Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания

Рис. 1. Базальтовые скалы плато Путорана, входящего в Сибирскую магматическую провинцию, образованы траппами. Фото с сайта wikiznanie.ru

Самое грандиозное массовое вымирание в истории Земли, произошедшее в конце пермского периода примерно 252 млн лет назад, совпадает по времени с невероятно мощной вулканической активностью на территории нынешней Сибири, приведшей к формированию крупнейшей трапповой провинции мира — Сибирских траппов. В том, что эти два события связаны, ученые уже практически уверены, но пока не очень ясно, в чем эта связь состоит. Сравнение состава ксенолитов в образцах пород, вынесенных на поверхность до и после этих событий, подтверждает гипотезу о том, что вулканическая активность сопровождалась выбросами гигантских объемов галогенов и других летучих соединений, которые могли нанести непоправимый ущерб атмосфере Земли и вызвать биосферную катастрофу.

В нескольких местах на Земле сохранились следы мощнейшей вулканической активности прошлого, с которой все нынешние извержения не идут ни в какое сравнение: на территориях, сравнимых по площади с целыми странами, в течение сотен тысяч или даже миллионов лет изливались огромные количества лавы. Привычных нам вулканических конусов и кратеров не было, лава проникала на поверхность через многочисленные трещины в земной коре и благодаря низкой вязкости заполняла низины и растекалась на большие расстояния. Рано или поздно такие процессы прекращались, лава застывала, а в дело вступала эрозия. Сейчас в таких местах наблюдается характерный ступенчатый рельеф (рис. 1) — траппы (от шведского trappa — «лестница»).

Сибирские траппы (рис. 2) — одна из крупнейших магматических провинций (см. Large igneous provinces и новость В крупных магматических провинциях могло быть два источника магмы, «Элементы», 18.04.2018). Они сформировались около 252 млн лет назад. Примерно в то же время произошло массовое пермское вымирание — едва ли не величайшая катастрофа в истории жизни на Земле: за очень короткое время (около 1 миллиона лет, а по некоторым оценкам — даже быстрее) вымерло приблизительно 96% видов морских животных, 70% видов наземных позвоночных и более 83% видов насекомых. Естественно предположить, что эти два события связаны между собой.

Рис. 2. Карта Сибирской трапповой провинции. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

Сейчас ученые уже особо не сомневаются в этом, но пока непонятен конкретный механизм, из-за которого образование Сибирских траппов привело к таким катастрофическим последствиям для биосферы. Проблема еще и в том, что крупных магматических провинций на Земле довольно много (рис. 3), но их формирование далеко не всегда удается связать с вымираниями. Так что надо разобраться, что сделало Сибирские траппы такими «смертоносными» и что в них было такого особенного.

Рис. 3. Крупные магматических провинции (LIP). Оранжевым показаны щиты, розовым — платформы, бирюзовым — орогены, фиолетовым и темно-синим — крупные магматические провинции, желтым — участки растяжения земной коры, оттенками голубого — возраст океанической коры. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Угрозу для глобального природного равновесия в случае массовой вулканической активности обычно представляют не сами продукты излияний (лавы, туфы, пепел и т. д.), а сопровождающие ее выбросы вулканических газов, многие из которых являются токсичными для живых организмов или влияют на состав и физические свойства атмосферы. Однако для того, чтобы это влияние стало ощутимым в масштабах всей планеты, объемы этих выбросов должны быть весьма существенными. Имевшиеся ранее данные о содержаниях хлора и других галогенов, а также всего набора летучих элементов в верхней мантии, где шло формирование магматических очагов, противоречили подобному предположению. Задачей ученых было найти подтверждение факта накопления больших объемов летучих компонентов в магматическом очаге под Сибирской платформой.

Первый шаг в этом направлении был сделан в 2011 году, когда международная группа во главе с учеными из России предложила новую модель образования Сибирских траппов (см. новость Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение, «Элементы», 19.09.2011). Изучая химический состав сибирских базальтов, авторы пришли к выводу о том, что в составе материнской магмы присутствовала значительная примесь переработанных пород океанической коры, погрузившейся в мантию в процессе субдукции. Океаническая кора, содержащая значительно больше летучих компонентов, чем породы мантии, а также затянутая в зону субдукции морская вода и могли стать источниками летучих компонентов в мантийном магматическом очаге. Однако рассчитывать их объемы через составы базальтов было бы некорректно, так как большая их часть в процессе вулканической активности выделялась в атмосферу, а не накапливалась в застывающей лаве. Нужен был другой подход.

Геологи под руководством Майкла Бродли (Michael W. Broadley) из Центра петрографических и геохимических исследований в Вандёвр-ле-Нанси (Франция), будучи сторонниками так называемой гипотезы мантийных плюмов — наиболее распространенного среди ученых взгляда на источник базальтовых магм трапповых провинций — в качестве объекта своего изучения выбрали мантийные ксенолиты — обломки мантийных пород, захваченные магмой и вынесенные на поверхность (рис. 4). Изучив ксенолиты перидотитов из кимберлитовых трубок Удачная (возраст 360 млн лет) и Обнаженная (250 млн лет), ученые смогли составить представление о составе глубинных слоев литосферы под территорией современной Сибири до и после извержения сибирских траппов.

Рис. 4. Образец мантийного ксенолита, вынесенного на поверхность в результате вулканического извержения, в поляризованном свете. Фото одного из авторов обсуждаемого исследования (М. Бродли) с сайта geologypage.com

Галогены и благородные газы в мантийных ксенолитах анализировались с помощью нейтронной масс-спектрометрии. Оказалось, что образцы пород верхней мантии, относящиеся к периоду до начала массового излияния сибирских траппов, насыщены элементами из группы галогенов — хлором, бромом и йодом, а более поздние, «послетрапповые» образцы уже не содержат галогенов. Отсюда авторы делают вывод о том, что в период массового излияния сибирских траппов вместе с лавой на поверхность выбрасывалось огромное количество газообразных галогенов, что могло привести к климатическим изменениям и существенной деградации окружающей среды, в том числе — к образованию кислотных дождей, закислению океана, истощению озонового слоя, и, как следствие, к коллапсу биосферы (см. Доказана роль резкого закисления океана в массовом вымирании на рубеже пермского и триасового периодов, «Элементы», 14.04.2015). Сами по себе летучие соединения хлора, брома, йода и астата являются токсичными, а вызванное ими разрушение озонового слоя привело к тому, что поверхность планеты подверглась воздействию смертоносной космической радиации.

Первичный объем мантийного резервуара галогенов авторы рассчитывают исходя из состава ксенолитов трубки Удачная и объемов излившейся магмы. Учитывая, что на территорию современной Сибири в поздней перми менее чем за 1 млн лет излилось около 4×10⁶ км³ базальтовой лавы, а содержание хлора, брома и йода в перидотитовых ксенолитах из трубки Удачная превышает средние содержания этих элементов в современных базальтах срединно-океанических хребтов (MORB — mid-ocean ridge basalt), образовавшихся из уже деплетированной (истощенной) верхней мантии, соответственно в 125, 675 и 100 раз, объем галогенов в позднепермском верхнемантийном резервуаре составлял 0,6–1,5×10¹⁹ кг хлора, 1,6–2,7×10¹⁷ кг брома и 0,5–1,1×10¹⁴ кг йода. Это весьма значимые количества, которые при выбросе в атмосферу вполне могли привести к серьезной перестройке глобального цикла летучих элементов.

Отвечая на вопрос о первичном источнике галогенов в магматическом очаге Сибирской трапповой провинции, ученые выдвигают следующую гипотезу. Восходящий мантийный плюм, проходя через нижние слои литосферы, ассимилировал находящиеся в них галогены, изначально имевшие как мантийное происхождение, так и попавшие туда в результате инфильтрации субдуцированной морской воды. В результате метасоматических процессов, вызванных воздействием поступавших с поверхности (в процессе субдукции) флюидов, в верхней мантии произошло ее дополнительное обогащение летучими соединениями. В результате проплавления плюмом литосферы в его состав перешло до 70% «литосферных» галогенов (по расчетам авторов статьи).

Авторы делают вывод о том, что характер взаимодействия между плюмом и литосферой, а также состав литосферы являются ключевыми факторами накопления летучих в магматических очагах крупных магматических провинций, что в свою очередь определяет, насколько критическими с точки зрения экологии будут последствия массовых извержений в их пределах. В случае с Сибирской магматической провинцией позднепермского периода сработали оба фактора: изначально подстилающая литосфера, представленная метасоматически измененной океанической корой, была обогащена летучими компонентами, которые затем были ассимилированы и выведены на поверхность восходящим мантийным плюмом.

Источник: Michael W. Broadley, Peter H. Barry, Chris J. Ballentine, Lawrence A. Taylor, Ray Burgess. End-Permian extinction amplified by plume-induced release of recycled lithospheric volatiles // Nature Geoscience. 2018. DOI: 10.1038/s41561-018-0215-4.

Владислав Стрекопытов