Великое пермское вымирание началось из-за вулканизма на южных окраинах Пангеи

Рис. 1. Расположение блоков континентальной коры, собранных в суперконтинент Пангея, и окружающих их океанов в конце пермского периода (253 млн лет назад). Красным показаны окраинно-континентальные вулканические дуги, оранжевым — Сибирские траппы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Новые датировки цирконов из вулканических отложений Австралии позволили установить, что начало позднепермского массового вымирания совпадает по времени с пиком вулканической активности на южных окраинах суперконтинента Пангея, который имел место 253±0,5 млн лет назад. Это на миллион лет раньше первого эпизода излияния Сибирских траппов, с которыми традиционно связывают крупнейшую в истории Земли биологическую катастрофу. По мнению авторов нового исследования, именно активизация вулканов на юге Пангеи привела к дестабилизации климата и «запустила» вымирание, а трапповый магматизм на территории современной Сибири лишь усугубил его последствия для земной жизни.

Позднепермское вымирание, которое еще называют Великим, — самое крупное из пяти массовых вымираний фанерозоя. Оно привело к исчезновению 96% всех морских видов и 73% видов наземных позвоночных. Это событие было настолько важным в геологической истории, что по нему проведена граница между пермским и триасовым периодами, а также между более крупными подразделениями геохронологической шкалы — палеозойской и мезозойской эрами. Произошло оно 251,902±0,024 млн лет назад.

На это время приходится пик вымирания морских видов в Северном полушарии. Одновременно на территории нынешней Сибири наблюдалась невероятно высокая вулканическая активность, приведшая к формированию крупнейшей трапповой провинции мира — Сибирских траппов. В ходе этого процесса из недр изверглось несколько миллионов кубических километров магмы, что привело к резкому изменению климата на планете — повысилась температура атмосферы и океана, увеличилась концентрация CO₂ и других вулканических газов в атмосфере, а в морской воде упало содержание кислорода. Все это, по мнению большинства ученых, и стало причиной крупнейшего в истории Земли вымирания (см.: Формирование сибирских траппов сопровождалось горением большого количества каменного угля, «Элементы», 22.06.2020; Важной причиной вымирания морских животных в конце пермского периода была нехватка кислорода, «Элементы», 17.01.2019; Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания, «Элементы», 25.09.2018).

Сначала считали, что биосферная катастрофа произошла с геологической точки зрения практически «мгновенно» — в течение нескольких десятков тысяч лет. На это указывала резкая смена состава морских биосообществ в Северном полушарии. Затем, когда ученые провели более детальные исследования в Южной Африке, то выяснили, что массовое вымирание животных видов на суше в Южном полушарии началось раньше, чем в океанах Северного (252,24 млн лет назад), и было не краткосрочным катастрофическим событием, а растянутым во времени процессом (см.: Массовое пермское вымирание на суше началось раньше, чем в океане, «Элементы», 13.04.2020). А смена наземных видов растений на территории современной Австралии, которая, как и Африка, в конце пермского периода входила в состав Гондваны (на тот момент — южной части Пангеи), произошла еще раньше — 252,31 млн лет назад (C. Mays et al., 2019. Refined Permian−Triassic floristic timeline reveals early collapse and delayed recovery of south polar terrestrial ecosystems).

Результаты палеоклиматических реконструкций указывали на то, что серьезные климатические изменения начались на Земле за сотни тысяч лет до начала излияния Сибирских траппов. При этом не факт, что вымирание наземных растений и животных, а также морских видов было вызвано в разных частях планеты одними и теми же причинами. Для морских видов критическим могло стать закисление океана (повышение кислотности морской воды), вызванное попаданием в океан углекислого газа из атмосферы (см.: Доказана роль резкого закисления океана в массовом вымирании на рубеже пермского и триасового периодов, «Элементы», 14.04.2015) или аноксия (anoxic event) — снижение содержания кислорода в воде. Для наземных животных — резкое потепление, связанное с выбросом вулканогенных парниковых газов (которые к тому же токсичны), а также разрушение пищевых цепей, вызванное изменениями в экосистемах. Наконец, для наземных растений — разрушение защитного озонового слоя и изменение состава атмосферы.

Геологи из Австралии и США предположили, что триггером начала перестройки глобальной климатической системы в конце пермского периода были интенсивные вулканические извержения вдоль активных континентальных окраин Гондваны, где происходило механическое взаимодействие океанических и континентальных плит (рис. 1). Сегодня эталоном такой геодинамической обстановки считается западное побережье Южной Америки, где под континент погружается океаническая кора, а на поверхности, над зоной субдукции вдоль всего побережья формируется цепочка вулканов — вулканическая дуга (рис. 2).

Рис. 2. Модель активной континентальной окраины. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Активные континентальные окраины существуют сотни миллионов лет, пока сохраняется движение на границе плит, но дуговый вулканизм в них носит эпизодический характер: магматические вспышки продолжительностью от 2 до 20 млн лет перемежаются с более длительными периодами затишья (30–70 млн лет). Возможно, это связано с накоплением критической массы расплава, образующегося при медленном плавлении погружающейся плиты. Первично расплав, как и исходная океаническая кора, имеет базальтовый состав. Но по мере подъема к поверхности он обогащается диоксидом кремния (SiO₂), который преобладает в породах континентальной коры, карбонатами и летучими компонентами. Поэтому вспышки активности в зонах дугового вулканизма сопровождаются значительными выбросами парниковых газов (H₂O, CO₂ и CH₄), влияющими на климат.

Однако точно определить время этих вспышек ранее не представлялось возможным. Теперь же, с помощью метода термоионизационной масс-спектрометрии (см. Thermal ionization mass spectrometry) с изотопным разбавлением изотопов (CA-TIMS) авторы впервые смогли получить высокоточные U-Pb датировки цирконов из девяти слоев вулканических отложений позднепермского возраста в восточной Австралии. Полученные результаты они дополнили опубликованными данными о возрасте тефры (пепловых отложений) в соседних осадочных бассейнах и гранитных батолитов, представляющих собой подземные части магматических очагов.

В итоге ученые выделили два периода магматической активности: более слабый 290–285 млн лет назад с интенсивностью 30 км³/млн лет/км и более сильный 260–245 млн лет назад с интенсивностью 63 км³/млн лет/км. В промежутках между этими вспышками интенсивность вулканизма, по оценкам авторов составляла 5–10 км³/млн лет/км. Вторая вспышка, имевшая место на рубеже перми и триаса, сопровождалась формированием огромной (6,5–8 км) толщи игнимбритов, что свидетельствует об активном притоке магмы, насыщенной летучими компонентами. В отличие от спокойного излияния траппов, такие магмы вызывают катастрофические извержения, сопровождающиеся выбросами в атмосферу огромного количества пепла и газов. Свидетельства тому — многочисленные слои вулканического пепла в осадочных породах на обширных территориях Нового Южного Уэльса и Квинсленда (рис. 3).

Рис. 3. а — два эпизода магматической активности в восточной Австралии в конце пермского периода. По горизонтали указан возраст (в млн лет назад), слева по вертикали — MAR, интенсивность магматизма (в км³/млн лет/км), справа по вертикали — мощность вулканических (голубым) и плутонических (розовым) пород (в метрах), серая кривая — расчетная толщина земной коры. b — геологические разрезы пяти угольных бассейнов восточной Австралии. По вертикали — возраст (в млн лет), голубые полоски и звездочки — горизонты игнибритов, розовым указаны горизонты тефры, красным на последнем столбике — граниты, зеленым — эпизоды потепления, полоса с черной штриховкой — период массового вымирания. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Геологическое картирование позволило выявить несколько отдельных кальдер возрастом от 257,54 до 253,34 млн лет, приуроченных к трем центрам извержений, которые мигрировали со временем. Первый эпизод вулканизма продолжался примерно 2,06 млн лет (257,54–255,48 млн лет назад), а его излияния объемом около 22 750 км³ были сосредоточены в западной части района. Затем в течение 1,12 млн лет (255,7–254,58 млн лет назад) более слабые извержения (3 250 км³) имели место в южной части. И завершилось все коротким (0,49 млн лет), но мощным эпизодом на северо-востоке (253,59–253,1 млн лет назад; около 13 000 км³).

Самый крупный слой тефры толщиной более 100 м прослеживается во всех пяти бассейнах. По своему составу (риолиты и риодациты (см. rhyodacite)) и возрасту (253 млн лет) он коррелирует с пепловыми отложениями, покрывающими большую часть восточной Австралии на площади не менее 950 000 км², что соответствует объему извержений более 150 000 км³. Для сравнения, извержение вулкана Везувий в 79 г. н. э., уничтожившее итальянский город Помпеи, образовало лишь 3–4 км³ лавы и пепла.

Синхронные вспышки окраинно-континентального кислого вулканизма возрастом от 255 до 250 млн лет идентифицированы по всей Южной Америке, Антарктиде и Китаю. Авторы считают, что именно они привели к началу глобального потепления в конце пермского периода (примерно 254 млн лет назад), так как сопровождались огромными выбросами парниковых газов. Последующие излияния Сибирских траппов в период 252,3–251,9 млн лет назад еще больше усугубили климатический кризис и процесс массового вымирания.

Снижение биоразнообразия на рубеже перми и триаса было многоэтапным процессом, считают исследователи. Началось все с объемных выбросов вулканического пепла и связанного с этим охлаждения атмосферы (вулканическая зима). Затем накопившиеся в атмосфере вулканические парниковые газы и аэрозоли привели к резкому потеплению. Палинологические данные указывают на повышенный уровень атмосферного углерода в осадочных слоях, перемежающихся со слоями тефры. Судя по всему, 254–252 млн лет назад планету охватили засуха и глобальные лесные пожары.

Пик активности извержений 253±0,5 млн лет назад хронологически совпадает с интервалами выраженного сокращения видов и гибели папоротниковых лесов на всей территории Гондваны, что и можно считать началом массового вымирания. Позднепермские породы восточной Австралии практически повсеместно представлены мощными угольными толщами, накопившимися всего за 500 тысяч лет (252,5–253 млн лет назад), с прослоями тефры и игнимбритов в них (см.: Формирование сибирских траппов сопровождалось горением большого количества каменного угля, «Элементы», 22.06.2020).

Источник: Timothy Chapman, Luke A. Milan, Ian Metcalfe, Phil L. Blevin, Jim Crowley. Pulses in silicic arc magmatism initiate end-Permian climate instability and extinction // Nature Geoscience, 2022. DOI: 10.1038/s41561-022-00934-1.

Владислав Стрекопытов