Земли и уменьшают фрикционный эффект зональных ветров, понижая тем самым высоту приливов. Оценки скорости удаления Земли от Луны основаны на астрономических данных и на измерениях увеличивающейся продолжительности дня, производимых по кольцам роста ископаемых раковин (см. обзоры в работах Паннеллы [630] и Розен- берга и Ранкорна [697]).

Предполагается, что Луна была захвачена Землей 2 млрд. лет назад или, вероятно, лишь 700 млн. лет назад, и к настоящему времени расстояние между ними увеличилось от нескольких до 60 земных радиусов (Олсон [620] и более ранняя работа; [568]). Однако захват Луны не мог произойти так поздно, поскольку строматолиты «с развитыми приливными полосками» свидетельствуют о том, что Луна связана с Землей на протяжении по крайней мере 3 млрд. лет [].

С одной стороны, для доказательства более высоких приливов в докембрии ссылаются на зри группы данных.

A.        Докембрийские покровные пески могли преобразовываться в крупные песчаные волны подобно волнам, существующим сегодня в регионах с высокой скоростью приливных течений (обзор дан в гл. 2, см. также работу Мерифилда и Ламара [567]). Однако для двух конкретных отложений покровных песков докембрия «нельзя сделать вывод о том, что расстояние между }емлей и Луной в период формирования этих порол было значительно меньше, так как в обоих случаях их присутствие может быть объяснено местными условиями, например, такими, которые преобладают в настоящее время в Ирландском морс и проливе Ла-Манш» [568]. Золотоносные конгломераты Витватерсранда, возраст которых оценивается в 2,5 млрд. лет, также интерпретируются в качестве показателя высоких скоростей приливных течений, что дает основание предполагать о более близком расстоянии между Землей и Луной в то время [362]. Вое [875], однако, при тщательном анализе отнес эти осадки к «разветвленной аллювиальной равнине и озерной обстановке», а не к обстановке прилива.

Б. Амплитуда строматолитовых прослоев (6—15 м) может указывать на высокие докембрийские приливы (см. работы Клауда [146] и Уолтера [885], но эти авторы не согласны, в частности, с тем, что эти отложения сформировались в результате исключительно высоких приливов в позднем докембрии).

B.        Осадки, соответствующие амплитуде прилива от 12 до 25 м, присутствуют в надгруппе Понгола (Южная Африка) с возрастом 3 млрд. лет [538]. Данные, полученные для отдельного географического региона, не отражают, однако, общей картины.

С другой стороны, большинство данных свидетельствует о том, что высота приливов, по крайней мере за последний миллиард лет, не была намного больше, чем в настоящее время.

А. Клейн [464] применил метод, основанный на утонении вверх отложений, для определения осадков приливов в 428 случаях и обнаружил следующие амплитуды палеоприливов: поздний докембрий 0,3 — 13 м; кембрий 1,1—7,9 м; ордовик 0,3-1.4 м; силур 3,3—6,1 м; девон 2,0—8,9 м; юра 0.8 — 4,1 м; мел 0,5-8 м и наблюдаемая в настоящее время амплитуда 0-17 м.

Б. Число дней в синодическом (лунном) месяце уменьшилось примерно от 31 в ордовике до приблизительно 29 в настоящее время [630]. В соответствии с этим система Земля — Луна была, по существу, стабильной на протяжении около 500 млн. лет. Строматолиты с полосчатостью, типичной для строматолитов, образующихся в литоральной зоне сегодня, встречаются в осадках Ганфлинта. возраст которых около 2 млрд. лет [630]. Однако строматолиты Ганфлинта характеризуются меньшим числом слойков, образующихся в месяц (<40) или в год (<445) ( 3-7), хотя в соответствии с теорией их должно быть 520. Это расхождение, вероятно, вызвано тем, что литоральные строматолиты всегда эродируются, и поэтому слойков остается несколько меньше, чем дней в году. С другой стороны, некоторые экспериментальные данные соответствуют результатам по Ганфлинту. Этот спор необходимо еще разрешить.

В. Строматолиты с небольшой амплитудой «приливных» слойков встречаются в породах с возрастом 2 млрд. лет. Строматолиты с максимальными амплитудами (6—15 м) имеют возраст от верхов докембрия до кембрия [885] и отсутствуют в более древних породах, где их следовало бы ожидать, если приливы были еще выше в более поздние времена.

Подведем итог рассмотрению приливов. Лунная составляющая земных приливов в два раза превышает влияние солнечной составляющей; эти ми факторами обусловлено более 80% силы нормальных океанических приливов. На континентальных шельфах высота прилива в зависимости от глубины шельфа достигает максимальных значений, когда ширина шельфа от его перегиба увеличивается примерно до 300 км. Наиболее важным фактором при оценке наличия приливов в геологическом прошлом является палеогеография. Регионы с высокими пришвами должны иметь широкую связь с открытым океаном.

Осадки, связанные с литоральной зоной, присутствуют в обломочных и карбонатных отложениях. Для выделения «тайдалитов» в геологической летописи существуют многочисленные критерии. За последние 2 млрд. лет высота приливов, как и в настоящее время, по-видимому, менялась от места к месту: доказательства систематического увеличения (или уменьшения) высоты приливов, когда мы обращаемся к геологическому прошлому, отсутствуют.