5. Sedimentační cykly

Vývoj planetární geologie, pozorování Země ze satelitů, stoupající úroveň výsledků geofyziky, nové geologické poznatky aj. přivedly geology k formulování globální historie Země, biologických, klimatických a geologických změn na ní. Geology zajímá, proč se určité soubory vrstevních sledů v čase a v prostoru opakují, proč některé stratigrafické jednotky lze korelovat na značné vzdálenosti. Vývoj cyklických změn souvisí s mnoha mechanismy, které se projevují v různých časových dimenzích. Podle časových kritérií se rozlišují sedimentační cykly 6 řádů (obr. 4).

Cykly 1. řádu jsou cykly nejdelšího trvání – úplný cyklus trvá 250 – 400 (500) milionů let. Na Zemi jsou cykly 1. řádu sledovatelné za období asi 2 miliard let. Tyto cykly souvisejí s tepelným tokem v kůře a plášti, vedoucí k vytváření termických dómů, k riftingu, k formování a rozpadu kontinentů, k rozpínání oceánského dna (sea-floor spreading) apod.

Cykly 1. řádu (v sedimentárním záznamu supersekvence) pro období fanerozoika na základě vypočítané křivky vzestupu a poklesu oceánské hladiny ilustruje Vail (obr. 1, 1977). Jeho křivka dokládá dvě významná maxima mořských transgresí (svrchní kambrium až mississip a křída) a jedno období podstatné regrese (pennsylvan až jura) – obr. 2.

obr2

Obr. 1. Změny hladiny oceánů během fanerozoika, upraveno podle Vaila (1977).

Obrázek1

Obr. 2. Období skleníkového a ledárenského klimatu ve fanerozoiku (upraveno podle Nicholse, 1999) .

Modely jsou spojovány s deskovou tektonikou doprovázející rozpad Rodinie, tvorbu a rozpad superkontinentu Pangea. Přidávají se též konvekční proudy a tepelný tok, které vyvolávají změny v magnetickém poli Země. Dlouhodobě vysoká oceánská hladina je doprovázena klimatem skleníkového typu (greenhouse – G), kdy klima je globálně stejné a poměrně teplé. Opakem je klima ledárenského (mrazírenského) typu (icehouse – I), kdy při nízké vodní hladině je klima proměnlivé.

Cykly 2. řádu, označované též jako supercykly (v sedimentárním záznamu megasekvence), mají časové rozpětí 10 až 100 milionů let. Konvekční proudy v plášti vedou k sérii kolizí kontinentálních desek a k riftovým událostem v průběhu formování a rozpadu superkontinentů. Riftové události jsou následovány rychlým rozpínáním mořského dna, zatímco kolize dočasně proces rozpínání končí. Aktivními centry rozpínání jsou vyklenované oblasti středooceánských hřbetů, spojené s termální expanzí vyvolanou přítomností žhavého magmatu. Periody historie Země, charakteristické četnými centry aktivního rozpínání nebo vysokým stupněm rozpínání oceánských den, jsou periodami vysoké hladiny oceánu.

Načasování riftingů a kolisí však neexistuje. Jsou v podstatě náhodné v periodách 10 – 100 milionů let. Projevují se změnami mořské hladiny s amplitudou až několik set metrů.

Cykly 3. řádu, označované v angličtině jako mesothemy nebo megacyklothemy, (v sedimentárním záznamu sekvence, obr. 3) zahrnují časová rozpětí 1 – 10 milionů let. Mohou být rovněž podmíněny rozpínáním, ale bývají též glacieustatického původu nebo mohou být odezvou regionálních tektonických pochodů.

Obr. 3. Sekvence, příklad členění hemipelagické karbonátové sekvence, křída, Butkov (foto P. Skupien).

Cykly 4. až 6. řádu

Cykly 4. řádu, označované v angličtině jako cyklothemy (v sedimentárním záznamu jako subsekvence), resp. hlavní (velké) cykly, mají trvání řádově ve statisících let. Cykly 5. a 6. řádu (malé cykly) trvají desetitisíce let. Jsou podmíněny astronomickými silami (obr. 4). Jedná se o příčiny, které jako prvý rozpoznal Milankovič. Po něm jsou nazvány jako Milankovičovy cykly.

Obr. 4. Hierarchické členění sekvencí od supersekvencí až po základní (precesní) Milankovičovy cykly v sedimentárním záznamu (podle Michalíka et al., 1999).

Variace zemské oběžné dráhy vyvolávají změny v objemu slunečního záření, které dopadá na zemský povrch, a to v periodách desítek až stovek tisíců let. Mají hlavní vliv na globální klima a podmiňují narůstání nebo naopak rozpouštění polárních kápí krytých kontinentálním ledovcem. Transformace oceánských vod do podoby polárních čepic podmiňuje klesání oceánské hladiny až o několik stovek metrů.

Milankovičovy cykly jsou skutečnými, opakujícími se událostmi, vyvolanými vlivem oběhu Země, projevující se množstvím dopadající sluneční energie na zemský povrch. Žádný jiný stratigrafický cyklus se nevyznačuje takovou pravidelností opakování.

obr.35

Obr. 5. Základní cyklické variace v orientaci zemské osy (Michalík et al., 1999).

Základní cyklické variace v orientaci zemské osy a parametry oběžné dráhy Země kolem Slunce mají následující periody (obr. 5):

a) cca 106 až 410 tisíc let – excentricita oběžné dráhy Země (cykly 4. řádu): Země se kolem Slunce pohybuje po eliptické oběžné dráze.

b) cca 41 tisíc let – cyklické kolísání úhlu ekliptiky o 3⁰ podle úklonu osy rotace Země k rovině oběžné dráhy (cykly 5. řádu, obr. 6). Orientace osy rotace též podmiňuje větší tepelné rozdíly na severní než na jižní polokouli, neboť ovlivňuje úhel, pod kterým dopadají sluneční paprsky na Zemi.

c) cca 25 tisíc let (cykly 6. řádu, obr. 7) – tzv. sumární lunisolární precesní perioda (nyní 23 a 19 tisíc let; perihelium - přísluní). Zemská osa za 25 700 let opisuje dvojitou kuželovou křivku, vyvolanou přitažlivostí Slunce a zemských hmot rozmístěných v elipsoidu (nikoliv kouli). Přitažlivost Slunce se snaží naklonit zemskou osu kolmo k ekliptice. Další vliv na precesní křivku Země má též Měsíc.


Obr. 6. Cykly 5. řádu, jura, Anglie (www.soton.ac.uk/~imw/kimerbay.htm).	Obr. 7. Cykly 6. řádu (epswww.unm.edu/facstaff/dolomite).

Termální stav na povrchu Země je v podstatě výsledkem rozdílu mezi termálním příkonem ze Slunce a výdajovým tepelným tokem (tepelným vyzařováním do vesmírného prostoru), když obvykle jeden z činitelů převyšuje druhý. Množství tepla zachycovaného Zemí závisí na několika činitelích. Jedním je odrazivost zemského povrchu pro sluneční záření – zemské albedo – které je různé podle povahy povrchu. Povrch kontinentů (bez sněhové pokrývky) odráží 5 až 30 % dopadajícího tepelného slunečního záření a má vyšší albedo než mořská hladina (odráží 2 až 10 %). Čím větší byl povrch moří v té části zemského povrchu, která je Sluncem efektivně ozařována (což je rovníkový pás do 40^o jižní a severní zeměpisné šířky), tím méně tepla se do vesmíru odráželo. Čím větší množství kontinentů se nakupilo v ekvatoriální oblasti, tím byla tepelná bilance Země ovlivněna nepříznivěji a naopak.

V dobách, kdy systém oceán – atmosféra přijímal více tepla než vydával, docházelo k celkovému oteplení zemského klimatu – docházelo k expanzi teplých zón na úkor chladných polárních oblastí. V tropech průměrná teplota příliš nestoupla, ale v polárních prudce s důsledkem tání. Oteplením v polárních oblastech se silně snížil zemský teplotní gradient (rozdíl teploty mezi póly a rovníkem). Byl-li teplotní gradient nižší, klesala intenzita větrů a mořských proudů. Povrchové proudy mohly být tak slabé, že nebyly schopné vytlačovat hlubinnou oceánskou vodu. Ve stagnující vodě klesal obsah kyslíku (euxinická období). Při opačném klimatu (když ledovcové čepice dosahovaly až k moři) chladná okysličená voda proudila od pólů do ekvatoriální zóny.