На протяжении всей истории Земли произошли глобальные изменения уровня моря. Масштабы и сроки изменения уровня чрезвычайно изменчивы. Они дают довольно широкое представление о тектонической и климатической истории Земли, но при этом остаются неоднозначными для точного определения.
Насколько сильно изменился уровень моря? За какое время это произошло? Что это говорит нам об истории Земли?
Для получения ответов на эти вопросы необходимо понять, что вызывает изменения уровня моря? На местном уровне уровень моря может измениться, если тектонические силы заставят землю двигаться вверх или вниз.
Более глобальные причины – это изменения объема воды в океанах или изменения объема океанических бассейнов.
Изменение уровня моря в связи с объемом воды в бассейне океана
Двумя основными резервуарами воды на Земле являются океаны (в настоящее время около 97% всей воды) и ледники (в настоящее время около 2,7%). Неудивительно, что по крайней мере в течение последних трех миллиардов лет основной переменной, определяющей объем воды в океанических бассейнах, было количество воды, присутствующей в ледниках на континентах. Например, около 20 000 лет назад большие ледниковые покровы покрывали Северную Америку и Европу. С тех пор уровень моря поднялся примерно на 120 м.
Для определения масштабов и сроков изменения уровня моря был использован ряд методов. Дноуглубительные работы на континентальном шельфе свидетельствуют о деятельности человека вблизи нынешней границы шельфа и склона. Эти данные свидетельствуют о том, что сравнительно недавно уровень моря был значительно ниже.
Изучение древних кораллов показывает, что глубина коралловых рифов превышает 100 метров. Карбонатные скелеты кораллов, некогда процветавшие на мелководье тропиков, дают детальную картину о времени повышения уровня моря вследствие таяния ледников.
Геологические данные о континентальном ледниковом покрове во многих частях истории Земли отсутствуют. Эти временные периоды обычно называются «парниковыми» климатическими условиями. Тем не менее, имеются достаточные доказательства колебаний шкалы Миланковича в течение этих периодов. На мелководных морских отложениях в кембрийском и меловом возрастах наблюдаются следы орбитально движимых изменений уровня моря.
Требуемые величины изменения уровня моря (около 5-20 м) намного меньше, чем те, которые наблюдались в ледниковом климате. Возможным источником этих колебаний могут быть колебания средней температуры воды океана. Вода расширяется по мере нагревания.
Другие причины изменения уровня моря в тепличные периоды связаны с колебаниями величины воды, удерживаемой во внутренних озерах и морях, и колебаниями объемов альпийских ледников. Глубоководные морские отложения мелового возраста также показывают колебания между оксигенированными и аноксическими условиями.
Изменение уровня моря в связи с изменением объема бассейна океана
Считается, что тектоника является основной движущей силой долгосрочных (550 млн. лет) изменений уровня моря. Тектоника плит изменяет форму и ареал океанических бассейнов.
Тектоника плит постоянно изменяет поверхностные особенности Земли, в то время как количество воды остается стабильным на протяжении последних четырех миллиардов лет. Эта перестройка изменяет общую площадь, занимаемую океанами, с течением времени.
Когда образуется суперконтинент, субдукция одного континента под другим уменьшает отношение континентальной части Земли к океанической, вызывая падение уровня моря. Примером может служить континентальная плита, включая Индию, которая ныряет под Азию для создания Тибетского нагорья и Гималайских гор. Это, вероятно, привело к падению уровня моря примерно на 70 м за последние 50 миллионов лет.
Процесс распада континента имеет обратный эффект. Континенты растягиваются, создавая пассивные окраины и увеличивая соотношение континентальной и океанической площади в глобальном масштабе. Это приводит к повышению уровня моря. Повышение уровня моря в результате распада континента за последние 200 миллионов лет составляет около 100 метров повышения уровня моря.
Некоторые батиметрические характеристики океана достаточно велики, чтобы вызывать значительные изменения в уровне моря по мере изменения его размеров и формы. Самой большой физико-географической особенностью на Земле является срединно-океаническая система хребтов, протяженностью около 60 000 км и шириной 500-2 000 км.
По центру этих гребней вдоль рифтов формируются новая океаническая кора и литосфера. Океаническая кора становится все холоднее и плотнее отдалаясь от разлома. Именно теплота формирования литосферы океана на самом деле порождает эту особенность. Таким образом, рифтинг континентов образует новые хребты, увеличивая пропорциональную площадь молодых, мелководных участков океана от более старых, глубоководных океанов.
Кроме того, ширина зависит от скорости, с которой пластины смещаются друг от друга. Быстрорастущие гребни очень широкие, а медленнорастущие гребни довольно узкие. Если средние скорости распространения для всех хребтов уменьшатся, средний объем поглощенных океаническими хребтами будет уменьшаться. В этом случае объем океанического бассейна, доступного для водных ресурсов, возрастет, и произойдет падение уровня моря.
Наконец, в процессе субдукции могут быть удалены целые хребты, что приведет к довольно быстрому падению уровня моря.
В целом, за последние 200 миллионов лет долгосрочные изменения уровня моря можно объяснить главным образом тектоникой. Оценки изменения уровня моря в результате изменения формы океана остаются весьма неопределенными. Масштабы и сроки растяжения, связанные с распадом континента, оценки сокращения во время континентальной сборки, объемы крупных магматических провинций и объемы срединно-океанических хребтов улучшаются по мере сбора данных. Однако точное совпадение прошлых континентов и океанов может быть загадкой только в силу того, что тектоника плит носит вторичный характер.
Изменения уровня моря являются результатом либо изменения объема океана, либо изменения объема воды, содержащейся в океане. Сроки изменения уровня моря варьируются от десятков тысяч лет до более 100 миллионов лет. Магнитуды также существенно различаются, но могут достигать 200 м и более. Оценки изменения уровня моря в настоящее время характеризуются значительными колебаниями неопределенности как по величине, так и по срокам. Однако ученые сходятся во мнении о последовательных оценках изменений уровня моря, используя совершенно разные данные и аналитические подходы.