Telderi

Кислородная революция и событие Ломагунди связаны с тектоническими процессами в раннем протерозое

Рис. 1. Вариации парциального давления атмосферного кислорода (а) и изотопного коэффициента δ13С (b) в геологической истории. По горизонтальной оси отложен возраст пород в млрд лет. Сплошной синей полосой на рисунке a показаны модельные значения (под данным T. W. Lyons et al., 2014. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere); синим пунктиром — значения О2, полученные расчетным путем по отношению Zn/Fe в карбонатах (по данным X. Liu et al., 2016. Tracing Earth’s O2 evolution using Zn/Fe ratios in marine carbonates). Точками на рисунке b показаны результаты измерения изотопного показателя углерода из разных источников (красная линия — усредненные значения). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Считается, что кислородная атмосфера на Земле образовалась благодаря жизнедеятельности цианобактерий. Первоначально весь кислород, который они производили, уходил на окисление поверхностных горных пород, газов атмосферы и соединений, растворенных в морской воде (в первую очередь — закисного железа). Около 2,45 млрд лет назад процесс окисления в целом завершился, и свободный кислород начал накапливаться в атмосфере. Этот процесс называют кислородной революцией. Темпы роста уровня кислорода в атмосфере в период кислородной революции были очень высокими, и примерно за 300 млн лет этот уровень достиг современного, после чего пошел на спад. Интересно, что практически параллельно с кислородом менялась геохимия еще одного важнейшего элемента — углерода: менялся его изотопный состав. Примерно через 100 млн лет после начала кислородной революции в карбонатных отложениях фиксируется резкий рост содержания изотопа 13С, а после ее окончания происходит возврат изотопного отношения углерода к исходному уровню. Резкий всплеск 13С в раннем протерозое получил название события Ломагунди. В новой статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience, предлагается модель, связывающая кислородную революцию, событие Ломагунди и глобальную тектонику.

Углерод имеет два стабильных изотопа: 12C и 13C. В природном углероде их 98,93% и 1,07%, соответственно. Это соотношение сохранялось на протяжении всей геологической истории, и только в породах, датируемых палеопротерозоем (2,3–2,1 млрд лет назад), доля 13C была примерно в 1,1 раза выше.

Впервые изотопная аномалия углерода была обнаружена в палеопротерозойских доломитах формации Ломагунди в Зимбабве (M. Schidlowski et al., 1976. Carbon isotope geochemistry of the Precambrian Lomagundi carbonate province, Rhodesia). Тогда ученые интерпретировали ее как локальную, характерную для замкнутого бассейна, в котором активно происходило накопление биомассы, в которой связывается 12C. Изотопный состав углерода в морской воде отражает баланс между выветриванием углеродсодержащих пород с нормальным соотношением 13C/12C и накоплением органического углерода, обогащенного 12C.

Позднее стало ясно, что относящиеся к этому времени известняки и доломиты, значения изотопного коэффициента δ13С в которых превышают 10‰, встречаются по всему миру, что свидетельствует о том, что в этот период изменился изотопный состав углерода в водах Мирового океана. Это явление было названо событием Ломагунди (Lomagundi Carbon Isotope Excursion). Считается, что причиной дополнительного изъятия легкого изотопа углерода из морской воды и повышения в ней показателя δ13С был резкий рост в палеопротерозойских бассейнах цианобактерий.

Казалось бы, все сходится и даже наблюдается обратная связь: цианобактерии начали вырабатывать кислород → усилилось окислительное выветривание поверхностных пород → дополнительный привнос углерода в прибрежные бассейны способствовал бурному росту цианобактерий, которые еще активнее вырабатывали кислород. Считается, что именно деятельность цианобактерий в конце концов привела к тому, что земная атмосфера стала окислительной примерно 2,5 млрд лет назад. Процесс изменения состава атмосферы в сторону большего содержания кислорода называют кислородной революцией (см. «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2014).

Однако, с самого начала ученые сомневались в том, что источником такого количества углерода был процесс выветривания. К тому же было не очень понятно, почему событие Ломагунди началось на 100 млн лет позже кислородной революции, и уж совсем непонятно, почему еще через 200 млн лет отношение 13C/12C восстановилось и больше уже не менялось.

Исследователи из Университета Райса в Хьюстоне (США) предложили гипотезу, устраняющую все эти нестыковки. Описание исследования опубликовано в журнале Nature Geoscience.

Используя простую блочную модель (box model) потоков кислорода и углерода между внешними (атмосфера и океан) и внутренними (земная кора и мантия) резервуарами, авторы показывают, что изменение концентрации кислорода в атмосфере и изотопную аномалию углерода можно объяснить тектоническими событиями, которые 2,5 млрд лет назад привели к увеличению вулканической активности и росту вулканогенного СО2 в атмосфере. Выбрасываемый вулканами углекислый газ участвовал в реакции фотосинтеза (6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2). При этом углерод накапливался в биомассе, а свободный кислород выделялся в атмосферу.

Ученые предполагают, что общей первопричиной и кислородной революции, и события Ломагунди была тектоническая активность, а точнее — запущенный в раннем протерозое механизм тектоники плит.

Далее, по их мнению, события развивались следующим образом:

  • Резкое увеличение тектонической активности привело к образованию по окраинам континентов сотен вулканов, которые выбрасывали в атмосферу углекислый газ.
  • Климат согрелся, увеличилось количество осадков, что усилило процессы выветривания — химического и механического распада горных пород.
  • Продукты выветривания, богатые углеродом и питательными веществами (кремнием, фосфором и др.), сносились в океаны, где шло активное образование карбонатных пород, а в прибрежной зоне бурно размножались цианобактерии, которые к тому времени уже существовали на планете в течение 500 млн лет.
  • Органический углерод цианобактерий и неорганический углерод карбонатов накапливался на морском дне и затем затягивался в мантию Земли в зонах субдукции. Дальше в игру вступала геохимия, определяющая различное время пребывания в мантии этих двух форм углерода.
  • Карбонаты гораздо легче высвобождаются в магмах и неорганический углерод возвращался на поверхность раньше через вулканы островных дуг, расположенных непосредственно над зонами субдукции.
  • Органический углерод, обогащенный 12C, затягивался глубоко в мантию — практически до ее границы с ядром, и поэтому вернулся на поверхность на сотни миллионов лет позже в виде углекислого газа из вулканов горячих точек (таких как Гавайи или Йеллоустон), образующихся в зонах всплытия мантийных плюмов (рис. 2).

Кислородная революция и событие Ломагунди связаны с тектоническими процессами в раннем протерозое

Рис. 2. Общая схема цикла неорганического (обогащенного 13C) и органического (обогащенного 12C) углерода в мантии. Оранжевым цветом условно показано ядро Земли, зеленым — мантия. Рисунок с сайта deepcarbon.net

Так как органический углерод оставался в мантии значительно дольше, чем неорганический, после начала тектоники плит в геохимическом цикле углерода возник период, продолжавшийся несколько сотен миллионов лет, когда доля 13C в продуктах вулканических выбросов была аномально высокой. Это и было событие Ломагунди. Оно началось с извержения первых островодужных вулканов, выносящих в атмосферу неорганический углерод карбонатов, а закончилось, когда заработали вулканы горячих точек, возвращающие в атмосферу органический углерод.

Такая схема объясняет и связь кислородной революции с углеродной аномалией, и сдвиг по времени между ними, и возникновение большого количества углерода в раннем протерозое даже без какого-либо изменения доли захороненного в виде органики углерода по сравнению с углеродом карбонатных пород — фактора, который часто используют для объяснения причин события Ломагунди.

Обосновывая несостоятельность последнего, авторы отмечают, что мощный приток углерода в морские бассейны привел бы не только к увеличению биомассы цианобактерий, но и к более активному накоплению карбонатных пород, что уравновесило бы соотношение изотопов углерода. А гипотеза их разделения в мантии прекрасно объясняет возникновение временного изотопного дисбаланса.

То, что органический углерод был вовлечен в более длительный геохимический цикл в мантии, говорят и результаты современных наблюдений: газы вулканов горячих точек и сегодня обогащены легким углеродом по сравнению с вулканами островных дуг или срединно-океанических хребтов (R. Dasgupta, M. Hirschmann, 2010. The deep carbon cycle and melting in Earth’s interior).

На графиках, полученных в результате моделирования (рис. 3) видно, что заработавшая 2,5 млрд лет назад тектоника плит была причиной и кислородной революции, и перестройки геохимического цикла углерода, отражением которой стало событие Ломагунди. При этом нисколько не умаляется роль цианобактерий как главных продуцентов кислорода.

Кислородная революция и событие Ломагунди связаны с тектоническими процессами в раннем протерозое
Кислородная революция и событие Ломагунди связаны с тектоническими процессами в раннем протерозое

Рис. 3. Изменение важнейших геохимических параметров на рубеже 2,5 млрд лет назад (вертикальный пунктир — время начала кислородной революции). а — изотопное отношение δ13С (голубые кружочки — результаты анализов по различным источникам, оранжевая кривая — усреднение этих данных). b — парциальное давление кислорода в атмосфере по сравнению с современным уровнем: голубые полосы — то же, что на рис. 1, оранжевая линия с доверительным интервалом принята в качестве модельных значений. Видно, что рост δ13С на верхней диаграмме начался примерно через 100 млн лет после начала кислородной революции. с — выбросы СО2 (в граммах С за млн лет): черная линия — вулканы горячих точек, фиолетовая — вулканы островных дуг, оранжевая — базальты срединно-океанических хребтов, красная — масса углерода, накопленного в карбонатах и биомассе, зеленая — общая продукция вулканогенного углерода. d — природные резервуары углерода (в граммах С): фиолетовая линия — в атмосфере и океане, красная — органический С в коре, зеленая — органический С в мантии. По горизонтали — время в млрд лет. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Основной вывод авторов исследования заключается в том, что старт глобальной тектоники плит в раннем протерозое мог запустить сложный механизм, увязывающий воедино вулканические выбросы СО2, накопление биомассы и продукцию атмосферного кислорода. Ученые отмечают, таким образом, что глобальная тектоника должна была сыграть важную роль в эволюции жизни на поверхности планеты.

Источник: elementy.ru

Telderi

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

один × два =