Изотопно-кислородная стратиграфия в геологии

Изменения отношения О-18/О-16 измеряются с помощью метода масс-
спектрометрии (при этом, погрешность измерений не более 0.01 %),
так что мы останавливаться на этих измерениях на будем.
Изотопный состав воды в Мировом океане выравнивается за время ее
полного перемешивания, равное приблизительно 1000-1500 лет, т.е.
за очень короткий интервал в масштабах геологического времени.
Таким образом, изотопно-кислородные изменения немедленно фиксируются
морскими организмами и дают изохронные уровни. Иными словами, эти
изменения регистрируются в разрезах, содержащих известковые
микрофоссилии, и происходят синхронно во всех океанах.
В этом отношении изотопно-кислородный метод сопоставим по своему значению
с методом палеомагнитных инверсий при изучении глобальных
палеоклиматических изменений на Земле.
(показать рисунок с изотопно-кисл. кривыми и таблицу!!!).
Каждое отчетливое изотопно-кислородное событие один из основателей
метода Чезаре Эмилиани назвал стадией и пронумеровал. Хронология изотопно-
кислородных стадий получена методами неравновесного датирования,
радиоуглеродными датами и палеомагнитным анализом.

Как и все стратиграфические методы, изотопно-кислородный метод имеет свои допущения:
1 – накопление изучаемых отложений должно происходить непрерывно;
2 – полностью отсутствовали вторичные процессы перемешивания отложений или миграции изотопов;
3 – при формировании изотопного состава повсеместно равное значение имеют одни и те же механизмы;
4 – климатические события, обусловливающие резкие изменения изотопно-кислородного состава, происходили синхронно на всей изучаемой территории.
Первые два требования – понятны. Можно добавить, что наличие геохимической закрытой системы по отношению к изотопам кислорода обеспечивается захоронением раковин в отложениях.
Третье связано с тем, что колонки осадков из, например, эстуария какой-либо реки, могут иметь отличный изотопный состав от колонок, отобранных в пелагической части океана. Это связано с тем, что соотношение изотопов кислорода в речной воде отличается от такового в океане. Это допущение справедливо и для колонок, отобранных вблизи ледников (талые воды).
4-е допущение основано на предположении, что резкие изменения климата носят глобальный характер.

Первооткрыватель изотопно-кислородного метода Юри (Нобелевский лауреат,) и
его последователи Эмилиани, Шеклтон и др. предложили использовать величину
изотопного отношения О-18/О16 в раковинах морских организмов для определения
палеотемператур океанской воды. Этот метод основывается на зависимости
коэффициента фракционирования изотопов кислорода от температуры среды в
обменной реакции:
С16О32- + Н218О ↔ С18О32- + Н216О
Коэффициент фракционирования (α) записывается в виде:
(18О/16О) СО32- α = ----------------------------
(18О/16О) Н20
Согласно Юри, величина коэффициента фракционирования в системе карбонат-
ион - вода уменьшается на 0.02% про повышении температуры среды на 1 град С
в температурном интервале 0 -–25 град С.
Иными словами, здесь также имеет место фракционирование изотопов
кислорода при их переходе из воды в карбонат. Было подсчитано, что если
карбонат кальция кристаллизуется при температуре О град с соотношением
18-О/16-О в 1/500 в воде, то эта величина в карбонате будет 1.026/500.
Т.е, 18-О концентрируется в карбонате по отношению к воде. При температуре
воды 25 град изотопы кислорода концентрируются уже до значения 1.022.

В дальнейшем Шеклтон использовал модифицированное уравнение Крейга для расчета палеотемператур по изотопно-кислородным данным:
Т (0С) = 16.9 – 4.38 (δс - δw) + 0.10 (δc - δw)2
Это уравнение выражает изотопное равновесие между водой (w) и кальцитом (с). В нем δ - символ отклонения в промилле (0/00), или в частях на тысячу изотопного отношения кислорода в анализируемом образце от этого отношения в условном стандарте:
(18О/16О)обр - (18О/16О)ст
δ18О = [------------------------------------------ ] х 1000,
(18О/16О)ст
где обр – образец, ст – стандарт.
Самым распространенным является изотопно-кислородный стандарт PDB, полученный из мелового белемнита (с возрастом около 150 млн лет) формации Пи-Ди в Южной Каролине (США). Используется также стандарт SMOW (standard mean ocean water) – стандарт средней океанической воды. Так, если раковина фораминиферы имеет значение δ = 2 0/00 относительно PDB, это означает, что полученный из нее углекислый газ (необходимый для анализа на масс-спектрометре) обогащен тяжелым изотопом 18-О на 2 части на каждую тысячу по сравнению с СО2 стандарта.

Изотопная температурная шкала получена в результате экспериментального выращивания раковин моллюсков в термостатированных бассейнах. Обработка этих данных по методу наименьших квадратов дает линейную зависимость:
y = a + b x,
где
a – величина ординаты, отсекаемая прямой наклона
b - отражает угол наклона.
Отсюда выводится усовершенствованная формула Шеклтона (выше)

Т.о., мы установили, что изотопно-кислородный сигнал отражает два параметра:
1 – температуру воды и 2 – изотопно-кислородный состав воды.
Т.е. наблюдаемое увеличение отношения 18-О/16-О в кальците раковин планктонных фораминифер во время глобальных оледенений (образования ледниковых шапок на полюсах) является следствием как увеличения этого отношения в морской воде в связи с удалением пресной воды (с низким значением отношения 18-О/16-О) в ледники, так и дополнительного обогащения раковин изотопом 18-О при понижении температуры (в результате фракционирования). Эти два параметра накладываются, усиливая изменения значений отношения изотопов, что для построения из-кисл кривой только хорошо. После длительных дебатов в настоящее время принять считать, что главная часть сигнала (2/3) отражает изменения изотопного состава морской воды, т.е. изменениями палеоклиматических условий формирования раковин.
Т.о., методом из-кисл анализа ископаемых организмов можно определять палеотемпературы, что и делается при современных палеогеографических исследованиях.
Более детальные сведения об этих расчетах приводятся в литературе, ссылки на которую я могу дать.

Самое главное для стратиграфических исследований, что дает
изотопно-кислородный метод, это то, что изотопно-кислородная кривая донных отложений позволяет четко проследить последовательность ледниковых и межледниковых эпизодов в течение по крайней мере четвертичного периода.
Так, стадии с нечетными номерами (1,3,5,7 и т. д.) соответствуют более теплым климатическим условиям – межледниковьям и межстадиалам (объяснить), а стадии с четными номерами – ледниковым условиям.
В заключение надо отметить, что самый важный стратиграфический аспект из-кисл метода состоит в том, что изотопные события изохронны, широко распространены и хорошо представлены в колонках. Все это обеспечивает возможность интеркалибрации с другими шкалами, в том числе с палеомагнитной и биостратиграфическими зональными схемами (о них речь впереди) (рассказать о сопоставлении рез-тов иссл-ий с из-кисл шкалой).