Континентальный рифтогенез мог способствовать потеплению климата

Рис. 1. Этапы развития континентальной рифтовой системы: a — начальный этап континентального рифтогенеза: заложение глубинных разломов, вулканизм, сопровождаемый выделением большого количества СО₂; b — формирование рифтовой долины с утонченной континентальной корой в центральной части; с — заложение линейного моря с океанической корой в центре; d — стадия океана с формированием в центре срединно-океанического хребта. Тонкими стрелками на красном фоне показаны восходящие потоки мантийного вещества, жирными стрелками — направления движения литосферных плит. Рисунок с сайта sailorsgogreen.blogspot.ru

Концентрация СО₂ в атмосфере — ключевой фактор, влияющий на климат Земли, ведь увеличение содержания этого главного парникового газа приводит к глобальному потеплению. Земные недра содержат на несколько порядков больше углерода, чем все ее внешние оболочки (атмосфера, гидросфера, почвенный слой и вся биосфера, включая антропогенную составляющую) вместе взятые, а в зонах континентальных рифтов происходит активное выделение СО₂. Ученые проследили «рифтовую летопись» Земли за последние 200 млн лет и обнаружили, что периоды наибольшей активности образования рифтовых систем совпадают с глобальными потеплениями. По их мнению, глубинная дегазация — выделение СО₂ из глубин Земли — может серьезно влиять на долгосрочные климатические изменения на планете.

Главный источник поступления углекислого газа (СО₂) из мантии к поверхности Земли — границы литосферных плит, поскольку в этих зонах нарушается цельность литосферы. Соседние плиты могут сталкиваться (конвергентная граница), раздвигаться (дивергентная граница) или сдвигаться параллельно границе (в таком случае образуется трансформный разлом). К конвергентным границам относятся классические зоны субдукции на активных континентальных окраинах, где океаническая плита погружается под континентальную, участки обдукции, где океаническая плита частично надвигается на край континента, или зоны коллизии, где сталкиваются две континентальные плиты. К дивергентным границам относятся, прежде всего, зоны срединно-океанических хребтов, где плиты расходятся, а образующееся при раздвижении плит пространство заполняется базальтовым расплавом и формируется новая кора океанического типа. Срединно-океанические хребты —крупнейшие на Земле рифтовые зоны — глобальные линейно вытянутые тектонические структуры, в которых происходит разрыв земной коры в результате ее растяжения или продольного движения. Причина заложения крупных рифтовых систем — восходящие конвективные потоки вещества в мантии.

Рис. 2. Восточно-Африканская рифтовая система, включая Красное море и долину реки Иордан. Рисунок с сайта q-files.com

Рифты бывают и на суше. Если рифтовая система закладывается на континенте, то раздвигание в ее пределах (этот процесс называется континентальным рифтогенезом) приводит к вскрытию океанической коры и началу образования нового океана (рис. 1).

Континентальные рифты в рельефе фиксируются линейно вытянутыми впадинами, частично заполненными водой (моря, озера, реки). Крупнейший современный континентальный рифт — Восточно-Африканский рифт (Великая рифтовая долина), простирающийся в меридиональном направлении от северной Эфиопии до центрального Мозамбика в Восточной Африке. К нему приурочена цепочка Великих африканских озер (рис. 2). На север Восточно-Африканский рифт продолжается впадиной Красного моря, формирование которого началось относительно недавно (25 млн лет назад), когда в континентальной плите образовалась трещина и начала формироваться океаническая кора. В настоящее время берега Красного моря расходятся в разные стороны со скоростью 1 см в год. Меньшими по масштабу континентальными рифтами наших дней являются Байкальский (озеро Байкал, котловины Баргузинская, Верхне-Чарская и др.), Долина Смерти на юге США, а также долина реки Рейн в Центральной Европе.

В зонах континентальных рифтов земная кора трескается до самой мантии и раздвигается, открываются новые каналы для поступления мантийного вещества. И первой устремляется к поверхности газовая фаза. Сегодня значительные количества СО₂, выделяющиеся в результате глубинной дегазации, приурочены именно к зонам континентальных рифтов (рис. 3). Отсюда можно предположить, что пространственное и временное развитие континентальных рифтовых систем и связанный с этим процесс раскрытия океанов влияли на поток углекислоты и изменение климата в геологической истории, в отдельные периоды которой процессы континентального рифтогенеза, приводящие к расколу континентов, были значительно сильнее, чем сейчас. С чем была связана активизация подобных процессов, неясно, — у ученых нет единого мнения на этот счет. Ясно лишь, что на протяжении жизни нашей планеты континенты на ее поверхности то сходились с образованием крупных мегаконтинентов, то вновь раскалывались.

Рис. 3. Фумаролы, грязевые вулканы (на переднем плане) и гейзеры — внешние проявления активного выделения горячих газов из глубин в районе Великой рифтовой долины (Северная Эфиопия). Фото © Владислав Стрекопытов

Группа немецких и австралийских ученых под руководством Саши Брюна (Sascha Brune) из Центра исследования Земли имени Гельмгольца в Потсдаме (GFZ Helmholtz Centre Potsdam) проанализировали протяженность континентальных рифтовых систем за последние 200 млн лет и выявили два периода усиленного рифтообразования — период 160–100 млн лет (распад Пангеи) и период с 55 млн лет до настоящего времени. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Для анализа авторы использовали две группы данных: данные тектонических реконструкций, выполненных с помощью компьютерного моделирования и общие геологические данные (тектонические и анализ формаций горных пород). Результаты представлены на рис. 4.

Рис. 4. Схема расположения и время активизации континентальных рифтов: a — на основе анализа тектонических реконструкций; b — на основе геологических данных. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

При сравнении полученных результатов с цифровой моделью углеродного цикла GEOCARBSULF и альтернативными моделями (R14 и R14', а также vdM14) обнаружилось, что выявленные периоды активного континентального рифтогенеза совпадают с двумя периодами парникового эффекта, когда концентрации СО₂ в атмосфере были втрое выше, чем сейчас (рис. 5). Отсюда авторы делают вывод о том, что усиленное выделение СО₂ в зонах континентального рифтогенеза в периоды раскола континентов приводило к возникновению парникового эффекта, ставшего причиной продолжительных климатических изменений, выразившихся в глобальном потеплении.

Рис. 5. Сравнение суммарной протяженности континентальных рифтов и содержания СО₂ в атмосфере Земли для периода 200 млн лет назад — настоящее время: a: L1 — кумулятивная диаграмма суммарной протяженности континентальных рифтов (на основе тектонических реконструкций и геологических данных); L2 — диаграмма суммарной протяженности континентальных рифтов на основе геологических данных. Максимальная протяженность континентальных рифтов (более 40 000 км) по времени приходится на период распада Пангеи. Справа дана шкала выбросов СО₂ в зонах континентального рифтогенеза (млн тонн в год); b — диаграмма содержания СО₂ в атмосфере Земли на основе разных цифровых моделей. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Несмотря на то, что существует большое количество цифровых моделей глобального цикла углерода, кислорода, серы и других элементов, содержащихся в атмосфере, большинство из них охватывает лишь ближайший к нам период — от нескольких лет до 800 тыс. лет назад. Именно для этого временного интервала возможно получить прямые данные содержаний элементов в палеоатмосфере на основе анализа ледяных кернов скважин, пробуренных в ледниках Антарктиды и Гренландии. Построение долгосрочных цифровых геохимических моделей требует обобщения всего объема геологических, минералогических и палеобиологических данных, учета огромного количества факторов — от скорости процессов фотосинтеза в различных условиях среды до схем изотопного фракционирования элементов. Поэтому долгосрочное геохимическое моделирование развивается эволюционно по мере совершенствования самих моделей и включения в них дополнительных факторов. До последнего времени наиболее достоверной цифровой моделью глобального цикла СО₂, О₂ и серы считалась модель GEOCARBSULF, охватывающая весь период фанерозоя (с 542 млн лет назад до наших дней) и учитывающая 68 различных параметров. Модель была создана в 2006 году американским ученым Робертом Бернером на основе предыдущей модели GEOCARB III. Позднее отдельные элементы этой модели подверглись определенной критике, в результате чего появились ее модифицированные варианты — модели R14 и R14' и vdM14. Последний вариант учитывает динамику тектоники плит и дегазацию СО₂ в зонах субдукции и срединно-океанических хребтов.

Учитывая то, что рифтовые зоны являются проводящими каналами не только для углекислоты, но и других мантийных летучих веществ, таких как вода, сера и азот, предложенная авторами методика может использоваться для комплексного анализа динамики формирования атмосферы Земли в геологическом времени.

Источник: Sascha Brune, Simon E. Williams, R. Dietmar Müller. Potential links between continental rifting, CO₂ degassing and climate change through time // Nature Geoscience. 2017. V. 10. P. 941–946. DOI: 10.1038/s41561-017-0003-6.

Владислав Стрекопытов