Выбросы углерода вдоль срединно-океанических хребтов — важнейший фактор палеоклимата

Рис. 1. Геохронологическая карта возраста океанического дна (шкала в млн лет). Новая океаническая кора (красная) образуется в зонах срединно-океанических хребтов, объединенных в единую глобальную сеть. Изображение с сайта oceanexplorer.noaa.gov.

Глобальные изменения климата, неоднократно происходившие в истории Земли, принято связывать с колебаниями концентрации углекислого газа в атмосфере. Моделирование, проведенное австралийскими геологами, показывает, что существенную и пока не до конца оцененную роль в этих изменениях играют процессы глобальной тектоники. Ключевым триггером крупных климатических сдвигов, по мнению авторов, служили изменения баланса между секвестрацией (связыванием) углерода в океанической литосфере и дегазацией в зонах вулканических дуг на окраинах континентов, срединно-океанических хребтов и континентальных рифтов. До этого роль срединно-океанических хребтов в дегазации практически не учитывалась. Теперь же результаты моделирования показали, что до середины мелового периода основным источником поступления углерода в атмосферу служили именно срединно-океанические хребты.

В истории Земли холодные (ледниковые) периоды чередуются с периодами относительного потепления («парниковыми» периодами). Основные факторы, влияющие на изменения климата — концентрация в атмосфере парниковых газов (таких как углекислый газ и, в меньшей степени, метан); параметры орбиты Земли; долгосрочные изменения солнечной активности. При этом количество парниковых газов в атмосфере во многом определялось океаническими и орогенными процессами, связанными с динамикой тектонических плит. Точность палеоклиматических и прогнозных климатических моделей зависит от того, насколько корректно они учитывают весь этот комплекс факторов.

Литосфера Земли, объединяющая земную кору и верхнюю мантию, состоит из фрагментов — тектонических (литосферных) плит, которые находятся в постоянном движении (рис. 1). В зонах срединно-океанических хребтов (СОХ) плиты расходятся, магматические расплавы поднимаются из мантии Земли на поверхность и затвердевают, образуя новую океаническую кору. Границы плит, где фрагменты литосферы расходятся, называют дивергентными, а сам процесс раздвижения литосферных плит — спредингом. В рельефе зоны спрединга выражены рифтами — крупными тектоническими структурами растяжения земной коры, для которых характерны частые землетрясения, активный вулканизм и высокий тепловой поток из глубин Земли. Процессы рифтогенеза (образования рифтов) происходят как в океане (главным образом, в зонах СОХ), так и на континентах (яркие примеры — система Восточно-Африканских рифтов, Байкальская рифтовая система и др.).

Если на дивергентных границах литосферные плиты раздвигаются, то на конвергентных границах — сталкиваются. Столкновение плит может привести к тому, что края одной или обеих плит деформируются, образуя горные хребты, или одна из плит опускается, «подныривает» под другую (процесс субдукции). Так, на конвергентных границах, где океаническая плита встречается с континентальной, океаническая кора опускается под континент, вдавливается в мантию Земли и начинает плавиться. Расплав поднимается вверх, «прожигает» вышележащую плиту и образует на поверхности цепь вулканов, параллельную границам плит (вулканические дуги). Вдоль этих границ часто происходят мощные землетрясения. Самый яркий пример конвергентной границы плит — Тихоокеанское вулканическое огненное кольцо.

Помимо дивергентных и конвергентных, существуют трансформные границы тектонических плит, где плиты скользят друг относительно друга. Вдоль них земная кора трескается и ломается, но не создается и не поглощается мантией.

Основной источник выброса углекислого газа в атмосферу — вулканические дуги, расположенные вдоль конвергентных границ литосферных плит. Однако недавнее исследование, проведенное австралийскими геологами, показывает, что так было не всегда. По мнению авторов, срединно-океанические хребты и континентальные рифты — места, где тектонические плиты расходятся, — на протяжении всего геологического времени играли более значимую роль в глобальном углеродном цикле Земли и управлении климатом, чем считалось до сих пор. Результаты опубликованы в журнале Communications, Earth and Environment.

Авторы использовали компьютерные модели для реконструкции движения углерода между расплавленными недрами Земли, океаническими плитами и атмосферой в течение всего фанерозоя (последние 540 млн лет). При этом они впервые учитывали при моделировании потоки углерода на только в зонах вулканических дуг на континентальных окраинах, но и в зонах СОХ и континентальных рифтов. Полученные данные они сопоставили с моделями миграции тектонических плит (рис. 2).

Рис. 2. Геодинамические модели и факторы, определяющие баланс углерода в атмосфере для периодов 0 (настоящее время), 60, 80, 130, 300, 400 и 500 млн лет назад. Слева — периоды «ледникового» климата; справа — периоды «парникового» климата. Бордовая линия — срединно-океанические хребты; черная линия с засечками — зоны субдукции; сиреневая линия с засечками — участки, где зоны субдукции пересекают границы карбонатных платформ (областей накопления карбонатных отложений — см. Carbonate platform). Цветные полосы вдоль зон сочленения литосферных плит — интенсивность поглощения или выделения углерода (в тоннах углерода на метр границы в год). Зеленая заливка — карбонатные платформы (светлым — активные, темным — неактивные). Рисунок из обсуждаемой статьи

Моделирование показало, что важная роль в регулировании концентрации углекислого газа в атмосфере принадлежит богатым углеродом глубоководным отложениям. По мере движения тектонические плиты переносят их к зонам субдукции, где они затягиваются в мантию, а затем высвободившийся из них углерод возвращается обратно в атмосферу в составе вулканических газов.

Авторы отмечают, что смена холодных и теплых периодов в истории Земли связана прежде всего с изменением баланса между совокупной вулканической дегазацией (на континентальных окраинах, в зонах СОХ и континентальных рифтов) и темпами связывания (секвестрации) углерода в породах, накапливающихся на океаническом дне: в периоды потепления совокупные выбросы CO₂ превышало секвестрацию углерода в углеродсодержащих породах; в периоды похолодания, напротив, преобладало поглощение углерода океанами Земли, что приводило к снижению уровня углекислого газа в атмосфере.

Важный результат данного исследования — доказательство того, что зоны срединно-океанических хребтов и континентальных рифтов (регионов, где расходятся тектонические плиты), наряду с конвергентными границами тектонических плит, где располагаются вулканические дуги, вносят существенный вклад в содержание углекислого газа в атмосфере. И этот фактор также необходимо учитывать в климатических моделях.

В последние 120 млн лет доминирующим процессом связывания углерода в морских отложениях стала деятельность планктонных фораминифер — одноклеточных организмов, использующих для своих известковых раковин углерод, растворенный в морской воде (Stergios D. Zarkogiannis et al., 2025. Planktonic foraminifera regulate calcification according to ocean density). Эти кальцифицирующие организмы появились около 200 млн лет назад и повсеместно распространились в Мировом океане примерно 150 млн лет назад. Примерно через 30 миллионов лет назад богатые углеродом отложения, созданные фораминиферами, начали достигать зон субдукции. Именно с этого времени выросла доля углерода, поступающего в атмосферу в составе вулканических газов вдоль вулканических дуг.

Авторы уверены, что до появления планктонных фораминифер роль карбонатного углерода, связанного с осадочными породами и высвобождающегося в зонах субдукции, была незначительной. В предыдущих моделях это не учитывалось, а современный уровень вулканической дегазации пересчитывался в прошлое просто исходя из оценки длины вулканических дуг в ту или иную эпоху.

Недостаточно учитывалась и роль зон дивергенции. Моделирование показало, что на протяжении всего периода от начала кембрия до середины мела (540–120 млн лет назад) ведущим фактором поступления углерода в атмосферу была именно дегазация вдоль срединно-океанических хребтов и континентальных рифтов. Перелом, после которого главным поставщиком углерода в атмосферу стали вулканические дуги, наступил только 120–100 млн лет назад (рис. 3). Он был связан не только со вступлением в игру карбонатных осадков, образованных фораминиферами, но и с резким сокращением активности СОХ.

Рис. 3. Изменение вклада различных источников в поступление углерода в атмосферу (в млн т С в год) в фанерозое. По горизонтали — возраст в млн лет. Черным — общее поступление углерода в атмосферу. Синим — совокупный вклад дивергентных границ (в том числе: розовым — срединно-океанических хребтов, сиреневым — континентальных рифтов). Бордовым — совокупный вклад конвергентных границ (в том числе: оранжевым — зон субдукции, зеленым — карбонатных платформ). Цвет фона: голубой — ледниковые периоды, розовый — «парниковые» периоды. Рисунок из обсуждаемой статьи

По мнению исследователей, скорость дегазации напрямую связана со скоростями спрединга и субдукции, а также общей протяженностью границ между литосферными плитами (рис. 4).

Рис. 4. Изменение основных геодинамических параметров в фанерозое. По горизонтали — возраст в млн лет. По вертикали: а — протяженность границ между литосферными плитами (в км) с разбивкой на зоны субдукции (желтым), СОХ (голубым), континентальные вулканические дуги (красным), участки пересечения с карбонатными платформами (зеленым); b — скорости спрединга (голубым) и субдукции (желтым), в км/год; с — скорость образования (голубым) и поглощения (желтым) земной коры, в км²/год. Рисунок из обсуждаемой статьи

Если сейчас объемы дегазации из зон СОХ оцениваются на уровне 10–16 млн т C в год, то в позднемеловую эпоху, когда после распада суперконтинента Пангея длина границ между плитами была максимальной, он, по оценке авторов исследования, составлял 30–40 млн т C в год. Современная оценка выбросов углерода в рифтовых зонах составляет примерно 14–15 млн т C в год.

Авторы признают, что их модель обладает значительным набором неопределенностей. В частности, она не учитывает толщину карбонатных платформ, а только их площадь. Из-за недостатка геологических данных трудно достоверно оценить и совокупный размер континентальных рифтов в домеловое время. Тем не менее, очевидно, что до середины мелового периода (120–100 млн лет назад) выбросы углерода из срединно-океанических хребтов и континентальных рифтов превышали объемы углеродной дегазации на конвергентных границах плит и составляли примерно 62% от общего объема выбросов углерода в атмосферу.

Источник: Ben R. Mather, R. Dietmar Müller, Adriana Dutkiewicz, Sabin Zahirovic. Carbon emissions along divergent plate boundaries modulate icehouse-greenhouse climates // Communications Earth & Environment. 2026. DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-03097-0.

Владислав Стрекопытов