Вулканических выбросов СО₂ в конце триаса было достаточно для резкого потепления

Рис. 1. Горы Средний Атлас в Марокко, сложенные позднетриасовыми базальтами Центрально-Атлантической магматической провинции. Изображение с сайта en.wikipedia.org

На рубеже триасового и юрского периодов произошло одно из пяти крупнейших массовых вымираний в истории Земли. Различные геологические и палеоклиматические данные указывают на то, что в конце триаса климат резко потеплел и повысился уровень Мирового океана. По меньшей мере половина известных на сегодняшний день видов, живших на Земле в то время, вымерли. По времени триасово-юрское вымирание совпадает с вулканической активностью в Центрально-Атлантической магматической провинции, проявления которой сохранились сегодня с двух сторон от Атлантического океана. В новом исследовании геологи оценили объемы глубинного углекислого газа, которые могли выбросить вулканы, и показали, что его было достаточно, чтобы изменить климат Земли.

Большинство великих вымираний в истории Земли совпадают с периодами чрезвычайно высокой вулканической активности. Такое совпадение вряд ли случайно, поскольку мощные извержения и излияния лавы, происходящие в масштабах крупных магматических провинций (см. Large igneous province), вполне способны менять климат, состав атмосферы и океана. Подробнее о крупных магматических провинциях и механизмах их образования читайте новость В крупных магматических провинциях могло быть два источника магмы («Элементы», 18.04.2018), а о связи массовых вымираний с вулканизмом — новости Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение («Элементы», 19.09.2011) и Доказана роль резкого закисления океана в массовом вымирании на рубеже пермского и триасового периодов («Элементы», 14.04.2015).

Резкое потепление, связанное с вулканической активностью и выбросами СО₂, традиционно считается причиной «великого» пермского вымирания — самого крупного в истории Земли. Тогда изливались траппы на территории нынешней Сибири. А в конце следующего геологического периода — триаса — вулканическая активность была сосредоточена в пределах Центрально-Атлантической магматической провинции (САМР — Central Atlantic magmatic province).

Сегодня САМР разделена между четырьмя континентами — Северной и Южной Америкой, Африкой и Европой, в триасе составлявшими единое целое — суперконтинет Пангея. В конце триаса вулканическая активность в САМР стала первым этапом тектоно-магматической активизации и рифтообразования — процессов, которые в юрском периоде привели к распаду Пангеи и раскрытию Атлантического океана. Продукты вулканической активности в САМР сохранились в виде крупных областей развития силлов (пластовых интрузий), полей даек и лавовых покровов базальтов в Амазонии, по всему восточному побережью Северной Америки, в Западной Африке и на Пиренейском полуострове (рис. 2).

Рис. 2. Контуры Центрально-Атлантической магматической провинции на момент 200 млн лет назад. Синим показаны потоки базальтовых лав; желтым — области развития силлов; красными штрихами — дайковые поля. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Споры между сторонниками и противниками гипотезы о ведущей роли вулканизма в серьезных климатических изменениях, которые привели к биосферной катастрофе на рубеже триаса и юры, обычно упираются в количественную сторону вопроса: было ли достаточно глубинного СО₂, выделяемого вулканами, чтобы спровоцировать глобальные изменения?

Чтобы оценить эти объемы, международная группа ученых во главе с Манфредо Каприоло (Manfredo Capriolo) из Университета Падуи в Италии изучила расплавные включения, сохранившиеся в вулканических породах.

По последним оценкам (A. Marzoli et al., 2019. The Central Atlantic Magmatic Province (CAMP) in Morocco), магматическая активность в пределах САМР имела место в период 201,6–201,1 млн лет назад. За это время на площади 10 млн км² излилось около 3 млн км³ базальтовых магм в виде лавовых потоков и внедрения приповерхностных интрузий. Процесс излияний был не непрерывным, а состоял из четырех коротких мощных импульсов продолжительностью сотни или первые тысячи лет.

Авторы нового исследования считают этот момент очень важным с точки зрения оценки влияния вулканических выбросов на природные системы. Одно дело, если общий объем таких газов, как CO, CO₂, CH₄, SO₂, H₂S, HCl и CH₃Cl, выделявшихся при извержениях в САМР, равномерно распределить на полмиллиона лет, — в таком случае даже огромные суммарные выборы могут быть «переварены» в атмосфере. И совсем другие расчетные концентрации в атмосфере получатся, если предположить, что до четверти от общего объема высвобождалось за несколько тысяч лет.

Исследователи отобрали более 200 образцов из силлов и лавовых базальтов САМР в Северной Америке, Африке и Европе. Примерно в 10% образцов были обнаружены расплавные включения, содержащие газовую фазу. В основном включения находились в кристаллах клинопироксена, реже — плагиоклазов, ортопироксена и оливина. Размер включений составляет от 5 до 50 мкм, а пузырьки газа занимают в них от 0,1 до 0,5% объема, имея диаметр от 1 до 15 мкм (рис. 3).

Рис. 3. Микрофото в проходящем свете расплавных включений с газовыми пузырьками в ортопироксене (а), клинопироксене (b и d) и плагиоклазе (с). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Твердая, застывшая часть включений была представлена стеклообразной массой, обогащенной SiO₂ и Al₂O₃ и обедненной FeO, MgO и CaO по сравнению с вмещающими породами. Такой химический состав характерен для остаточного расплава, образующегося на последних стадиях фракционирования типичной базальтовой магмы, когда эта магма достигает поверхности. Это подтверждало допущение авторов о том, что именно из таких поздних расплавов и происходило выделение в атмосферу вулканических газов.

Для установления формы углерода в газовых включениях (СО, СО₂, СН₄ или элементарный С), а также для выявления других летучих соединений (SO₂, H₂S и H₂O) авторы использовали метод конфокальной рамановской микроспектроскопии. Почти во всех включениях был обнаружен элементарный углерод в виде неупорядоченного графита и аморфного углерода, а также СО₂ в концентрациях от 0,5 до 1,0% из расчета на массу всего включения, а не только пузырьков. Другие летучие соединения в пузырьках обнаружены не были, а в твердой части включений методом масс-спектрометрии вторичных ионов авторы выявили H₂O в количествах 0,5–0,6 мас. % и CO₂ (30–90 ppm).

Углекислый газ присутствовал практически во всех пузырьках, что, по мнению авторов, говорит о том, что вся магматическая система САМР была обогащена СО₂. Для выяснения того, на каких глубинах расплавные включения захватывались растущими кристаллами клинопироксена, авторы использовали калиброванные по составу клинопироксенов минералогические геобаротермометры вулканических систем (K. D. Putirka, 2008. Thermometers and barometers for volcanic systems).

Для клинопироксенов базальтов САМР расчетное давление кристаллизации оказалось в диапазоне от 0,1 до 0,7 ГПа при температурах от 1150 до 1230°C, что соответствует условиям средней континентальной коры (глубина около 7–12 км). Отсюда авторы делают вывод о том, что весь СО₂ в магмах САМР имел глубинное происхождение, а не был ассимилирован поднимающейся магмой из окружающих пород.

При давлении 0,2 ГПа предел насыщения СО₂ в базальтовых расплавах составляет около 1000 ppm, увеличиваясь на 500 ppm на каждые 0,1 ГПа. Принимая во внимание расчетные глубины кристаллизации, минимальная оценка концентрации СО₂ в мантии САМР перед выделением газа находилась между 500 и 4000 ppm.

Построив модель эволюции базальтовых магм САМР (рис. 4), авторы подсчитали, что общее количество СО₂, выделившегося за весь период вулканической активизации в Центрально-Атлантической магматической провинции в конце триаса, составило около 10⁵ Гт.

Рис. 4. Этапы эволюции базальтовых магм САМР на их пути от мантии к поверхности. Слева — данные по геобарометрии клинопироксенов, справа — шкала глубин. Нижняя пунктирная линия — граница мантии и нижней коры; средняя пунктирная линия — глубина, выше которой начинается выделение из расплава газовой фазы СО₂ (пузырьки белого цвета); верхняя пунктирная линия — глубина, выше которой начинается выделение из расплава газовой фазы Н₂О (пузырьки голубого цвета) и серы (пузырьки желтого цвета). На врезке — расположение расплавных включений (красные) с пузырьками СО₂ между кристаллами клинопироксена. Черными пунктирными стрелками показаны потенциальные источники углерода в верхней мантии и нижней коре. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Насыщенность углекислым газом базальтовых магм, находящихся на глубине, должна была привести к быстрому подъему магмы к поверхности и взрывному характеру извержений. Этот факт объясняет и дискретность вулканической активизации в САМР, когда мощные импульсы вулканизма сменялись периодами относительного спокойствия.

Ученые подсчитали, что даже в течение одного короткого эпизода вулканической активности продолжительностью около 500 лет на поверхность могло излиться около 100 тыс. км³ базальтовой магмы, в которой содержалось примерно столько СО₂ (5×10¹⁶ молей), сколько произведет человек в течение всего XXI века, а это, по оценкам экспертов, должно было повысить глобальную температуру минимум на 2°C и понизить рН океана на 0,15. Суммарный эффект от выделения СО₂ в течение всего периода вулканической активности в Центрально-Атлантической магматической провинции в конце триаса, по мнению авторов, был вполне достаточным, чтобы изменить климат Земли настолько, чтобы в биосфере планеты начались необратимые изменения.

Источник: Manfredo Capriolo, Andrea Marzoli, László E. Aradi, Sara Callegaro, Jacopo Dal Corso, Robert J. Newton, Benjamin J. W. Mills, Paul B. Wignall, Omar Bartoli, Don R. Baker, Nasrrddine Youbi, Laurent Remusat, Richard Spiess, Csaba Szabó. Deep CO₂ in the end-Triassic Central Atlantic Magmatic Province // Nature Communications. 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-15325-6.

Владислав Стрекопытов