Ртуть в ордовикских отложениях подтверждает вулканическую гипотезу первого массового вымирания

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.

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”, 3^rd 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.

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.

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).

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.

Источники:
1) David S. Jones, Anna M. Martini, David A. Fike, Kunio Kaiho. A volcanic trigger for the Late Ordovician mass extinction? Mercury data from South China and Laurentia // Geology. 2017. V. 45. P. 631–634. DOI: 10.1130/G38940.1.
2) Alyson M. Thibodeau, Kathleen Ritterbush, Joyce A. Yager, A. Joshua West, Yadira Ibarra, David J. Bottjer, William M. Berelson, Bridget A. Bergquist, Frank A. Corsetti. Mercury anomalies and the timing of biotic recovery following the end-Triassic mass extinction // Nature Communications. 2016. DOI:10.1038/ncomms11147.
3) Lawrence M. E. Percival, Micha Ruhl, Stephen P. Hesselbo, Hugh C. Jenkyns, Tamsin A. Mather, Jessica H. Whiteside. Mercury evidence for pulsed volcanism during the end-Triassic mass extinction // PNAS. 2017. DOI: 10.1073/pnas.1705378114.

Владислав Стрекопытов

Источник: elementy.ru