Когда вулканы охлаждают планету: неожиданный поворот в истории Земли

Вулканизм обычно ассоциируется с повышением уровня углекислого газа (CO2) в атмосфере, однако в позднем палеозое этот принцип, похоже, перевернулся с ног на голову. Новые результаты показывают, что во время формирования крупной магматической провинции — зоны интенсивной магматической активности — на территории современного Южного Китая концентрация CO2 снизилась примерно на 50%.

Как сообщают исследователи в журнале Nature Communications, этот эффект, вероятно, был вызван усилением эрозии и выветривания горных пород в результате поднятия земной коры. Команда ученых предполагает, что эти данные подчеркивают разнообразие воздействий крупных магматических провинций на окружающую среду.

Больше, чем супервулкан

«Мы говорим о масштабах магматической активности, по сравнению с которыми даже суперизвержение Йеллоустоуна кажется незначительным», — комментирует Бенджамин Блэк, геолог из Ратгерского университета (штат Нью-Джерси), не участвовавший в исследовании. В любой момент времени на Земле происходит несколько извержений вулканов, но даже самые впечатляющие из них меркнут на фоне активности крупных магматических провинций (КМП). «Крупная магматическая провинция может содержать достаточно магмы, чтобы покрыть территорию континентальных США слоем глубиной около полукилометра», — добавляет он.

Крупные магматические провинции возникают каждые 20–30 миллионов лет, и многие из них хронологически привязаны к массовым вымираниям в прошлом Земли. Причинно-следственная связь между КМП и вымираниями кажется логичной, поскольку вулканизм обычно связан с выбросом таких газов, как CO2; кроме того, было доказано, что КМП продолжают выделять CO2 даже после прекращения поверхностных извержений. Углекислый газ способен существенно изменять природную среду, вызывая потепление климата и закисление океана.

КМП и биотические кризисы

Примерно 260 миллионов лет назад, в конце гваделупской эпохи, появление крупной магматической провинции совпало с событием массового вымирания. Популяции морских обитателей, таких как кораллы и моллюски, пострадали в тот же период, когда интенсивная магматическая активность охватила части современного Южного Китая.

Исследователи давно задавались вопросом, был ли этот биотический кризис действительно спровоцирован так называемой Эмэйшаньской крупной магматической провинцией, названной в честь китайской горы Эмэйшань. Чтобы проверить эту гипотезу, геохимик Цзяхэн Шэнь из Пекинского университета и ее коллеги реконструировали концентрацию атмосферного CO2, характерную для периода 260 миллионов лет назад. Значительное повышение уровня CO2 стало бы весомым аргументом в пользу того, что условия изменились настолько, что жизнь с трудом адаптировалась к ним.

Команда проанализировала морские отложения, обнаруженные в провинции Сычуань (где расположена гора Эмэйшань), сосредоточившись на ископаемых остатках фотоавтотрофных организмов, таких как водоросли и цианобактерии, которые при жизни потребляли CO2. Поскольку углерод имеет несколько изотопов, эти остатки служат окном в древние изотопные соотношения углерода. «Они запечатали в себе изотопную сигнатуру океана и атмосферы того времени», — объясняет Шэнь.

Организмы охотнее всего поглощают CO2, содержащий самый легкий изотоп углерода — 12C, когда CO2 в изобилии. Поэтому соотношение 12C к 13C может использоваться как индикатор концентрации парникового газа в атмосфере. Шэнь и ее команда выяснили, что уровень CO2 оставался примерно стабильным на отметке около 700 частей на миллион на протяжении примерно 7 миллионов лет в среднюю пермь. Затем, в течение примерно 3 миллионов лет, уровень резко упал до минимума около 350 частей на миллион в раннюю и основную фазы вулканизма Эмэйшаньской КМП, достигнув дна на 500 тысяч лет к концу гваделупской эпохи. «Это было большим сюрпризом — обнаружить это снижение CO2», — говорит участник команды И Гэ Чжан, геохимик из Гуанчжоуского института геохимии Китайской академии наук. «Мы пытаемся понять, как это объяснить».

Взгляд в небо

Одно из объяснений, предложенное командой, — выветривание, вызванное поднятием земной коры. Ранние стадии формирования крупной магматической провинции связаны с тем, что магма буквально выталкивает земную кору вверх. Это усилие может привести к куполообразному поднятию коры, «напоминающему форму гриба», говорит Чжан. Команда нашла доказательства такого поднятия коры в виде эродированного известняка в области, имеющей форму круга диаметром около 800 километров. «По мере приближения к центру известняк систематически истончается, — говорит Шэнь. — Наблюдается очень характерная картина». По оценкам команды, кора поднялась в общей сложности примерно на 1000 метров.

Любая форма рельефа, возвышающаяся над соседними, будет подвергаться преимущественной эрозии и выветриванию — процессам, которые могут извлекать CO2 из атмосферы Земли, когда горные породы вступают в реакцию с кислотными дождями. Возможно, именно это и происходило на ранних стадиях формирования Эмэйшаньской КМП, прежде чем начался активный вулканизм, заключают Шэнь и ее коллеги.

«Супервулканы могут делать гораздо больше, чем просто нагревать планету», — утверждает Шэнь. Таким образом, традиционная картина, согласно которой крупные магматические провинции и связанные с ними супервулканы всегда связаны с ростом CO2, является явно упрощенной.

Значение открытия и новые вопросы

Полученные результаты открывают новую главу в понимании того, как глубинные процессы Земли формируют климат. Если поднятие коры и последующее выветривание могут настолько эффективно снижать уровень парниковых газов, возможно, в истории планеты существовали и другие периоды, когда вулканизм парадоксальным образом способствовал похолоданию.

Это открытие заставляет по-новому взглянуть на механизмы восстановления биосферы после массовых вымираний. Снижение концентрации CO2, вызванное гигантским извержением, могло смягчить парниковый эффект, но одновременно создало новые вызовы для флоры и фауны, адаптированных к высокому уровню углекислоты. Ученым предстоит выяснить, как именно морские экосистемы отреагировали на этот двойной удар: сначала на извержение, а затем на резкое падение концентрации ключевого для фотосинтеза газа.

Кроме того, это исследование имеет значение и для современной климатологии. Понимание того, как естественные процессы (тектоническое поднятие и выветривание силикатных пород) способны в геологических масштабах регулировать содержание CO2, помогает уточнять долгосрочные климатические модели. Если в прошлом гигантские вулканические провинции действовали как гигантские «насосы», выкачивающие углерод из атмосферы, это дает ключ к разработке геоинженерных методов борьбы с глобальным потеплением, хотя и подчеркивает масштабность и сложность таких вмешательств.

Мнение экспертов

Эти результаты выглядят логичными, считает Морган Шаллер, геохимик из Политехнического института Ренсселера (Трой, штат Нью-Йорк), не принимавший участия в исследовании. Однако, по его словам, отсутствие ярко выраженных пиков CO2 не означает, что их не было вовсе: проблема может крыться во временном разрешении данных. «Возможно, вы просто не видите пиков из-за недостаточно высокой детализации».

Пол Вигналл, геолог из Университета Лидса (Великобритания), также не участвовавший в работе, добавляет, что важно будет воспроизвести этот результат на примере других крупных магматических провинций. «Если вы начнете получать такой же результат в других местах, к этому придется отнестись очень серьезно».