Опровергнута связь между подъемом Гималаев и похолоданием в среднем неогене

Когда говорят о том, что содержание углекислого газа в атмосфере является одним из параметров, определяющих климат на Земле, обычно имеют в виду роль СО₂ как важнейшего парникового газа. Именно на этом основываются практически все палеоклиматические реконструкции. Но роль углекислоты в геохимических процессах, таких как вулканическая дегазация, выветривание силикатных пород и осаждение органического материала в океане, существенно шире. Причем все эти процессы (которые к тому же в определенной степени взаимосвязаны) могут с одной стороны быть драйверами климатических изменений, а с другой — зависеть от них. Результаты недавнего исследования показывают на примере конкретного геологического события, насколько неоднозначными могут быть последствия изменения содержания СО₂ в атмосфере: предполагавшаяся ранее связь между ростом молодых горных массивов (в первую очередь — Гималаев) и похолоданием, начавшимся в середине неогена, судя по анализу раковин морских одноклеточных организмов, не должна существовать.

Гималайские горы — самый высокий и один из самых молодых горных массивов на Земле — возникли на рубеже палеогена и неогена в результате столкновения Индийской и Евразийской литосферных плит (см. Движение континентов: 2. Возраст Гималаев). В течение всего неогенового периода происходил рост Гималайских гор (который, кстати, продолжается и в наши дни со скоростью несколько миллиметров в год). Особенно активным этот рост стал с середины неогена (примерно 15 млн лет назад). С тех же пор на планете наблюдалось устойчивое понижение температуры (рис. 2).

Рис. 2. Относительное изменение средней годовой температуры на Земле в олигоцене (Ol), миоцене (Mio), плиоцене (Pli) и плейстоцене (Plt). График построен на основе анализа изотопного показателя ?¹⁸O в ископаемых раковинах бентосных фораминифер и данных ледового бурения на станции Восток в Антарктиде. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Этот факт послужил основанием для появления гипотезы о связи глобального похолодания (продолжающегося с середины неогена практически до наших дней) с тектоническим подъемом крупных горных сооружений и активизацией процессов выветривания слагающих их силикатных пород. Речь идет о так называемой гипотезе подъема и выветривания Реймо. Она была высказана американским климатологом Морин Реймо (Maureen Raymo) с коллегами (M. E. Raymo et al., 1988. Influence of late Cenozoic mountain building on ocean geochemical cycles) и заключается в следующем.

В середине миоцена началось активное поднятие ряда крупных горных массивов — Тибетского нагорья, Гималайских гор, а также Анд и Кордильер (см. Тибетское нагорье поднялось позже, чем предполагалось,«Элементы», 15.03.2019). Быстрый рост гор вызывал их активное разрушение (физическое выветривание) с образованием больших запасов силикатных пород, открытых для химического выветривания (окисления и реакций с участием атмосферных осадков). В процессе химического выветривания с участием атмосферного СО₂ силикаты (минералы, слагающие силикатные породы) разлагались, а входящие в их состав элементы (К, Ca и Mg) переходили в растворимые соединения (карбонаты). Реки, берущие начало в горных областях, выносили эти соединения в океан, где карбонат кальция (CaCO₃) в виде кальцита связывался в раковинах морских организмов. После смерти этих организмов раковины осаждались на морское дно. Таким образом в течение миллионов лет СО₂ изымался из атмосферы, накапливаясь в виде карбоната кальция в океане. Атмосфера же, теряя главный парниковый газ, становилась всё более холодной. Постепенное похолодание, начавшееся в середине миоцена, закончилось серией оледенений четвертичного периода. И даже сейчас, несмотря на небольшой рост глобальных температур на планете, они остаются на 12–15°C ниже, чем были 15 млн лет назад.

Надо сказать, что гипотеза Реймо вступает в прямое противоречие с другой палеоклиматической гипотезой, выдвинутой известным американским геологом и геофизиком Робертом Бернером — одним из авторов первой модели глобального изменения концентрации углекислого газа атмосферы в течение геологического времени (R. A. Berner et al., 1983. Carbonate-silicate geochemical cycle and its effect on atmospheric carbon dioxide over the past 100 million years). Согласно гипотезе Бернера, процессы химического выветривания с ростом температур усиливаются, а при понижении температур замедляются. Поэтому, учитывая тот факт, что, начиная с середины миоцена глобальные температуры постоянно понижались, темпы химического выветривания должны были замедляться, а не нарастать. Бернер считает, что при понижающихся температурах даже ускоренный рост горных сооружений (вызывающий физическое выветривание) не будет приводить к увеличению темпов выветривания в целом, а главным палеоклиматическим фактором, по его мнению, является содержание СО₂ в атмосфере.

Существует ряд косвенных параметров, оценив которые можно выяснить, какая же из гипотез ближе к истине. Один из таких параметров — положение в палеоокеане уровня глубины, ниже которого кальцитовые раковины и карбонатные оболочки морских организмов полностью растворяются, не сохраняясь в осадочных отложениях. Это так называемая глубина карбонатной компенсации или глубина компенсации кальцита (calcite compensation depth, CCD), которая зависит от температуры, кислотно-щелочного баланса морской воды, а также от парциального давления СО₂ (рСО₂) в атмосфере. Чем ниже рСО₂ и чем выше щелочность, тем глубже находится линия CCD. В наше время, например, в связи с ростом содержания СО₂ в атмосфере и связанным с этим закислением океана, граница CCD перемещается с каждым годом все выше (см. Океаны с трудом справляются с поглощением антропогенного углекислого газа из атмосферы, «Элементы», 18.11.2018). Начиная с 1960-х годов граница CCD в некоторых районах Мирового океана поднялась почти на 300 м и сейчас находится в диапазоне от 3,5 до 5,5 км.

Но до этого в течение 15 млн граница CCD все время опускалась, понизившись с середины миоцена примерно на 500 м (в среднем — с 4,3 до 4,8 км, см. T. H. Van Andel, 1975. Mesozoic/cenozoic calcite compensation depth and the global distribution of calcareous sediments), что вроде бы хорошо согласуется с гипотезой Реймо: содержание СО₂ в атмосфере падало, а обладающие повышенной щелочностью речные потоки, насыщенные продуктами химического выветривания силикатных пород, попадая в океан, увеличивали рН его поверхностных слоев.

Но эффект понижения глубины CCD мог возникнуть и под влиянием только одного из этих двух факторов. Например, только при снижении парциального давления СО₂. Чтобы оценить, насколько велико было влияние повышения щелочности океана, возникающее в результате привноса речными потоками продуктов выветривания гор, ученые из Ратгерского университета в США изучили темпы накопления в осадочных отложениях (MAR — mass accumulation rates) позднего неогена массы основных групп Са-связующих морских организмов — кокколитофорид (MAR_coccolith) и планктонных фораминифер (MAR_foram). Авторы исходили из того, что при увеличении объема поступающих в океан продуктов выветривания должны увеличиваться и темпы накопления содержащих карбонат кальция осадочных отложений на дне океана (MAR_c).

Материалом для исследования послужили керны более чем 30 скважин, пробуренных в рамках Международного проекта бурения в океане (IODP — International Ocean Discovery Program). Естественно, для оценки брались только те части палеоокеанических бассейнов, где уровень дна находится выше границы CCD (рис. 3). Результаты исследования опубликованы недавно в журнале Nature Geoscience.

Рис. 3. Скважины программы IODP, материал из которых участвовал в исследовании. Цветовая шкала — весовой процент СаСО₃ в донных отложениях. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Авторы сравнивали полученные значения параметра MAR_c для среднего (13,5–11,5 млн лет назад) и позднего миоцена (7,5–5,3 млн лет назад) с аналогичными значениями для плейстоценовой эпохи (2,5–0 млн лет назад). В итоге оказалось, что для всех областей Мирового океана темпы накопления карбоната кальция в пелагической зоне в позднем неогене заметно сократились. Особенно заметно это сокращение для отложений, образовавшихся на небольших глубинах. Например, на глубинах около 2500 м значение MAR_c снизилось с 4 г/см² за тысячу лет в миоцене до 1,7 г/см² за тысячу лет в плейстоцене, для глубины 3000 м — с 2–3 до 1 г/см² за тысячу лет, а на глубинах более 4000 м этот параметр остался практически неизменным (около 1 г/см² за тысячу лет, рис. 4).

Рис. 4. Изменение темпов накопления карбоната кальция на разных глубинах (MAR_c, в г/см² за тысячу лет) в среднем миоцене (13,5–11,5 млн лет назад), позднем миоцене (7,5–5,3 млн лет назад) и плейстоцене (2,5–0 млн лет назад) в западной (а) и центральной (b) экваториальных частях Тихого океана. Волнистой линией отмечен уровень CCD. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

При этом снижение общих темпов накопления карбоната кальция происходило в основном за счет кокколитофорид, а объем фораминифер оставался примерно одинаковым. Кокколитофориды являются автотрофными организмами, синтезирующими органические вещества из неорганических. Поэтому именно они, в отличие от гетеротрофных фораминифер, служат прямыми индикаторами объемов привноса в океан продуктов выветривания. И снижение темпов их накопления никак не согласуется с гипотезой Реймо о том, что в позднем неогене нарастали темпы привноса в океан продуктов выветривания, но зато прекрасно согласуется с данными о том, что парциальное давление СО₂ в атмосфере в этот период понижалось. О том, что продуктивность кокколитофорид зависит от концентрации СО₂ в атмосфере можно прочитать в новости Фитопланктон реагирует на рост концентрации CO₂ не так, как ожидалось («Элементы», 21.04.2008).

Интересной представляется и динамика изменения размеров самих кокколитофорид — в плейстоцене они стали заметно мельче по сравнению со средним миоценом (рис. 5). Это тоже косвенным образом указывает на дефицит карбоната кальция, а также на снижение температуры в среде образования.

Рис. 5. Слева — крупные кокколитофориды среднего миоцена (16–11,6 млн лет), справа — более мелкие кокколитофориды плейстоценового возраста (2,6–0,01 млн лет). Фото одного из авторов исследования (Weimin Si) из популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Nature Geoscience

Результаты исследования показывают, что в позднем неогене снижение общего карбонатного накопления в океане стало следствием сокращения производства кокколитофорид в эвфотической зоне на фоне падения концентрации СО₂ в атмосфере и снижения средней температуры на планете, а понижение уровня CCD было связано прежде всего со снижением pСО₂, а не с повышением щелочности.

Тем самым в обсуждаемой работе получены данные, которые, по сути, опровергают гипотезу подъема и выветривания, косвенным образом подтверждая гипотезу Бернера о связи климатических изменений с циклическими изменениями концентрации углекислого газа в атмосфере. Но ее авторы пока не предлагают альтернативного объяснения снижения глобальных температур и концентрации СО₂ в атмосфере в позднем неогене, оставляя это для будущих исследований.

Источник: Weimin Si, Yair Rosenthal. Reduced continental weathering and marine calcification linked to late Neogene decline in atmospheric CO₂ // Nature Geoscience. 2019. № 12. РР. 833–838. DOI: 10.1038/s41561-019-0450-3.

Владислав Стрекопытов