Основная причина мел-палеогенового вымирания — падение астероида, а не формирование Деканских траппов

Рис. 1. Деканские траппы в районе горной цепи Западные Гаты, штат Махараштра, Индия. Фото с сайта en.wikipedia.org

Ученые до сих пор спорят об основной причине массового вымирания, произошедшего примерно 66 млн лет назад на границе мелового и палеогенового периодов. Сложность заключается в том, что по времени наложились друг на друга два крайне опасных для биосферы события: падение крупного астероида, приведшего к образованию Чиксулубского кратера, и излияния базальтовых лав, породившие Деканские траппы. Недостаточная точность датировок траппов до последнего времени не позволяла выяснить, было ли столкновение Земли с крупным астероидом главной причиной резкого снижения биоразнообразия или же дополнительным усиливающим фактором уже начавшегося по вине вулканизма вымирания. Для реконструкции точного хода событий и корректной оценки ролей каждого из двух факторов большая международная команда ученых обобщила все имеющиеся данные по древним значениям температур на Земле в этот период, а также смоделировала разные сценарии вулканизма. Сравнение различных моделей с профилем температур позволило им утверждать, что половина траппов изверглась до столкновения, а половина — после, но при этом основным триггером глобального вымирания был астероид.

К границе мелового и палеогенового периодов (~66 млн лет назад) приурочены два катаклизма планетарных масштабов. Более известный из них — падение десятикилометрового астероида в районе современного полуострова Юкатан. Следом этой катастрофы является кратер Чиксулуб, названный так в честь деревни, расположенной неподалеку от геометрического центра кратера. Кратер был открыт в 1978 году при проведении геофизических работ, а само падение астероида к началу 90-х стало фигурировать в научных дискуссиях как главная причина вымирания, завершившего меловой период (P. Schulte et al., 2010. The Chicxulub asteroid impact and mass extinction at the Cretaceous-Paleogene boundary).

Другая катастрофа, происходившая примерно в то же время и длившаяся куда дольше (плюс-минус несколько сотен тысяч лет в обе стороны относительно границы периодов), менее известна широкой публике. Это формирование Деканских траппов в результате серии длительных излияний огромных объемов базальтовой лавы, сопровождавшихся выбросами серы, галогенов и углекислого газа. Трапповым магматизмом (от шведского trappa — лестница) называют характерный тип континентального магматизма, при котором за небольшой промежуток геологического времени (первые миллионы лет и меньше) на некоторой территории выливается огромный объем базальтов. Так, лавовые потоки Деканских траппов (рис. 1), которые сейчас можно наблюдать на плато Декан в современной Индии, занимают площадь, сравнимую с территорией Монголии, а общий объем изверженных пород составил около 500 000 км³ (B. Schoene et al., 2019. U-Pb constraints on pulsed eruption of the Deccan Traps across the end-Cretaceous mass extinction).

Большинство ученых поддерживает гипотезу, в которой падению астероида отводится решающая роль в произошедшей биологической катастрофе. При столкновении с Землей было выброшено более 50 000 км³ пород в виде пыли и более крупных частиц, ~325 гигатонн серы, а также 425 гигатонн углекислого газа и других летучих соединений (N. Artemieva et al., 2017. Quantifying the release of climate-active gases by large meteorite impacts with a case study of Chicxulub). Такое обилие серы и углерода объясняется тем, что в точке удара находились слои морских осадков с высоким содержанием карбонатов и сульфатов (известняки и слои ангидрита). Сам же удар породил мощную взрывную волну и дожди из расплавленных и застывших фрагментов горных пород, уничтожив все живое на тысячи километров вокруг (R. DePalma et al., 2019. A seismically induced onshore surge deposit at the KPg boundary, North Dakota). В последовавшие за этим катаклизмом годы избыточные азот и сера из атмосферы превратились в азотную и серную кислоту, что вызвало повышение кислотности океанов. Поднятые в атмосферу облака пылевых частиц и аэрозоли, несмотря на добавку «парникового» углекислого газа, привели к эффекту ядерной зимы — глобальному падению температуры из-за уменьшения проницаемости атмосферы для солнечных лучей. Это вызвало катастрофическое снижение биопродуктивности океанов и суши и привело к вымиранию ~75% видов живых организмов (D. Jablonski, 1994. Extinctions in the fossil record).

Несмотря на достаточно неплохую изученность траппов и метеоритной катастрофы, точная последовательность происходивших событий и оценки их влияния на климат и биосферу планеты оставались предметом оживленных дискуссий (см., например, R. Stone, 2014. Back from the dead). Отчасти это связано с тем, что о климате тех времен было известно не так много, а отчасти с тем, что все особенности этого вымирания одним только падением астероида объяснить сложно.

Повышение уровня кислотности океанов и снижение биопродуктивности считаются главными причинами кризиса жизни в океане, а пожары и уменьшение плотности растительного покрова — на суше. Но в истории Земли было много столкновений с космическими телами (правда, не всегда они были такими крупными) и ни одно из них не привело к сколько-нибудь заметному изменению в биоразнообразии. Еще один повод сомневаться в решающей роли астероида — подтвержденная вина траппов в пермо-триасовом и триасово-юрском вымираниях (J. Archibald et al., 2010. Cretaceous Extinctions: Multiple Causes): за первое из них «отвечают» Сибирские траппы (см. новости Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение («Элементы», 19.09.2011) и Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания («Элементы», 25.09.2918)), за второе — формирование Центрально-Атлантической магматической провинции (см. Central Atlantic magmatic province). Добавляет сложности и продолжающееся обсуждение датировок последовательности крупных извержений в ходе формирования Деканских траппов (B. Schoene et al., 2019. U-Pb constraints on pulsed eruption of the Deccan Traps across the end-Cretaceous mass extinction). Часть исследователей полагает, что большая часть базальтов изверглась незадолго до падения астероида, другая– что после, а третья — что столкновение произошло между двумя крупными пульсами вулканизма.

Столь пристальное внимание к месту Деканских траппов на временной шкале продиктовано еще и тем, что в разных теоретических сценариях экологической катастрофы у них разная роль и вклад в происходящее вымирание. Так, сценарий, в котором формирование траппов (речь про основной эпизод траппового вулканизма — в предположении, что таковой был) предшествует чиксулубскому импакту, предполагает, что вулканические газы действовали совместно с эффектом от падения астероида и непосредственно вызвали вымирание. А если траппы в основном формировались после падения, то они уже становятся причиной замедленного восстановления экосистем, а не основным триггером вымирания.

Чтобы восстановить ход событий, большая международная команда ученых во главе с Пинцелли Халл (Pincelli M. Hull) из Йельского университета собрала имеющиеся данные о палеотемпературах, а также добавила к ним результаты собственного анализа геологических образцов. Температуры были получены на основе измерений изотопных маркеров δ¹³С и δ¹⁸О, органического «палеотермометра» TEX₈₆ и соотношения Mg/Ca в фораминиферах в интервале от полумиллиона лет перед падением астероида до миллиона лет после (рис. 2). Построив модели, в которых рассматривались различные последовательности эпизодов траппового вулканизма, их мощность и состав выброшенных газов, ученые смогли выбрать сценарий, который лучше всего согласуется с наблюдаемыми изменениями значений древних температур.

Рис. 2. Компиляция данных по температурам рубежа мелового и палеогенового периодов, полученных из различных источников (Proxies). Ноль соответствует усредненным температурам до начала потепления (примерно за 500 тыс. лет до падения астероида), толстой бордовой линией показан общий совокупный температурный тренд. Вертикальной красной линией отмечена граница мела и палеогена (K/Pg). На черно-белой шкала над графиком указаны магнитохроны, единицы магнитохронологической шкалы. График из обсуждаемой статьи в Science

Деканские трапы выбросили в атмосферу большое количество SO₂, Cl и других галогенов и CO₂ (S. Self et al., 2006. Volatile fluxes during flood basalt eruptions and potential effects on the global environment: A Deccan perspective). На глобальную температуру из этого списка самое большое влияние оказала сера, вызвавшая повышение кислотности океана и снижение средних планетарных температур более чем на 4,5 градуса. Однако этот эффект был достаточно краткосрочным (годы, максимум столетия) и не оставил следа в океанской геологической летописи из-за слишком медленной скорости накопления осадков (A. Schmidt et al., 2016. Selective environmental stress from sulphur emitted by continental flood basalt eruptions). Совершенно иначе обстоит ситуация с концентрацией CO₂, к которой океанские осадки крайне чувствительны: их можно отследить по сопутствующим изменениям в концентрации изотопов углерода, так как последовавшее глобальное потепление было достаточно продолжительным.

Компиляция данных по палеотемпературам на границе мелового периода и палеогена позволила выявить две главные особенности. Во-первых, анализ и морских, и наземных осадочных пород указывает на потепление примерно на 2 градуса Цельсия, произошедшее в конце мелового периода (J. S. K. Barnet et al., 2018. A new high-resolution chronology for the late Maastrichtian warming event: Establishing robust temporal links with the onset of Deccan volcanism). Однако, данные по температуре и содержанию атмосферного CO₂ показывают, что по мере приближения к моменту падения метеорита эффект потепления снижается и ровно перед падением достигает исходного значения. Метеоритная катастрофа вызвала непродолжительное похолодание, но глобальная температура после столкновения быстро вернулась к исходным значениям. А затем постепенно увеличилавась и через 600 тыс. лет после столкновения стала на градус выше (рис. 2).

С помощью программы для геохимического моделирования LOSCAR (Long-term Ocean Sediment CArbon Reservoir) были построены пять моделей (рис. 3) с разным временным положением Деканских трапов, а также варьирующимися объемами и составом вулканических выбросов. Каждая из моделей основывалась на одинаковых начальных условиях: концентрация CO₂ в океане составляла 600 г на тонну, а при ее удвоении глобальные температуры должны вырасти на 2–4 градуса, что согласуется с имеющимися оценками для начала палеогена (E. Anagnostou et al., 2016. Changing atmospheric CO₂ concentration was the primary driver of early Cenozoic climate).

Программа LOSCAR предназначена для моделирования глобального цикла углерода, в ней учитываются потоки вещества между сушей, атмосферой и мировым океаном. Таким образом, главный параметр, который изучался в моделях, — парциальное давление CO₂ и влияние на него того или иного сценария вулканизма. Модель учитывает состав атмосферы, состав океанической воды и глубину океана, темпы выветривания (более подробно данные параметры можно посмотреть в дополнительных материалах к обсуждаемой статье). Три параметра — вклад живого вещества, количество вулканических выбросов и чувствительность климата — не удается надежно восстановить по имеющимся данным, из-за чего ученым и пришлось создать пять различных моделей, отражающих их возможную вариативность.

Рис. 3. Пять основных модельных сценариев хронологии событий на границе мелового и палеогенового периодов (K/Pg, горизонтальная красная линия). A — формирование траппов предшествовало падению Чиксулубского астероида; B — половина траппов успела излиться до падения астероида, половина — после; C — более слабые (по сравнению со сценарием B) пульсы вулканизма происходили до и после падения; D — траппы сформировались после падения, E — базальты равномерно изливались на всем рассматриваемом промежутке времени. Время отложено по вертикальной оси. Темно-красные линии — реконструированный профиль температуры (тот же, что на рис. 3), черные линии — изменение температуры по результатам моделирования. Черно-белая шкала справа — магнитохроны, единицы магнитохронологической шкалы. График из обсуждаемой статьи в Science

В первом сценарии вулканизм предшествует падению астероида и почти вся дегазация происходит до этого события. Вторым был сценарий «50:50», в котором примерно половина вулканических эпизодов предшествует столкновению, а вторая половина происходит после. В третьем сценарии рассматривались четыре эпизода вулканизма с мощным извержением прямо перед метеоритной катастрофой. В четвертом сценарии излияние базальтов происходило после падения астероида. Наконец, в пятом сценарии происходил равномерный продолжительный каскад извержений на всем изучаемом промежутке времени.

Как хорошо видно из рис. 3, три из пяти сценариев очевидно расходятся с реконструированными полеотемпературами. В третьем сценарии не воспроизводится потепление перед падением метеорита, но зато есть скачок температуры после него, отсутствующий в геологических данных. В четвертом сценарии потепления перед падением и после него имеют неправильные амплитуду. В пятом сценарии получается слишком продолжительное потепление.

По мнению исследователей первый и второй сценарии хорошо отражают влияние, которое оказывало формирование Деканских трапов на климат на границе мела и палеогена, и поэтому они могут быть использованы для уточнения истинной последовательности событий. Главная разница между этими сценариями проявляется в разной интенсивности позднемелового потепления, что является следствием различной модельной интенсивности вулканизма в этот период (87% выбросов трапповых газов в первом сценарии против 50% во втором). Относительно слабое влияние выбросов после начала палеогена во второй модели объясняется не столько их большей продолжительностью, сколько компенсацией за счет изменения в глобальном цикле углерода, вызванного вымиранием. Второй сценарий также поддерживают данные об активизации траппов после падения астероида за счет разрушения магматических камер сейсмическими волнами (см. новость Радиоизотопные датировки подтвердили связь между падением Чиксулубского метеорита и усилением траппового вулканизма, «Элементы», 05.10.2015).

Говоря о влиянии Деканских трапов на случившееся вымирание, важно отметить, что позднемеловое потепление — явно вызванное ими — не характеризуется каким-либо снижением биоразнообразия или перестройкой биологических сообществ (F. Gradstein et al., 2012. The geologic timescale). Хотя ареалы некоторых организмов и изменились во время потепления, к моменту падения астероида они вернулись к исходным. Соотношение изотопов углерода показывает отсутствие сдвигов в глобальном океанском цикле углерода в конце мела, а размер наблюдаемой аномалии δ¹³С сопоставим с тем значением, которое ожидается при активном вулканизме. Более того, уже через 30 000 лет после падения астероида в кратере, который заполнился водами мирового океана, наблюдалось здоровое и процветающее сообщество организмов (см.  Жизнь вернулась в кратер Чиксулуб почти сразу после падения астероида, «Элементы», 08.06.2018), что позволяет говорить об отсутствии в это время подавляющих факторов вроде продлившегося из-за вулканических выбросов глобального похолодания или закисления океанов.

А вот влияние метеоритного события на экосистемы гораздо значительнее. Сразу после столкновения исчезает более 90% планктонных фораминифер и 93% видов нанопланктона. Значительное смещение значений показателя δ¹³С для планктонных организмов указывает на перестройку углеродного цикла и изменение планетарных условий. Так, происходит смена доминирующих видов планктона и их относительной распространенности, что позволяет более эффективно накапливать CO₂ (P. Hull et al., 2011. A role for chance in marine recovery from the end-Cretaceous extinction). Такое изменение, однако, оказалось выигрышным в масштабе планетарного баланса, так как смогло скомпенсировать выбросы углерода во время последнего пульса извержения. Поэтому можно предположить, что само вымирание, оказавшее влияние на углеродный цикл, произошло до активизации вулканизма, а, следовательно, основной и единственной причиной вымирания следует считать падение астероида. Несмотря на подтвержденный факт продолжения активности траппов после этой катастрофы, влияния вулканов на глобальную экосистему не наблюдается, вероятно из-за эффективной работы буферного механизма океана.

Таким образом, сравнение реконструированной палеотемпературы на рубеже мела и палеогена с климатическими моделями, учитывающими влияние и астероидной катастрофы, и неравномерного излияния траппов, позволило ученым наконец хоть с какой-то степенью обоснованности ответить на давний вопрос о том, что же было раньше — траппы или астероид — и оценить влияние обоих факторов на атмосферу планеты. Авторы исследования показывают, что лучше всего мел-палеогеновое вымирание описывает гибридная модель, в которой половина базальтов Декана изливается до падения астероида, а половина — после него. При этом, по их мнению, за вымирание ответственно в первую очередь падение астероида, а траппы, тем самым, должны быть «оправданы».

Впрочем, нельзя не отметить, что любая геологическая или геохимическая модель — это довольно грубая попытка описать реальность, не учитывающая массу факторов и возможных сценариев развития событий. В большинстве случаев моделирование используется для предсказания свойств чего-то, что не удается (или невозможно) изучать экспериментально, или того, о чем у нас мало информации. В обсуждаемой работе таким спорным моментом является датировка различных эпизодов формирования Деканских траппов. Ученые как бы говорят нам, что в данном процессе, по их мнению, наиболее важными являются определенные факторы, поэтому если именно эти факторы учесть в модели, получится нечто приближенное к реальности. После презентации модели в научной среде обычно возникает дискуссия о ее корректности, что, как правило, приводит к уточнению или к отбраковке модели.

Учитывая всё это, говорить о том, что обсуждаемая статья окончательно и бесповоротно отвечает на все вопросы о том, как и что происходило на рубеже мела и палеогена, конечно же, нельзя. Чтобы здесь полностью разобраться, нужно получить невероятно точные и массовые датировки траппов, что пока невозможно. Но несовершенства моделирования как научного метода не отменяют того, что представленная в обсуждаемой работе модель является весомым и важным аргументом в продолжающейся научной дискуссии о причинах мел-палеогенового вымирания.

Источник: Pincelli M. Hull, André Bornemann, Donald E. Penman, Michael J. Henehan, Richard D. Norris, Paul A. Wilson, Peter Blum, Laia Alegret, Sietske J. Batenburg, Paul R. Bown, Timothy J. Bralower, Cecile Cournede, Alexander Deutsch, Barbara Donner, Oliver Friedrich, Sofie Jehle, Hojung Kim, Dick Kroon, Peter C. Lippert, Dominik Loroch, Iris Moebius, Kazuyoshi Moriya, Daniel J. Peppe, Gregory E. Ravizza, Ursula Röhl, Jonathan D. Schueth, Julio Sepúlveda, Philip F. Sexton, Elizabeth C. Sibert, Kasia K. Sliwin ́ska, Roger E. Summons, Ellen Thomas, Thomas Westerhold, Jessica H. Whiteside, Tatsuhiko Yamaguchi, James C. Zachos. On impact and volcanism across the Cretaceous-Paleogene boundary // Science. 2020. DOI: 10.1126/science.aay5055.

Кирилл Власов