Ископаемые

Понимание прошлого климата и экосистем

Понимание прошлого климата и экосистем



Тематическое исследование месторождений мио-плиоцена в Ископаемом парке Западного побережья, Южная АфрикаАлександра Гут, Мичиганский технологический университет

Восстановление окружающей среды: Ученые объединяют много доказательств, чтобы понять прошлое Земли. Окаменелости (A) показывают, какие именно животные обитали в регионе, а осадки, окружающие кости, дают важные подсказки об условиях осадконакопления. Кости могут быть дополнительно проанализированы на предмет их изотопных составов, на которые влияют растения, которые животное потребляло при жизни (B). Кроме того, пыльца, выпущенная из растений, имеет тенденцию быть легко сохраненной в геологическом отчете, обеспечивая детальную запись прошлых цветочных сообществ. Все эти свидетельства могут быть объединены для создания детальных реконструкций среды, существовавшей миллионы лет назад (C).

Парк ископаемых Западного побережья: Карта расположения, показывающая высоту Африки (1) с Западно-Капской областью Южной Африки (2), расширена. На карте 2 южная оранжевая звезда - это местоположение Кейптауна, а северная голубая звезда представляет парк ископаемых на западном побережье. Подмножество 3 расширено, чтобы показать текущие условия уровня моря (3А) и ситуацию 5,2 миллиона лет назад, когда уровень моря был на ~ 30 метров выше, чем в настоящее время (3В). В то время место, занимаемое парком ископаемых, было бы недалеко от побережья, где древняя река Берг впадала в Атлантику. Базовая карта рельефа Африки взята из набора данных CleanTOPO2, а спутниковые снимки - Landsat GeoCover НАСА около 2000 года.

Введение

Как мы узнаем, какой была древняя Земля до того, как люди стали свидетелями и записывали условия? Один из основных способов, которыми геологи могут распутать прошлые климатические условия и экосистемы, заключается в проведении подробных исследований месторождений, которые содержат сохранившиеся останки древних растений и животных.

Образование окаменелостей, как правило, является редким явлением, поэтому обнаружение очагов концентрированных или высокодетализированных ископаемых останков имеет научную ценность. Месторождения ископаемых, отличающиеся разнообразием или степенью детализации, называются Lagerstätten (по-немецки «мателода» или «место хранения»), которые можно разделить на два основных типа.

Konservat-Lagerstätten - это места, где находятся мелкие детали организма. законсервированный (обратите внимание на сходство между немецким и выделенным курсивом английским эквивалентом). В таких местах мягкие части организма, которые обычно распадаются, регистрируются в виде оттисков или углеродных пленок. Хорошо известными примерами таких месторождений являются сланцы Burgess в Британской Колумбии и формация Green River на западе США.

Вторым сортом является Konzentrat-Lagerstätte, где находится большое концентрация костей. Хотя эти места не предоставляют много мелких деталей организмов, они могут дать представление о древней экосистеме, концентрируя кости животных, которые обычно распространяются по широкой территории. В качестве примеров можно привести экспозиции моррисоновской свиты в юрском возрасте на Национальном памятнике динозавров в Юте и костяную кость Шаркозуб Хилл в Калифорнии, возраст которой составляет 15-16 миллионов лет.

Другой пример Konzentrat-Lagerstätten найден в отложениях отложений формации Langebaanweg в парке ископаемых на западном побережье в Южной Африке. Многочисленные останки в этих окаменелых пластах дают важную информацию о биологических сообществах и климате региона около 5 миллионов лет назад.

Открытие сайта и разработка

Первоначально фосфатная шахта, окаменелости были обнаружены в конце 1950-х годов. Сегодня фосфаты добываются в основном для их использования в удобрениях, а фосфорная кислота обычно используется в безалкогольных напитках. Эти камни, однако, были изначально добыты для использования в вооружениях Второй мировой войны.

Осадочные фосфатные отложения производятся в регионах с высокой биологической продуктивностью моря, таких как современные континентальные шельфы. Из-за изменяющихся условий, уровня моря в этом случае районы, ранее находившиеся под водой, теперь выставлены на суше и доступны для обнаружения и раскопок. Активная добыча полезных ископаемых прекратилась в 1993 году, когда шахта была закрыта, а область, где были обнаружены ископаемые останки, была выделена в качестве национального памятника (который вскоре станет объектом национального наследия). Горнодобывающая деятельность, возможно, уничтожила 80% окаменелостей на этом участке, но в коллекциях Южноафриканского музея Изико по-прежнему хранится около 1 миллиона экземпляров.

Фосфатная порода с органическим материалом: Сантиметровая шкала рядом с фосфатной породой. Красные зерна представляют фосфатизированный органический материал. Фото Александры Гут.

Формирование Konzentrat-Lagerstätte

Обычно можно представить процесс окаменения как одно животное, которое умирает, а затем закапывается на месте. В то время как некоторые животные погибли непосредственно в поймах, которые существовали на месте, многие останки в парке ископаемых на Западном побережье были перемещены и сконцентрированы водой в этом единственном месте с течением времени.

Вероятно, «предок» реки Берг опустился в Атлантику около современного парка, когда были отложены кости. Оффшорная песчаная полоса, возможно, не позволила выбросить остатки в море, а также могла одновременно действовать, чтобы уловить остатки, вымытые из океана.

Восстановление окружающей среды

Разные животные и растения имеют различные потребности среды обитания; таким образом, выявление останков для установления присутствия сообщества дает представление о прошлых экосистемах. Эта задача становится более трудной для месторождений, которые представляют собой полностью вымершую фауну (например, динозавры юрского периода моррисона), но останки в парке ископаемых на Западном побережье «всего лишь» 5 миллионов лет. Хотя большинство видов, сохранившихся в парке, сами вымерли, они тесно связаны с современными видами.

С точки зрения идентификации животного вам не нужно 100% костей человека, чтобы уверенно идентифицировать его. Это особенно важно, поскольку целые скелеты обычно не встречаются, особенно в Konzentrat-Lagerstätten, где кости были вычленены и транспортированы. Зачастую существует дополнительная склонность к сохранению, когда мелкие деликатные кости разрушаются во время транспортировки, в то время как более толстые и прочные кости с большей вероятностью остаются нетронутыми. Несмотря на эти трудности, палеонтологи довольно успешно классифицируют и идентифицируют кости для изображения древнего сообщества.

Животные, найденные в Ископаемом парке Западного побережья, указывают на то, что этот район находился вблизи границы суши и океана, учитывая, что как морские животные (например, тюлень, акула-мегалодон, 4 вида пингвинов), так и наземные млекопитающие (например, жираф с короткой шеей, амардварка) , гиена, бегемот, мамонт, антилопа, трехпалый конь, саблезубый кот) были найдены вместе. Дополнительное присутствие лягушек (по крайней мере 8, может быть, до 12 видов представлены в отложениях) указывает на то, что там должна быть пресная вода. В то время как многие виды лягушек проявляют некоторую толерантность к соленой воде, нет известных амфибий, которые обитают в чисто морских средах обитания.

Костяная кровать: In-situ костяная кровать показанная в парке западного побережья ископаемом, Южной Африке. Челюстная кость в центре принадлежала сиватере, вымершему родственнику современного жирафа. Строка выделяет 1-метровую сетку.

Изотопы углерода: больше, чем просто возраст

Более подробное понимание может прийти из изучения изотопов углерода, сохраняемых в костях и зубах. В то время как большинство людей знакомы с изотопом C-14 из-за его использования при датировании недавних останков (см. Обсуждение ниже), углерод имеет два изотопа, которые являются более распространенными и не радиоактивными. C-12 является наиболее распространенным изотопом углерода, а C-13 является вторичным стабильным изотопом. Поскольку они стабильны, они не разлагаются с течением времени.

Различные группы растений имеют различные соотношения изотопов углерода, которые можно использовать в качестве отпечатка для палеодиеты древних животных. Углерод в растениях используется для формирования костей и зубов, так что соотношения в растениях отражаются в костях животных, которые их потребляют.

Эти разные изотопные признаки обусловлены различными метаболическими путями, используемыми растениями. Многие травы являются геологически новыми и представляют собой «растения C4», в то время как деревья и травянистые растения являются «растениями C3». Саванна состоит из растений C4 и C3, так как здесь есть деревья, кустарники и травы. Лес, с другой стороны, будет преимущественно C3-растениями. Флора, уникальная для Южной Африки, - это финбос (произносится «Finebose»), который также является C3.

Животное, которое потребляет в основном растения C3, будет иметь другое соотношение изотопов углерода в костях, чем животное, которое в основном ест растения C4. Анализ, проведенный на останках копытных (копытных млекопитающих: бегемотов, антилоп, жирафов, свиней и т. Д.), Показывает, что в окружающей среде, присутствующей в парке ископаемых 5 миллионов лет назад, преобладали растения C3.

Цветочная пыльца

Хотя изотопный анализ показал, что в регионе не доминировали травы, он не мог различить деревья, кустарники и финбос. К счастью, пыльца, выделяемая растениями, обычно обильна и хорошо сохраняется в отложениях.

Пыльца, в отличие от изотопных соотношений, может однозначно идентифицировать семейство растений или род, который присутствовал в этом районе. В качестве дополнительного бонуса, в отличие от более крупных растений, таких как дерево или листья, пыльца легко переносится ветром и водой и, таким образом, широко распространяется от местоположения отдельного растения. Хотя вы, возможно, никогда не найдете ископаемый лист отдельного растения, у вас гораздо больше шансов найти его пыльцу.

Анализ пыльцы в Ископаемом парке показывает, что область 5 миллионов лет назад включала семейства травянистых растений Ranunculaceae (например, buttercups), Cyperaceae (осоки, например, папирус), Asteraceae (например, маргаритки) и Umbelliferae (например, петрушка, кружева королевы Анны). Комбинация этих ботанических семейств использовалась, чтобы вывести прибрежную равнинную среду обитания. Наличие семейств растений Asteraceae, Chenopodiaceae (гусиная лапка) и Amaranthaceae (амарант) дополнительно указывает на более сухие условия. Также присутствовала пыльца деревьев семейства Proteaceae (например, protea), а также родов Podocarpus (например, yellowwood) и Olea (например, оливковое и железное дерево).

Присутствие всей этой пыльцы дает представление о растительных сообществах, которые населяли этот регион во время отложения ископаемых отложений. Знание того, какие растения и животные присутствовали в то время, может быть использовано для указания прошлой среды.

Проблема знакомства возраста Златовласка

Углерод-14 - это (встречающийся в природе) радиоактивный изотоп углерода, который является наиболее широко известным методом датирования старых материалов. Тем не менее, подавляющее большинство рок-записей не может быть датировано этой техникой, потому что период полураспада C-14 слишком короткий, и это также требует присутствия исходного органического материала (в то время как окаменение заменяет оригинальный органический материал более долговечные минералы). К тому времени, когда органическому материалу исполнилось 75 000 лет, в образце осталось слишком мало С-14, чтобы его можно было надежно измерить.

Радиоактивный изотоп калия (К-40) имеет гораздо более длительный период полураспада, чем С-14, и присутствует в магматических породах. Таким образом, методы, включающие калий и его дочерний продукт аргон, могут использоваться на материалах, которые были извергнуты вулканами более 100 000 лет назад (поскольку период полураспада очень большой, этот метод нельзя использовать на очень молодом материале, потому что такая маленькая фракция исходного калия разложился, что мы не можем точно измерить его).

К сожалению, Южная Африка не была вулканически активной в то время, когда эти животные умерли, поэтому отложения не могут быть датированы напрямую с помощью калия-аргона. Тем не менее, другие методы, включающие изменения уровня моря, палеомагнетизм и окаменелости, могут использоваться для указания возраста отложений.

Связь веков с ископаемыми

Биостратиграфия - это метод упорядочения записей о породах на основе присутствия животных и полезная альтернатива для установления возрастных ограничений на ископаемые породы. Кажется, что некоторые линии животных, такие как свиньи и слоны, быстро меняются (в геологическом смысле), поэтому определение различных групп этих животных может помочь точно определить возраст пород.

Подсказки от ископаемых животных ограничивают возраст отложений в ископаемом парке Западного побережья примерно до 5,2 миллиона лет назад. Суид (свинья) Nyanzachoerus kanamensis был найден как в Восточной Африке, так и в парке ископаемых. Из-за активного рифтинга и связанной с ним вулканической активности в Восточной Африке с этим видом была связана абсолютная возрастная дата (как, например, мы можем указать число). Поскольку семья свиней переживала геологически быстрые изменения, найдя этот вид, мы можем что-то сказать о возрасте отложений в парке.

Больше информации
1 Изотопный анализ и истории кукурузы: Роберт Х. Тикот, глава 10: Дж. Э. Сталлер, Р. Х. Тикот и Б. Ф. Бенц (редакторы), Истории кукурузы: междисциплинарные подходы к предыстории, лингвистике, биогеографии, одомашниванию и эволюции кукурузы, Academic Press (Elsevier), 2009.
2 Скалы и минералы Кейптауна: J.S. Комптон, Double Storey Books, Кейптаун, Южная Африка, 112 страниц, 2004.
3 CleanTOPO2: отредактированные данные SRTM30 Plus World Elevation: Том Паттерсон, Служба национальных парков США, 2013.
4 Региональный и глобальный контекст палеонтологического участка позднего кайнозоя Langebaanweg (LBW): Западное побережье Южной Африки: Дэвид Л. Робертс и др., Обзоры наук о Земле, том 106: 3-4, страницы 191-214, 2011.
5 Окружающая среда 5-5,2 миллиона лет назад: статья на веб-сайте парка ископаемых на западном побережье, доступ к которому в последний раз произошел в декабре 2016 года.

Выводы

Реконструкция окружающей среды часто сводится к мелким деталям: изотопные признаки в костях, микрополосные рисунки на зубах (царапины на поверхности зубов могут указывать, было ли животное травоядным, обозревателем или кормушкой смешанного режима), скопления пыльцы в отложениях , так далее…

На данный момент парк существует в средиземноморском климате и находится на расстоянии более 10 км от океана. Однако все совокупные данные указывают на то, что пять миллионов лет назад Парк ископаемых на Западном побережье существовал в субтропическом лесу рядом с древней рекой Берг, впадающей в Атлантику.

Останки животных в сочетании с микроскопическими и химическими подсказками создают целостную картину того, на что был похож этот регион, даже несмотря на то, что ни один человек не был свидетелем этого непосредственно. Именно так геологи разгадывают тайны прошлой жизни и климата Земли.

Сегодня эти окаменелости можно увидеть на месте (на месте) в парке ископаемых на западном побережье в Южной Африке, и гости могут даже помочь составить картину окружающей среды, отыскивая на сите микросообщения птиц, лягушек, грызунов и многих других мелких животных. экраны. Любые находки добавляются в музейные коллекции - посетителям не разрешается собирать образцы для себя, так как все окаменелости охраняются государством в Южной Африке.

Парк ископаемых Западного побережья

Парк ископаемых Западного побережья расположен в 120 км к северу от Кейптауна в Южной Африке. Их веб-сайт содержит обширную информацию о сайте, подробные указания, информацию о проводимых там исследованиях, а также образовательные анимации и рабочие листы. Автор этой статьи хотел бы поблагодарить управляющего Парк Ископаемых, Пиппа Хаархофф, за ее помощь и поддержку.

Об авторе

Алекс Гут является аспирантом Мичиганского технологического университета, и ее диссертация была посвящена вулканической эволюции Кенийского разлома. Она несколько раз посещала регион Западной Капской провинции Южной Африки, чтобы помочь своему советнику в полевом лагере геологии, и ее исследования в Африке предоставили несколько возможностей для работы с National Geographic. Ее веб-сайт можно посмотреть по адресу: //www.geo.mtu.edu/~alguth/