Ртуть в ордовикских отложениях подтверждает вулканическую гипотезу первого массового вымирания

Рис. 1. Трилобиты — класс морских членистоногих, насчитывавший более 10 тысяч ископаемых видов. Многие из них прекратили свое существование в позднем ордовике (см. ордовикско-силурийское вымирание). Полностью трилобиты исчезли в период «великого» пермского вымирания. Изображение с сайта krumos.de

Массовые вымирания, когда за короткий промежуток времени полностью исчезали с лица Земли 30 и более процентов всех биологических видов, очевидно, происходили из-за существенного изменения условий на планете. Причины каждого, по всей видимости, различны, и невозможно со стопроцентной точностью установить, какие события вызвали то или иное массовое вымирание. Тем не менее, на основании доступных геологических данных можно предложить ряд гипотез о причинах конкретного вымирания. Так, ученые нашли косвенные подтверждения того, что на рубеже ордовика и силура имел место активный и продолжительный вулканизм, а его фазы совпадали по времени с фазами ордовикского вымирания.

В геологической истории было пять периодов массовых вымираний (рис. 2). Очевидно, что они были следствием резкого изменения условий на планете, однако у ученых не всегда есть единодушное мнение по поводу причин этих изменений. Среди возможных причин чаще всего называют: вулканическую активность глобального масштаба, изменение уровня Мирового океана, столкновение Земли с астероидами, падение метеоритов и даже катастрофическое разложение газогидратов. Если для третьего («великого» пермского) и четвертого (триасового) вымираний доминирующей является «вулканическая» гипотеза, то в отношении самого первого (ордовикского) вымирания все не так однозначно в связи с отсутствием крупных полей вулканических пород, относящихся к этому периоду.

Ртуть в ордовикских отложениях подтверждает вулканическую гипотезу первого массового вымирания

Рис. 2. Пять крупнейших вымираний в истории жизни на Земле: ордовикское — вымерли 50% всех семейств животных, включая многих трилобитов; девонское — вымерли 30% всех семейств животных, включая многих рыб и трилобитов; «великое» пермское — вымерли 60% всех семейств животных, включая 96% морских видов, 70% наземных видов позвоночных, многих насекомых, амфибий и всех оставшихся трилобитов; триасовое — вымерли 35% всех семейств животных, включая многих рептилий; меловое — вымерли 50% всех семейств животных, включая многие морские виды и всех динозавров. Ширина полосы отражает количество семейств. Изображение из книги “Discover Biology”, 3rd edition

К концу ордовикского периода жизнь, хотя и развивалась только в водной среде, достигла значительного разнообразия (рис. 3). Уже существовали представители почти всех типов и большинства классов морских беспозвоночных, а также первые позвоночные. Затем, в короткий период 445–443 млн лет назад произошли два всплеска вымирания. Первый всплеск приходится на начало хирнантского (ашгильского) века, когда в результате глобального похолодания южный континент Гондвана покрылся ледниковым щитом, произошли падение уровня мирового океана и отступление его границ, что привело к повреждению мест обитания живых организмов вдоль континентального побережья. Второй всплеск вымирания, имевший место в середине хирнантского века, происходил на фоне таяния ледников, потепления океанов и поступления на шельф вод, обедненных кислородом.

Ртуть в ордовикских отложениях подтверждает вулканическую гипотезу первого массового вымирания

Рис. 3. Образец известняка верхнеордовикской формации Либерти (штат Огайо, США) демонстрирует богатство морской фауны в конце ордовикского периода. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

Группа японских и американских ученых под руководством Дэвида Джонса (David S. Jones) из Амхерстского колледжа (штат Массачусетс, США) и Кунио Каихо (Kunio Kaiho) из университета Тохоку (Япония) решили проверить гипотезу о том, что в конце ордовикского периода все-таки имели место активные вулканические процессы, которые и могли явиться первичной причиной масштабных природных изменений. Для этого они изучили в осадочных отложениях периода катастрофы содержание ртути — элемента, однозначно имеющего вулканическое происхождение. В образцах морских осадочных пород возрастом 445–443 млн лет из штата Невада (палеоконтинент Лаврентия) и из Южного Китая действительно было обнаружено аномально много ртути. Результаты этого исследования изложены в журнале Geology.

Аномалии содержания ртути характерны для осадочных пород, образующихся в пределах всех крупных вулканических провинций. Единственным источником ртути в доантропогенный период (т.е. до появления на Земле человека) были вулканические извержения, во время которых ртуть выделяется в газообразной форме, накапливаясь затем в осадочных отложениях. Ртуть сохраняется в атмосфере достаточно долго — в течение 1–2 лет после извержений. Учитывая скорость процессов перемешивания атмосферы, этого достаточно, чтобы следы этого элемента зафиксировались на обширных территориях в одновозрастных осадочных отложениях. Поэтому, несмотря на то, что сами вулканические породы (базальты) по большей части подверглись выветриванию (разрушению) и не сохранились, накопление ртути в осадочных породах позднеордовикского возраста из разных частей планеты указывает на проявление в этот период достаточно активного вулканизма, который и мог стать причиной резких климатических изменений. Повлияло ли само по себе повышенное содержание ртути в атмосфере на исчезновение биологических видов, в исследовании не уточняется.

В изученных породах были выявлены три пика накопления ртути. Первый — в породах катийского (карадокского) яруса, второй приурочен к границе слоев катийского (карадокского) и хирнантского (ашгильского) ярусов. Еще один максимум накопления ртути связан с отложениями, формировавшимися непосредственно в период хирнантского максимума оледенения, после которого началось восстановление уровня океана. Полученные результаты позволяют говорить о том, что в позднем ордовике не просто имели место активные вулканические процессы, а это был многофазный (многоэтапный, когда этапы активизации чередовались с относительными паузами) вулканизм глобального масштаба.

Примечательным является тот факт, что первый всплеск вымирания, последовавший за проявлениями ранних фаз позднеордовикского вулканизма, происходил на фоне резкого глобального похолодания, а причиной второго, наоборот было глобальное потепление, которому предшествовал вулканизм поздних фаз. Могла ли вулканическая активность быть и в том и в другом случае причиной столь противонаправленных климатических изменений? Авторы считают, что и вулканическая зима и глобальное потепление, связанное с парниковым эффектом, — следствия разных фаз вулканизма.

Массовые извержения ранних фаз вулканизма могли вызвать активное формирование в стратосфере аэрозолей сульфатов, обладающих мощной отражательной способностью. Это привело к увеличению планетарного альбедо и резкому охлаждению поверхности Земли и вод океана, где тогда были сосредоточены все живые организмы. Вулканические же выбросы поздних фаз как раз были более богаты CO2, чем SO2, и с этим связана смена похолодания потеплением, с которым была связана вторая фаза ордовикского вымирания.

Именно резкое потепление, связанное с вулканической активностью и выбросами СО2, традиционно считается причиной «великого» пермского вымирания. Сравнивая ситуацию, предшествующую этим двум биосферным кризисам — ордовикскому и пермскому, — авторы указывают на коренное различие в «докризисных» глобальных климатических условиях. Климат позднего ордовика изначально был холодным, и большая часть континентальной суши была покрыта ледниками, площадь которых в результате кризиса только увеличилась. В поздней перми же континенты были лишены ледникового покрова, а теплый океан не дал ему возможности образоваться.

В ближайшем будущем авторы планируют использовать тот же геохимический метод для проверки «вулканической» гипотезы причины второго в истории Земли массового вымирания (девонского). Для этого они проведут анализы на ртуть осадочных отложений позднедевонского возраста из разных частей планеты.

Геохимический метод анализа содержаний ртути в осадочных породах уже применялся для сопоставления эпизодов вулканической активности и массового вымирания в конце триаса и в начале юры. О результатах подобных исследований в свое время писал журнал Nature Communications, а недавно была опубликована статья британских геологов в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ртуть в ордовикских отложениях подтверждает вулканическую гипотезу первого массового вымирания

Рис. 4. Расположение сохранившихся до настоящего времени фрагментов Центрально-Атлантической магматической провинции в пределах Пангеи. Изображение с сайта en.wikipedia.org

В частности, в статье в Nature Communications авторы — коллектив канадско-американских ученых — исследовали концентрации ртути в триасовых и раннеюрских морских отложениях из каньона Мюллер в Неваде. Известно, что произошедшее на рубеже триаса и юры массовое вымирание совпадает по времени с периодом активного вулканизма в пределах Центрально-Атлантической магматической провинции (Central Atlantic Magmatic Province — CAMP), охватывавшей центральную часть мегапалеоконтинента Пангея (рис. 4). Изотопный состав подтвердил вулканическое происхождение ртути. Изучив породы разреза, авторы выяснили, что высокие содержания ртути в нем сохраняются на протяжении временного интервала около 700 000 лет (примерно 201,6–200,8 млн лет назад), охватывающий конец триаса и начало юры. Следовательно, все это время вулканы извергались. Была установлена интересная закономерность: чем больше в осадочных слоях ртути, тем беднее в них разнообразие аммонитов и другой морской фауны. В слоях, максимально обогащенных ртутью, в качестве окаменелостей отмечаются лишь спикулы губок и микроскопические раковины улиток.

Основной вывод, который делают авторы статьи в Nature Communications по итогам исследования: массовые вымирания связаны с периодами не просто интенсивного, но именно длительного по времени, многофазного вулканизма. В течение всего этого периода вулканической активности экосистемы находятся в подавленном состоянии, а биоразнообразие начинает восстанавливаться только после полного окончания извержений в пределах CAMP. При этом процесс восстановления занимал значительное время (около 2 млн лет после начала вымирания и около 1 млн лет после окончания извержений), а не первые десятки или сотни тысяч лет, как считалось ранее. Главным фактором изменения климата, ставшего причиной массового вымирания на рубеже триаса и юры, был рост в атмосфере концентрации СО2, что привело не только к резкому росту температур, но и к закислению океана, что губительно сказалось на экосистемах коралловых рифов — главных центров жизни того времени. Сам же вулканизм в CAMP в конце триаса — начале юры был связан с расколом Пангеи и раскрытием Атлантики (см. История геологического развития Атлантического океана).

Ртуть в ордовикских отложениях подтверждает вулканическую гипотезу первого массового вымирания

Рис. 5. Земля в конце триасового периода. Буквами обозначены места, в которых были проведены исследования пород. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Группа британских ученых под руководством Лоренса Персивала (Lawrence M. E. Perceval) из Оксфордского университета недавно опубликовали в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences результаты аналогичных исследований, но более широких по охвату образцов (рис. 5). Здесь также использовалась ртуть в качестве маркера вулканической активности. Образцы отбирались из углеродсодержащих пород, перемежающихся с вулканическими базальтами, а также из одновозрастных осадочных отложений за пределами САМР. Авторы подтвердили гипотезу о том, что многофазность базальтового вулканизма является характерной чертой всей Центрально-Атлантической магматической провинции.

Все три исследования объединяют не только единый подход и использование одного и того же геохимического метода анализа ртути в осадочных породах, но и общность выводов, в соответствии с которыми массовые вымирания связаны именно с длительными периодами вулканической активности, когда выбросы СО2 и прочих вулканических газов поступали в атмосферу эпизодически в течение продолжительного времени, не давая экосистемам восстановиться.

Источник: elementy.ru

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

5 + 19 =