Naked Science: Беломорские рогульки рассказали ученым об изменениях климата в прошлом

В последние десятилетия палеоклиматологи заинтересовались глендонитами, которых еще называют беломорскими рогульками — карбонатными образованиями различной формы, которые встречаются в самые разные геологические эпохи: от докембрия до наших дней. Проведенное учеными исследование убедительно доказало, что глендониты можно использовать в качестве индикатора близкой к нулю температуры придонной воды, а по изменению геохимического состава карбонатных фаз глендонитов и вмещающих конкреций узнать о последовательных изменениях геохимической обстановки в процессе их формирования.

Карбонат кальция в природе встречается во множестве различных форм. Пожалуй, самая причудливая из них — это глендониты, получившие свое название по району Западной Австралии Глендон (Гледенбрук), где были описаны. Известны глендониты и на территории России — поморы находили их в рыболовных сетях называли беломорскими рогульками. Эти минеральные образования, похожие на ежей или объемные звезды с толстым «телом», представляют собой псевдоморфозы (продукт замещения без изменения формы) кальцита по икаиту. Икаит (CaCO3⋅6H2O), который в природе встречается только при температурах ниже семи градусов Цельсия, при повышении температуры разлагается и замещается плотными агрегатами кальцита (CaCO3).

Глендониты могут сослужить палеоклиматологом хорошую службу и быть индикаторами холодных условий. Однако для этого необходимо выяснить, совпадают ли современные условия образования икаита (и глендонитов) с более ранними. Современная среда образования икаитовых отложений хорошо известна, однако происхождение древних глендонитов все еще обсуждается из-за неполноты геологической летописи и неоднозначных палеоклиматических и палеоэкологических признаков. Это заставило некоторых исследователей усомниться в том, что икаит и глендониты можно использовать как индикатор холодного климата в геологическом прошлом.

Чтобы выяснить, какими были палеогеографические и геохимические условия во время осаждения икаита и преобразования его в кальцит, ученые из Санкт-Петербургского государственного университета, Института географии и Геологического института РАН, Института геологии и геохимии Уральского отделения РАН, Кольского научного центра РАН и Техасского университета исследовали глендониты Белого моря. Результаты исследований опубликованы в июльском номере международного журнала Marine Geology.

Из трех близко расположенных местонахождений вдоль северного побережья Кандалакшского залива Белого моря исследователи отобрали 25 проб глендонитов: часть содержала раковины двустворчатых моллюсков, часть была погружена в субстрат вмещающей конкреции. Каждый образец разрезали пополам. Полированные шлифы, изготовленные из первой половины, использовали для детального изучения минералогии и петрографии, вторую половину образцов — для геохимических и изотопных исследований.

Местонахождение образцов глендонита. Желтая стрелка указывает на образец глендонита / Пресс-служба КНЦ РАН
Местонахождение образцов глендонита. Желтая стрелка указывает на образец глендонита / Пресс-служба КНЦ РАН

Изменения климата Беломорья в голоцене детально изучены. «Размораживание» моря закончилась примерно 12,8 тысяч лет назад. С конца позднего плейстоцена в исследуемом регионе выделяются холодные и теплые периоды.

Ранее возраст беломорских глендонитов определяли между 11,25 и 9,83 тысячами лет. Однако обнаруженные в них раковины двустворчатых моллюсков относятся к теплому атлантическому периоду голоцена: 6,9–6,3 тысячи лет назад, что указывает на более молодой возраст глендонитов. Проведенный учеными изотопный анализ также указал возраст отобранных глендонитов около 4,1 ± 0,4 тысяч лет.

Предлагаемая модель осаждения, трансформации и цементации икаита в голоцене в Белом море / Пресс-служба КНЦ РАН
Предлагаемая модель осаждения, трансформации и цементации икаита в голоцене в Белом море / Пресс-служба КНЦ РАН

Кроме того, этот период (суббореальный этап голоцена) характеризовался новым похолоданием. Температура поверхности Белого моря была примерно на 1–2 градуса ниже атлантического этапа, но на 3–4 градуса выше современной. Изотопно-геохимические исследования показали, что раковины моллюсков выросли при температуре от 3 до 11 градусов, а температура образования глендонитов — от 3,1 до пяти градусов Цельсия (для одного образца — около восьми градусов).

Глубина Белого моря в районе исследований в то время, когда образовались глендониты, составляла 15–20 метров. Современное Белое море прогревается летом до глубины около 15 метров, а значит, летом температура прибрежных вод была выше, чем та, при которой происходит осаждение икаита, и та, которую вычислили для образования глендонитов.

Исследователи выявили три типа кальцита, составляющего изученные образцы. Первая генерация кальцита происходит от икаита и обеднена магнием, стронцием и барием и не демонстрирует катодолюминесценции. Вторая богата фосфором и магнием, также не люминесцирует или обладает тускло-красной катодолюминесценцией. Третья генерация включает богатый магнием, стронцием и барием игольчатый кальцит с тускло-красной катодолюминесценцией. Последовательные изменения содержания редкоземельных элементов указывают на изменения в условиях осаждения.

Морфология изученных образцов. 1-4 – розеточные глендониты; 5- 6 – пробы глендонитов в конкрециях; 7 – трехгранный глендонит, 8 – звездчатый глендонит. Сокращения: G – глендонит, HC – вмещающая конкреция, Sh – раковина, S – субстрат / Пресс-служба КНЦ РАН

Эти результаты показывают, что кальцит и игольчатый цемент, полученные из икаита, кристаллизовались из поровых вод в среде с высокой щелочностью. Превращение икаита в кальцит, вероятно, было вызвано повышением температуры. Геохимия кальцита определялась активным ионным обменом между обломочными отложениями и поровыми водами.

Все это позволяет предположить, что осаждение икаита происходило в холодные зимние месяцы суббореального периода, когда температура опускалась ниже восьми градусов Цельсия, сопровождалось образованием морского льда и присутствием разлагающегося органического вещества. Повышение температуры привело к разрушению икаита и последующей цементации арагонитом или аморфным карбонатом кальция, содержащим повышенные концентрации бария и стронция.

Игольчатый цемент внутри глендонитов демонстрирует небольшие отрицательные аномалии церия и осаждается из поровых вод, полученных из морской воды. Кальцит с высоким содержанием магния, образующий вмещающую конкрецию, осаждался в зоне сульфатредукции из поровых вод, полученных из морской воды. Геохимия этих поровых вод была изменена за счет взаимодействия с обломочными компонентами вмещающих отложений.

Проведенное учеными исследование убедительно доказало, что глендониты можно использовать в качестве индикатора близкой к нулю температуры придонной воды, а по изменению геохимического состава карбонатных фаз глендонитов и вмещающих конкреций — судить о последовательных изменениях геохимической обстановки в процессе их формирования.