Кислородная революция и событие Ломагунди связаны с тектоническими процессами в раннем протерозое

Рис. 1. Вариации парциального давления атмосферного кислорода (а) и изотопного коэффициента δ¹³С (b) в геологической истории. По горизонтальной оси отложен возраст пород в млрд лет. Сплошной синей полосой на рисунке a показаны модельные значения (под данным T. W. Lyons et al., 2014. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere); синим пунктиром — значения О₂, полученные расчетным путем по отношению Zn/Fe в карбонатах (по данным X. Liu et al., 2016. Tracing Earth’s O₂ evolution using Zn/Fe ratios in marine carbonates). Точками на рисунке b показаны результаты измерения изотопного показателя углерода из разных источников (красная линия — усредненные значения). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Считается, что кислородная атмосфера на Земле образовалась благодаря жизнедеятельности цианобактерий. Первоначально весь кислород, который они производили, уходил на окисление поверхностных горных пород, газов атмосферы и соединений, растворенных в морской воде (в первую очередь — закисного железа). Около 2,45 млрд лет назад процесс окисления в целом завершился, и свободный кислород начал накапливаться в атмосфере. Этот процесс называют кислородной революцией. Темпы роста уровня кислорода в атмосфере в период кислородной революции были очень высокими, и примерно за 300 млн лет этот уровень достиг современного, после чего пошел на спад. Интересно, что практически параллельно с кислородом менялась геохимия еще одного важнейшего элемента — углерода: менялся его изотопный состав. Примерно через 100 млн лет после начала кислородной революции в карбонатных отложениях фиксируется резкий рост содержания изотопа ¹³С, а после ее окончания происходит возврат изотопного отношения углерода к исходному уровню. Резкий всплеск ¹³С в раннем протерозое получил название события Ломагунди. В новой статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience, предлагается модель, связывающая кислородную революцию, событие Ломагунди и глобальную тектонику.

Углерод имеет два стабильных изотопа: ¹²C и ¹³C. В природном углероде их 98,93% и 1,07%, соответственно. Это соотношение сохранялось на протяжении всей геологической истории, и только в породах, датируемых палеопротерозоем (2,3–2,1 млрд лет назад), доля ¹³C была примерно в 1,1 раза выше.

Впервые изотопная аномалия углерода была обнаружена в палеопротерозойских доломитах формации Ломагунди в Зимбабве (M. Schidlowski et al., 1976. Carbon isotope geochemistry of the Precambrian Lomagundi carbonate province, Rhodesia). Тогда ученые интерпретировали ее как локальную, характерную для замкнутого бассейна, в котором активно происходило накопление биомассы, в которой связывается ¹²C. Изотопный состав углерода в морской воде отражает баланс между выветриванием углеродсодержащих пород с нормальным соотношением ¹³C/¹²C и накоплением органического углерода, обогащенного ¹²C.

Позднее стало ясно, что относящиеся к этому времени известняки и доломиты, значения изотопного коэффициента δ¹³С в которых превышают 10‰, встречаются по всему миру, что свидетельствует о том, что в этот период изменился изотопный состав углерода в водах Мирового океана. Это явление было названо событием Ломагунди (Lomagundi Carbon Isotope Excursion). Считается, что причиной дополнительного изъятия легкого изотопа углерода из морской воды и повышения в ней показателя δ¹³С был резкий рост в палеопротерозойских бассейнах цианобактерий.

Казалось бы, все сходится и даже наблюдается обратная связь: цианобактерии начали вырабатывать кислород → усилилось окислительное выветривание поверхностных пород → дополнительный привнос углерода в прибрежные бассейны способствовал бурному росту цианобактерий, которые еще активнее вырабатывали кислород. Считается, что именно деятельность цианобактерий в конце концов привела к тому, что земная атмосфера стала окислительной примерно 2,5 млрд лет назад. Процесс изменения состава атмосферы в сторону большего содержания кислорода называют кислородной революцией (см. «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2014).

Однако, с самого начала ученые сомневались в том, что источником такого количества углерода был процесс выветривания. К тому же было не очень понятно, почему событие Ломагунди началось на 100 млн лет позже кислородной революции, и уж совсем непонятно, почему еще через 200 млн лет отношение ¹³C/¹²C восстановилось и больше уже не менялось.

Исследователи из Университета Райса в Хьюстоне (США) предложили гипотезу, устраняющую все эти нестыковки. Описание исследования опубликовано в журнале Nature Geoscience.

Используя простую блочную модель (box model) потоков кислорода и углерода между внешними (атмосфера и океан) и внутренними (земная кора и мантия) резервуарами, авторы показывают, что изменение концентрации кислорода в атмосфере и изотопную аномалию углерода можно объяснить тектоническими событиями, которые 2,5 млрд лет назад привели к увеличению вулканической активности и росту вулканогенного СО₂ в атмосфере. Выбрасываемый вулканами углекислый газ участвовал в реакции фотосинтеза (6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6O₂). При этом углерод накапливался в биомассе, а свободный кислород выделялся в атмосферу.

Ученые предполагают, что общей первопричиной и кислородной революции, и события Ломагунди была тектоническая активность, а точнее — запущенный в раннем протерозое механизм тектоники плит.

Далее, по их мнению, события развивались следующим образом:

• Резкое увеличение тектонической активности привело к образованию по окраинам континентов сотен вулканов, которые выбрасывали в атмосферу углекислый газ.
• Климат согрелся, увеличилось количество осадков, что усилило процессы выветривания — химического и механического распада горных пород.
• Продукты выветривания, богатые углеродом и питательными веществами (кремнием, фосфором и др.), сносились в океаны, где шло активное образование карбонатных пород, а в прибрежной зоне бурно размножались цианобактерии, которые к тому времени уже существовали на планете в течение 500 млн лет.
• Органический углерод цианобактерий и неорганический углерод карбонатов накапливался на морском дне и затем затягивался в мантию Земли в зонах субдукции. Дальше в игру вступала геохимия, определяющая различное время пребывания в мантии этих двух форм углерода.
• Карбонаты гораздо легче высвобождаются в магмах и неорганический углерод возвращался на поверхность раньше через вулканы островных дуг, расположенных непосредственно над зонами субдукции.
• Органический углерод, обогащенный ¹²C, затягивался глубоко в мантию — практически до ее границы с ядром, и поэтому вернулся на поверхность на сотни миллионов лет позже в виде углекислого газа из вулканов горячих точек (таких как Гавайи или Йеллоустон), образующихся в зонах всплытия мантийных плюмов (рис. 2).

Рис. 2. Общая схема цикла неорганического (обогащенного ¹³C) и органического (обогащенного ¹²C) углерода в мантии. Оранжевым цветом условно показано ядро Земли, зеленым — мантия. Рисунок с сайта deepcarbon.net

Так как органический углерод оставался в мантии значительно дольше, чем неорганический, после начала тектоники плит в геохимическом цикле углерода возник период, продолжавшийся несколько сотен миллионов лет, когда доля ¹³C в продуктах вулканических выбросов была аномально высокой. Это и было событие Ломагунди. Оно началось с извержения первых островодужных вулканов, выносящих в атмосферу неорганический углерод карбонатов, а закончилось, когда заработали вулканы горячих точек, возвращающие в атмосферу органический углерод.

Такая схема объясняет и связь кислородной революции с углеродной аномалией, и сдвиг по времени между ними, и возникновение большого количества углерода в раннем протерозое даже без какого-либо изменения доли захороненного в виде органики углерода по сравнению с углеродом карбонатных пород — фактора, который часто используют для объяснения причин события Ломагунди.

Обосновывая несостоятельность последнего, авторы отмечают, что мощный приток углерода в морские бассейны привел бы не только к увеличению биомассы цианобактерий, но и к более активному накоплению карбонатных пород, что уравновесило бы соотношение изотопов углерода. А гипотеза их разделения в мантии прекрасно объясняет возникновение временного изотопного дисбаланса.

То, что органический углерод был вовлечен в более длительный геохимический цикл в мантии, говорят и результаты современных наблюдений: газы вулканов горячих точек и сегодня обогащены легким углеродом по сравнению с вулканами островных дуг или срединно-океанических хребтов (R. Dasgupta, M. Hirschmann, 2010. The deep carbon cycle and melting in Earth's interior).

На графиках, полученных в результате моделирования (рис. 3) видно, что заработавшая 2,5 млрд лет назад тектоника плит была причиной и кислородной революции, и перестройки геохимического цикла углерода, отражением которой стало событие Ломагунди. При этом нисколько не умаляется роль цианобактерий как главных продуцентов кислорода.

Рис. 3. Изменение важнейших геохимических параметров на рубеже 2,5 млрд лет назад (вертикальный пунктир — время начала кислородной революции). а — изотопное отношение δ¹³С (голубые кружочки — результаты анализов по различным источникам, оранжевая кривая — усреднение этих данных). b — парциальное давление кислорода в атмосфере по сравнению с современным уровнем: голубые полосы — то же, что на рис. 1, оранжевая линия с доверительным интервалом принята в качестве модельных значений. Видно, что рост δ¹³С на верхней диаграмме начался примерно через 100 млн лет после начала кислородной революции. с — выбросы СО₂ (в граммах С за млн лет): черная линия — вулканы горячих точек, фиолетовая — вулканы островных дуг, оранжевая — базальты срединно-океанических хребтов, красная — масса углерода, накопленного в карбонатах и биомассе, зеленая — общая продукция вулканогенного углерода. d — природные резервуары углерода (в граммах С): фиолетовая линия — в атмосфере и океане, красная — органический С в коре, зеленая — органический С в мантии. По горизонтали — время в млрд лет. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Основной вывод авторов исследования заключается в том, что старт глобальной тектоники плит в раннем протерозое мог запустить сложный механизм, увязывающий воедино вулканические выбросы СО₂, накопление биомассы и продукцию атмосферного кислорода. Ученые отмечают, таким образом, что глобальная тектоника должна была сыграть важную роль в эволюции жизни на поверхности планеты.

Источник: James Eguchi, Johnny Seales, Rajdeep Dasgupta. Great Oxidation and Lomagundi events linked by deep cycling and enhanced degassing of carbon // Nature Geoscience. 2019. DOI: 10.1038/s41561-019-0492-6.

Владислав Стрекопытов