Формирование сибирских траппов сопровождалось горением большого количества каменного угля

Грандиозная вспышка вулканической активности в конце перми — начале триаса на территории нынешней Сибири считается главной причиной крупнейшего вымирания, радикально изменившего структуру земной биосферы. Вымирание сопровождалось резким падением доли тяжелого изотопа углерода (?¹³C) в морских карбонатных отложениях. Причины скачка ?¹³C и его связь с вулканизмом и вымиранием остаются дискуссионными. В ходе изучения вулканических пород, сформировавшихся на относительно раннем этапе сибирского траппового вулканизма примерно во время пика массового вымирания, геологи из США, Канады и России обнаружили явные признаки горения каменного угля, а также фрагменты горелой древесины, что указывает на лесные пожары. Новые данные согласуются с гипотезой о том, что снижение ?¹³C в морских карбонатах объясняется выбросом в атмосферу огромного количества «легкого» углерода в результате сгорания залежей каменного угля, сквозь которые прорывалась поднимающаяся из недр магма. Новые данные также согласуются с идеей о том, что значительный вклад в вымирание могло внести быстрое потепление, закисление океана и другие последствия резкого роста содержания CO² в атмосфере.

Массовое вымирание на рубеже перми и триаса было крупнейшей экологической катастрофой, которая привела к радикальной перестройке морских и континентальных сообществ. На «Элементах» регулярно публикуются материалы о новых исследованиях, проливающих свет как на причины великого вымирания, так и на его последствия (см. ссылки в конце новости).

Большие успехи, достигнутые в этой области в последние годы, связаны с изучением наиболее информативных геологических разрезов морских и континентальных осадочных пород, позволяющих с большой детальностью проследить последовательность событий в последние сотни тысяч лет пермского периода и в первые сотни тысячелетий триаса, с быстрым совершенствованием методов радиометрического датирования вулканических пород (например, прослоев пепла), а также с детальным изучением Сибирских траппов (см.: Siberian Traps).

На сегодняшний день у большинства специалистов не осталось сомнений в том, что главной причиной кризиса был трапповый вулканизм — грандиозный всплеск вулканической активности на территории нынешней Сибири (которая, как и почти вся остальная суша, входила тогда в состав единого континента Пангеи). Были попытки связать пермотриасовое вымирание с падением крупного астероида или кометы, но они не увенчались успехом, причем не столько из-за отсутствия подходящего кратера, сколько из-за несоответствия этой гипотезы геохимическим данным. Прочие альтернативные теории тоже не могут объяснить всех имеющихся фактов.

Мантийный плюм (восходящий поток перегретой магмы) в течение сотен тысячелетий прокладывал себе путь к поверхности, постепенно разрушая твердые породы литосферы (см.: Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение, «Элементы», 19.09.2011). В какой-то момент магма начала прорываться сквозь многокилометровую (3,0–12,5 км) толщу карбонатных осадочных пород Тунгусского бассейна, богатую нефтью, газом и особенно каменным углем, сформировавшимся в течение каменноугольного и пермского периодов. Средняя мощность угольных залежей Тунгусского бассейна — порядка 100 м.

Магма вклинивалась между слоями осадочных пород, образуя силлы и иные интрузии. Начались взрывные извержения, приводившие к формированию мощных слоев обломочных вулканических (пирокластических) пород (см.: Пирокластический материал). Ну и наконец, в качестве вишенки на торте, всё это сверху залило сотнями тысяч кубических километров базальтовой лавы. Общий объем всех вулканических пород Сибирских траппов (интрузий, пирокластических пород и лав) составляет примерно 3?10⁶ км³. Причем это только то, что сохранилось до наших дней, а изначальный объем наверняка был намного больше.

Разумеется, все эти страшные события не были одномоментыми. Согласно современным датировкам, вулканическая активность началась как минимум 252,4–252,3 млн лет назад, то есть за полмиллиона лет до рубежа перми и триаса, к которому приурочен пик вымирания (251,9 млн лет назад), и продолжалась еще полмиллиона лет после (до 251,4 млн лет назад) (S. D. Burgess, S. A. Bowring, 2015. High-precision geochronology confirms voluminous magmatism before, during, and after Earth’s most severe extinction).

Влияние траппового вулканизма на фауну и флору во многом определялось изменениями в составе атмосферы. На разных этапах формирования сибирской трапповой провинции происходили выбросы в атмосферу огромных объемов CO₂ и других газов, в том числе сероводорода и хлороводорода. Это вело к множеству неприятных для обитателей планеты последствий.

В частности, выбросы галогенов (см.: Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания, «Элементы», 25.09.2018) способствовали вымиранию через разрушение озонового слоя и закисление океана (см.: Доказана роль резкого закисления океана в массовом вымирании на рубеже пермского и триасового периодов, «Элементы», 14.04.2015).

Выбросы сероводорода вкупе с потеплением, эвтрофикацией прибрежных вод (из-за усиленного сноса в море биогенных элементов, прежде всего фосфора — это еще один результат вулканизма) и буйным цветением цианобактерий (о нем свидетельствуют колебания изотопного состава азота в осадочных породах) вели к аноксии, которая, как известно, не способствует процветанию многоклеточной жизни (см.: Важной причиной вымирания морских животных в конце пермского периода была нехватка кислорода, «Элементы», 17.01.2019).

Выбросы CO₂ привели к резкому росту содержания этого парникового газа в атмосфере: от 500–4000 ppm (частей на миллион) в конце пермского периода, что уже и так многовато и соответствует жаркому климату, до устрашающих значений порядка 8000 ppm на пике вымирания. Для сравнения, уровень CO₂ в июне 2020 года — 416 ppm. Рост концентрации CO₂ способствовал закислению океана и гибели животных с карбонатными скелетами, а парниковый эффект привел к быстрому разогреву вод тропических морей от 22–25 до 30°C, что тоже внесло свою лепту в вымирание (Y. Cui, L. R. Kump, 2014. Global warming and the end-Permian extinction event: Proxy and modeling perspectives).

Данные по избирательности пермотриасового вымирания (например, то, что сильнее всего пострадали «физиологически незабуференные» животные, см.: Долгосрочный эволюционный успех обеспечивается не ускоренной диверсификацией, а устойчивостью к изменениям среды, «Элементы», 02.03.2020) согласуются с идеей о том, что главной причиной вымирания были изменения в составе атмосферы, вызванные трапповым вулканизмом (J. L. Payne, M. E. Clapham, 2012. End-Permian Mass Extinction in the Oceans: An Ancient Analog for the Twenty-First Century?).

Пермотриасовое вымирание не было одномоментным событием. По-видимому, массовая гибель наземной фауны и флоры в некоторых регионах происходила раньше рокового рубежа 251,9 млн лет назад, на который приходится пик вымирания морской фауны. Например, для наземных позвоночных Южной Африки указывается дата 252,24 млн лет, а для австралийской флоры — 252,31 млн лет (см.: Массовое пермское вымирание на суше началось раньше, чем в океане, «Элементы», 13.04.2020). Эти датировки соответствуют более ранним этапам сибирского траппового вулканизма по сравнению с «главным» эпизодом вымирания морской фауны. Впрочем, и в морских отложениях в некоторых регионах есть свидетельства не одного, а двух эпизодов вымирания, разделенных десятками тысячелетий (см.: Доказана роль резкого закисления океана в массовом вымирании на рубеже пермского и триасового периодов, «Элементы», 14.04.2015).

Есть мнение, что продолжавшийся еще долго после рубежа перми и триаса трапповый вулканизм мог задержать посткризисное восстановление биоты. Также заслуживает дополнительного изучения ситуация с насекомыми. В данных по пермским и раннетриасовым насекомым российские палеонтологи вообще не смогли увидеть массового вымирания, а увидели скорее что-то похожее на медленный упадок — хотя здесь нужно помнить о фрагментарности ископаемой летописи насекомых и огромных трудностях с датировками. При этом в межтрапповых осадочных породах в Сибири найдены остатки лесной растительности и разнообразных насекомых, в том числе относящихся к уже новым, мезозойским семействам (А. П. Расницын, 2012. Когда жизнь и не думала умирать). Возможно, это говорит об очень раннем начале восстановления наземной биоты в самом эпицентре катастрофы.

Рис. 2. Схема «эталонного» (см.: Global Boundary Stratotype Section and Point) геологического разреза для границы перми и триаса в Мэйшане (южный Китай). Показаны датировки слоев вулканического пепла в миллионах лет (Ma). Многочисленные кристаллы циркона из каждого из этих слоев были датированы уран-свинцовым методом. Горизонтальной серой полосой отмечен интервал массового вымирания морской фауны (Extinction Interval). Показаны колебания доли тяжелого изотопа углерода в морских карбонатах (?¹³C carb). Видно, что интервал вымирания совпадает с резким кратковременным снижением этого показателя. Рисунок из статьи S. D. Burgess et al., 2014. High-precision timeline for Earth’s most severe extinction

Тем не менее, пик вымирания всё-таки приурочен к очень короткому временному интервалу, длительность которого оценивается в 60 ± 48 тысяч лет (от 251,941 ± 0,037 до 251,880 ± 0,031 млн лет назад) (S. D. Burgess et al., 2014. High-precision timeline for Earth’s most severe extinction). Граница перми и триаса, которую проводят по появлению конодонтов Hindeodusparvus, находится в пределах этого интервала: ее «официальный» возраст по международной стратиграфической шкале 2020 года — 251,902 ± 0,024 млн лет.

Яркой особенностью рубежа перми и триаса является резкое снижение доли тяжелого изотопа углерода (?¹³C) в морских карбонатных отложениях (рис. 2). Этот скачок в пределах геохронологической погрешности совпадает с пиком вымирания и прослеживается не только в «эталонном» разрезе в Мэйшане, но и во многих других точках по всему миру. Причины скачка не до конца ясны, но если мы хотим иметь полное и адекватное преставление о событиях на кризисном рубеже, то в них необходимо разобраться. Понятно, что скачок, скорее всего, был вызван выбросом в атмосферу большого количества углерода с облегченным изотопным составом. Но остается вопрос об источнике этого «легкого» углерода.

Статья коллектива геологов из США, Канады и России, опубликованная в журнале Geology, проливает новый свет на эту загадку. Авторы исследовали образцы древнейших вулканических пород Сибирской трапповой провинции, а именно обломочных пирокластических пород, которые там, где есть непрерывная последовательность слоев (например, в многочисленных обнажениях по берегам Ангары и Нижней Тунгуски), залегают непосредственно под первыми лавами (см.: Flood basalt). Мощность этих пирокластических слоев максимальна в южной части провинции: в районе Туры и южнее она составляет более 600 м, в Маймеча-Котуйском районе — 200–300 м, в районе Норильска — всего несколько метров (рис. 3).

Рис. 3. Карта Сибирской трапповой провинции с точками отбора проб пирокластических пород, залегающих под лавами. Красными сплошными кругами отмечены пробы, в которых есть следы горения угля, голубыми пунктирными — пробы, в которых такие следы не были обнаружены. Черные точки — места сбора проб в рамках более крупного проекта по изучению Сибирских траппов. На карте светло-сиреневым цветом показаны лежащие на поверхности базальтовые лавы, темно-сиреневым — туфы (пирокластические породы), зеленым — интрузивные породы, розовым — осадочные породы — угленосные толщи Тунгусского бассейна. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geology

Исследователи сфокусировались на органическом материале, входящем в состав этих сравнительно слабо изученных пород, с целью обнаружить признаки горения угля. Дело в том, что ранее в районе, весьма далеком от эпицентра катастрофы, а именно в Арктической Канаде, в морских отложениях, сформировавшихся непосредственно перед массовым вымиранием, был найден пепел, удивительно похожий на тот, что образуется при сгорании каменного угля (S. E. Grasby et al., 2011. Catastrophic dispersion of coal fly ash into oceans during the latest Permian extinction). Это, естественно, наводит на мысль о быстром сгорании большого количества угля Тунгусского бассейна при контакте с магмой, что могло бы объяснить и резкий рост CO₂ в атмосфере, и изотопную аномалию, поскольку углерод каменного угля имеет сильно облегченный изотопный состав. Однако для полноты картины не хватало доказательств горения угля, найденных непосредственно в породах Сибирской трапповой провинции. Именно этот пробел и восполняет обсуждаемая статья.

В общей сложности было изучено 16 проб пирокластических пород с берегов Ангары, Нижней Тунгуски и Подкаменной Тунгуски, а также по три пробы из двух северных районов (Норильск и Маймеча-Котуй, рис. 3).

В 11 пробах из 22 обнаружены многочисленные, иногда довольно крупные органические включения, которые были изучены с особой тщательностью (рис. 4). По результатам всестороннего анализа их разделили на три класса. Первый класс составляют фрагменты каменного угля разной степени термической переработки. Второй класс — ничто иное, как куски горелой древесины (они отличаются высоким содержанием органики и следами воздействия высоких температур в поверхностном слое, менее измененной сердцевиной и характерными трещинами). Наконец, третий класс — это характерные продукты сгорания каменного угля, в том числе так называемые ценосферы (см. Cenosphere), которые формируются при быстром нагревании органического материала до очень высоких температур (порядка 1300°C). Эти ценосферы мало отличаются от тех, что в наши дни образуются при сжигании угля на тепловых электростанциях. Такие же ценосферы ранее были найдены и в Арктической Канаде в слое пепла, о котором говорилось выше.

Рис. 4. Органические включения в пирокластических породах Сибирской трапповой провинции. A, B — недогоревшие фрагменты каменного угля (район Туры), C — вкрапления переплавленного угля в образце из-под Норильска, D — мягкие битуминозные включения в долерите из шахты под Усть-Илимском. Изображение из обсуждаемой статьи в Geology

В изученных пробах признаки горения угля и древесины становятся более выраженными в направлении с севера на юг: меньше всего их в пробах из Норильска и Котуя, где и слой пирокластических пород самый тонкий. Впрочем, ранее были описаны графитовые, битуминозные и карбонатные включения в норильских лавах и силлах. В шахте под Норильском есть зона контакта одного из ранних лавовых потоков непосредственно со слоем каменного угля, причем видно, что уголь переходил в жидкое состояние и заполнял трещины в остывающей лаве. Так что органические материалы, по-видимому, вовсю горели не только в южной и центральной, но и в северной части Сибирской трапповой провинции.

Таким образом, исследование подтвердило, что в ходе сибирского траппового вулканизма имели место и лесные пожары, и масштабное горение каменного угля, причем происходило это не в каком-то одном месте, а на обширной территории. Эти события по времени совпадают (в пределах погрешности) со скачком ?¹³C в морских отложениях. Как раз в это время формировались обширные силлы (то есть магма вклинивалась между горизонтальными слоями осадочных пород, вступая тут и там в контакт с угольными пластами). Это должно было способствовать взрывным извержениям, лесным пожарам и формированию пирокластических толщ. На поверхность базальтовые лавы стали изливаться чуть позже.

Углерод, попадающий в атмосферу при дегазации магмы и из перегретых карбонатов, слишком «тяжелый», чтобы объяснить наблюдаемое снижение ?¹³C в морских карбонатах. «Легкий» органический углерод из каменного угля и древесины — это совсем другое дело. Авторы рассчитали, сколько такого углерода нужно было выбросить в атмосферу, чтобы вызвать наблюдаемую изотопную аномалию: от 6000 до 10 000 гигатонн. Угля Тунгусского бассейна, который мог сгореть при контакте с магмой, было для этого более чем достаточно. Его запасы и сейчас оцениваются в 10⁴–10⁵ гигатонн углерода, а ведь помимо угля там полно нефти и другой органики.

Один из главных аргументов противников теории о ключевой роли траппового вулканизма в пермотриасовом вымирании (таких противников мало, но они еще есть) состоит в том, что трапповый вулканизм в истории Земли происходил неоднократно, но не каждое такое событие сопровождалось массовым вымиранием. Ответ на это возражение отчасти связан с особенностями химического состава магмы, сформировавшей сибирские траппы. Судя по всему, этот состав оказался особо зловредным (см.: Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания, «Элементы», 25.09.2018). Еще один возможный ответ следует из обсуждаемой работы: мантийный плюм угораздило подняться из недр как раз под толщей осадочных пород с огромным количеством органики, что привело к выбрасыванию в атмосферу нескольких дополнительных триллионов тонн углерода. Кстати, похожая история и с Чиксулубским метеоритом: на Землю падали и другие крупные астероиды, но именно этот угораздило упасть в мелкое море с высоким содержанием серы в донных осадках (S. Ohno et al., 2014. Production of sulphate-rich vapour during the Chicxulub impact and implications for ocean acidification).

Источник: L. T. Elkins-Tanton, S. E. Grasby, B. A. Black, R. V. Veselovskiy, O. H. Ardakani, F. Goodarzi. Field evidence for coal combustion links the 252 Ma Siberian Traps with global carbon disruption // Geology. 2020. DOI: 10.1130/G47365.1.

Александр Марков