Эвксиния и закисление океана — две главные причины вымирания морской фауны в конце триаса

Рис. 1. Породы позднетриасового возраста в штате Нью-Джерси (США). Массивная толща базальтовых лав (более темная порода) перекрывает красноватые осадочные породы со следами вымирания (здесь на фото отмечена граница между породами). Изображение с сайта eurekalert.org

Одно из пяти массовых вымираний фанерозоя, произошедшее на рубеже триасового и юрского периодов, совпадает по времени с началом распада суперконтинента Пангеи и началом активного вулканизма в рифтовой зоне на месте будущего Атлантического океана. Однако непосредственная причина этой экологической катастрофы до сих пор не определена, а гипотезы, объясняющие ее механизмы, часто противоречат друг другу. Ученые из Австралии, Великобритании и США предложили модель, связывающую между собой биологические, магнитостратиграфические, литологические и изотопные данные различных наблюдений. Авторы предполагают, что в конце триасового периода действовали сразу два триггера вымирания морской фауны: повышение кислотности океана из-за выбросов CO₂ и рост концентрации в нем сероводорода.

Позднетриасовое (триасово-юрское) массовое вымирание произошло на рубеже триасового и юрского периодов. Пик вымирания по современным оценкам пришелся на момент 201,3 млн лет назад, а его результатом стала гибель не менее половины живших тогда видов. Всего за 10 тысяч лет из геологической летописи исчезло 23–34% всех морских видов, в том числе весь класс конодонтов. Очень сильно пострадали морские организмы, использующие для построения своих раковин или скелетов кальций: двустворчатые, головоногие, брахиоподы, известковые губки и кораллы. В меньшей степени спад биоразнообразия отмечался среди наземных видов растений и животных.

По времени вымирание непосредственно предшествовало распаду суперконтинента Пангея, объединявшего в позднем палеозое и раннем мезозое все существовавшие тогда материки — Гондвану, Лавруссию и Сибирь. В позднем триасе Пангея раскололась на две половины — западную и восточную, разделенные зарождающимся Атлантическим океаном. А вдоль линии раскола начались массовые извержения базальтовых вулканов, объединенных в крупнейшую на Земле Центрально-Атлантическую континентальную магматическую провинцию (см. Central Atlantic magmatic province — CAMP, рис. 2).

Рис. 2. Расположение сохранившихся до настоящего времени фрагментов Центрально-Атлантической магматической провинции в пределах Пангеи. Изображение с сайта en.wikipedia.org

В 2013 году была доказана полная синхронность начала позднетриасового вымирания с первой фазой базальтового вулканизма CAMP (T. J. Blackburn et al., 2013. Zircon U-Pb Geochronology Links the End-Triassic Extinction with the Central Atlantic Magmatic Province). После этого большинство ученых для объяснения причин вымирания отталкиваются от этого события. Считается, что за короткий период вулканы CAMP извергли огромное количество лавы и газа, включая двуокись углерода, серу и метан. Этот внезапный выброс газов вызвал резкое потепление и закисление океанов, что в конечном итоге привело к гибели тысяч видов растений и животных.

Различные геологические и палеоклиматические данные подтверждают, что в конце триаса резко потеплел климат и повысился уровень Мирового океана, а причиной были вулканические выбросы (см. новость Вулканических выбросов СО₂ в конце триаса было достаточно для резкого потепления, «Элементы», 08.05.2020). Однако здесь не все так однозначно. Дело в том, что наряду с сильными парниковыми газами, такими как двуокись углерода и метан, при вулканических извержениях выделяется большое количество диоксида серы, наличие которого в атмосфере способствует похолоданию.

Исследователи из Австралии, Великобритании и США под руководством Клити Грайс (Kliti Grice) из Университета Кертина изучили биомаркеры и изотопно-геохимические индикаторы в осадочных породах на юго-западе Великобритании, в зоне Бристольского залива. Толща известняков и сланцев в этом районе охватывает временной интервал от 208 до 195 млн лет назад, предоставляя ученым уникальную возможность проследить, как менялись условия и видовой состав фауны в одном и том же прибрежном морском бассейне непосредственно до и после позднетриасового вымирания.

Временная граница 201,3 млн лет разделяет залегающие ниже нее формации Лилсток (Lilstock Formation) и Вестбери (Westbury Formation), объединенные в группу Пенарт (Penarth Group), относящуюся к рэтскому ярусу триасовой системы, и расположенную выше толщу формации Блю-Лейас (Blue Lias Formation), охватывающую два нижних яруса юрской системы — синемюрский и геттангский (рис. 3).

Рис. 3. Биологические, магнитостратиграфические, литологические и изотопно-геохимические индикаторы смены условий на границе 201,3 млн лет назад (показана красной линией). Слева направо показаны: период кризиса кальцификации (Calcification crisis); интервалы встречаемости морских организмов, использующих для построения своих раковин или скелетов кальций, и кальциевого нанопланктона; магнитостратиграфическая шкала с периодами прямой (черным), обратной (белым) и неясной (серой) полярности; палеостратиграфические интервалы по фораминиферам; палинологические зоны; палеонтологические зоны по аммонитам; геологические формации; горизонты; литологический разрез; графики изменения δ¹³C_org по трем разным источникам. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geology, с изменениями

Резкое изменение условий в самом конце триаса фиксируется отчетливой отрицательной аномалией изотопного индикатора продуктивности биосферы δ¹³C_org в известняках формации Лилсток. Однако смена биологических видов наблюдается выше — в породах формации Блю-Лейас. В тонкослоистых, богатых органическим углеродом аргиллитах (бумажных сланцах), залегающих в самом основании этой формации, полностью отсутствуют конодонты, двустворчатые и другие организмы, секретирующие карбонат кальция СаСО₃. Микрофоссилии кальциевого нанопланктона и раковины аммонитов появляются выше, когда бумажные сланцы сменяются смешанной сланцево-известняковой толщей.

Весь начальный этап накопления формации Блю-Лейас относится к так называемому периоду кризиса биокальцификации, связанному с закислением океана. На глобальном уровне о кризисе биокальцификации свидетельствует значительное уменьшение в самом начале юрского периода количества осадочных карбонатных пород и биогенных карбонатов, связанных с кораллами, известковым нанопланктоном, бентосными фораминиферами и двустворчатыми моллюсками.

Помимо свидетельств декальцификации, авторы обнаружили в базальной (самой нижней) пачке формации Блю-Лейас биомаркеры аноксии (дефицита кислорода) и интенсивной эвксинии (см. Euxinia) — условий, когда отсутствие кислорода сопровождается повышенным уровнем свободного сероводорода (рис. 4).

Рис. 4. Изотопный индикатор общего количества органического углерода δ¹³C_org и биомаркеры условий среды. Слева направо: гаммацерановый индекс (индикатор стратификации водной колонны); отношение пристана к фитану (индикатор окислительно-восстановительных условий); отношение арилов к изопреноидам (индикатор стабильности эвксинических условий в фотической зоне); океноновый (см. okenane) индекс (индикатор пурпурных серобактерий); индексы хлоробактана (chlorobactane) и изорениератана (isorenieratene) (индикаторы зеленых серобактерий); индекс доступности солнечного света, вычисляемый по видовому соотношению серобактерий Iso/(Oke + Chlo) (высокие значения этого индекса означают, что преобладают бактерии, адаптированные к слабому освещению; низкие — преобладают фотосинтетические бактерии, обитающие в фотической зоне). ETE — время позднетриасового вымирания. Цветной заливкой показаны различные условия зон осадконакопления: зеленым — редоксклин (приповерхностный слой воды с сильным вертикальным окислительно-восстановительным градиентом между верхней насыщенной кислородом и нижней бескислородной водой); бежевым — хемоклин (слой воды с максимальным градиентом минерализации, обычно возникающий в бескислородных придонных водах). На диаграмме совмещены данные по разрезам Лилсток (синие кривые) и Сент-Одри Бей (желтые кривые). Литология разрезов приведена слева. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geology

Результаты свидетельствуют о том, что бумажные сланцы, залегающие в основании формации Блю-Лейас, формировались в двух последовательно различных условиях осадконакопления. На горизонте вымирания (ETE на рис. 4) неглубокий хемоклин распространялся на большую часть фотической зоны, в которой жили коричнево-пигментированные зеленые серобактерии Chlorobi, вырабатывающие изорениератан. Позже хемоклин опустился ниже и над ним возникла зона редоксклина, в которой начали постепенно восстанавливаться кальцифицирующие организмы. В более глубоких частях, в эвксинических условиях существовали зелено-пигментированные Chlorobi, вырабатывающие хлоробактан, и пурпурные серобактерии (Purple sulfur bacteria) Chromatiaceae. В карбонатно-сланцевой толще, перекрывающей бумажные сланцы, постепенно увеличивается видовое разнообразие фораминифер, что свидетельствует о снижении кислотности воды.

Авторы считают, что причиной позднетриасового вымирания стал комплексный эффект заражения токсичным для большинства биологических видов сероводородом и аноксии всей фотической зоны океана, а также закисления морских вод, сделавшего растворимым карбонат кальция, необходимый организмам для построения раковин и частей тела. Все эти изменения произошли очень резко, практически одновременно по всей планете. А триггером для них стала начавшаяся 201,3 млн лет назад вулканическая активность в Центрально-Атлантической магматической провинции. Одновременное повышение кислотности и уровня сероводорода, по сути, стало двойным ударом, уничтожившим значительную часть морских видов (рис. 5).

Рис. 5. Общая схема позднетриасового массового вымирания. Спрединг в районе Атлантического срединно-океанического хребта вызвал массивные излияния базальтовых лав на морском дне. Сопровождающие вулканизм выбросы диоксида углерода вызвали закисление океана и нагрев морской воды и атмосферы, а выбросы соединений серы — образование эвксинических условий (заражения сероводородом) в фотической зоне и аноксических — в придонной. Рисунок с сайта news.curtin.edu.au

Авторы предполагают, что аналогичные механизмы могли действовать и в случае других массовых вымираний, совпадающих по времени с периодами мощного вулканизма.

Источники:
1) Calum P. Fox, Jessica H. Whiteside, Paul E. Olsen, Xingqian Cui, Roger E. Summons, Erdem Idiz, Kliti Grice. Two-pronged kill mechanism at the end-Triassic mass extinction // Geology. 2022. DOI: 10.1130/G49560.1.
2) Calum P. Fox, Xingqian Cui, Jessica H. Whiteside, Paul E. Olsen, Roger E. Summons, Kliti Grice. Molecular and isotopic evidence reveals the end-Triassic carbon isotope excursion is not from massive exogenous light carbon // PNAS. 2020. DOI: 10.1073/pnas.1917661117.

Владислав Стрекопытов