Радиоизотопные датировки подтвердили связь между падением Чиксулубского метеорита и усилением траппового вулканизма

5.10.15 | Палеонтология, Александр Марков | Комментарии (28)

Однако в то же самое время на противоположной стороне земного шара, в Индии, происходило другое катастрофическое событие: формирование деканских траппов. Этот эпизод траппового вулканизма начался за несколько сотен тысячелетий до метеорита и вымирания, поэтому его роль в экологической катастрофе неочевидна. Новые датировки деканских лав, выполненные при помощи высокоточного аргон-аргонового метода, наряду с другими данными, показали, что после падения метеорита характер траппового вулканизма радикально изменился. Извержения стали редкими, но гораздо более мощными, а средний темп излияния магмы увеличился примерно вдвое. Новые данные согласуются с гипотезой о том, что сейсмическое воздействие метеорита привело к усилению траппового вулканизма. Усилившийся вулканизм, в свою очередь, мог не только внести важный вклад в само массовое вымирание, но и задержать начало восстановления биоразнообразия примерно на полмиллиона лет.

Спор о причинах великого вымирания на рубеже мела и палеогена продолжается уже много десятилетий. Предложенные гипотезы исчисляются сотнями, однако сколько-нибудь солидная доказательная база имеется лишь у немногих.

Гипотеза о связи вымирания с падением Чиксулубского метеорита (см. Chicxulub crater), предложенная Луисом Альваресом, поначалу была встречена многими палеонтологами в штыки (об этом подробно рассказано в книге К. Ю. Еськова «История Земли и жизни на ней», глава 12). Однако по мере накопления новых данных гипотеза Альвареса выглядит всё более убедительной. В частности, уточненные датировки момента импакта в сочетании с детальным анализом последовательности событий в отдельных морских и наземных экосистемах показали, что ключевые кризисные биотические события хронологически довольно точно совпадают с падением метеорита. С другой стороны, есть основания полагать, что многие экосистемы к тому времени по тем или иным причинам (в том числе из-за периодических резких похолоданий) уже находились в ослабленном, уязвимом состоянии (P. R. Renne et al., 2013. Time Scales of Critical Events Around the Cretaceous-Paleogene Boundary). Тем не менее в том, что Чиксулубский метеорит сыграл роль «спускового крючка» экологической катастрофы, большинство специалистов сегодня уже не сомневается.

Дело осложняется тем, что в момент мел-палеогенового вымирания на планете происходило еще одно катастрофическое событие, которое тоже могло бы претендовать на роль главной причины кризиса. На территории нынешней Индии разворачивался очередной эпизод траппового магматизма — формирование деканских траппов (рис. 1). О том, что такое трапповый магматизм и почему он может приводить к массовым вымираниям, рассказано в новости Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение, «Элементы», 19.09.2011.

Главный аргумент против ведущей роли траппового магматизма в мел-палеогеновом вымирании состоит в том, что излияние деканских лав началось примерно за полмиллиона лет до вымирания (и до падения метеорита).

Однако в последние годы детальное изучение деканских траппов и геофизическое моделирование дали результаты, позволяющие предположить, что между метеоритом, траппами и вымиранием все-таки была тесная связь. Трапповый вулканизм, действительно начавшийся задолго до Чиксулубского импакта по чисто земным, внутренним причинам (см. Мантийный плюм), мог резко усилиться в результате сейсмического воздействия метеорита. Известно, что землетрясение в одной точке Земли может стимулировать вулканическую активность в другой. Энергии импакта было достаточно, чтобы вызвать извержения вулканов по всему миру и активировать уже имеющуюся «горячую точку» траппового вулканизма (M. A. Richards et al., 2015. Triggering of the largest Deccan eruptions by the Chicxulub impact).

В статье, опубликованной в свежем выпуске журнала Science, геологи из США и Индии приводят новые аргументы в пользу этой идеи. Авторам удалось с высокой точностью датировать образцы плагиоклазов из ряда последовательных слоев деканских лав при помощи аргон-аргонового метода (см.: Argon–argon dating). Возраст нескольких других слоев удалось определить ранее при помощи уран-свинцового датирования кристаллов циркона.

Авторы сопоставили полученные датировки с имеющимися оценками объема каждого слоя. Это позволило понять, как менялась со временем интенсивность извержений, то есть сколько кубических километров магмы в год извергалось на разных этапах формирования траппов. В итоге получилась следующая картина (рис. 2).

Рис. 2. Объем и возраст последовательных слоев деканских траппов. Слева — стратиграфическая колонка. Стратиграфия деканских лав основана на их геохимических характеристиках. Вся толща (деканская группа) подразделяется на три подгруппы, соответствующие трем этапам траппового вулканизма. Самая древняя подгруппа — Калсубай (Kalsubai), средняя — Лонавала (Lonavala), самая молодая — Вай (Wai). Подгруппы, в свою очередь, делятся на формации (Джохар, Такурвади и т. д.). Справа — график, отражающий динамику формирования деканских траппов. По горизонтальной оси — возраст в млн лет назад, по вертикальной — кумулятивный объем лавовых слоев в тысячах км3. Черными кружками показаны образцы, датированные аргон-аргоновым методом в обсуждаемой работе, белый кружок — образец, датированный тем же методом ранее, красные треугольнички — образцы, датированные ранее уран-свинцовым методом. Линия тренда отражает ускоряющийся темп извержения магмы: на начальных этапах траппового вулканизма (подгруппа Калсубай) извергалось в среднем по 0,4 км3 магмы в год, на поздних этапах (Вай) — по 0,9 км3. Тройная вертикальная линия у отметки 66,0 млн лет — рубеж мела и палеогена, совпадающий с моментом падения Чиксулубского метеорита (KPB). Red Boles — прослои красных железистых глин, образующиеся в результате выветривания и окисления магматических пород. Такие прослои свидетельствуют о длительных перерывах между извержениями. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Формирование деканских траппов началось почти за 500 000 лет до рубежа мела и палеогена. На первых этапах траппового вулканизма, соответствующих подгруппам Калсубай и Лонавала, на поверхность извергалось в среднем по 0,4 км³ магмы в год. Извержения были сравнительно небольшими, но следовали друг за другом почти без перерывов. О наличии или отсутствии длительных пауз между извержениями можно судить, во-первых, по количеству прослоев железистых глин, которые образуются в результате выветривания и окисления поверхностного слоя застывшей магмы (Red Boles, рис. 2), во-вторых — по изменчивости палеомагнитных характеристик лавовых слоев, в которых запечатлены происходившие в то время флуктуации магнитного поля Земли (см.: Geomagnetic secular variation).

Рубеж мела и палеогена, совпадающий с моментом падения Чиксулубского метеорита, скорее всего соответствует границе между подгруппами Лонавала и Вай. В это время характер вулканизма резко изменился. Скорость поступления магмы на поверхность увеличилась (70% всего объема деканских траппов приходится на подгруппу Вай), а немного позже, в верхней части формации Поладпер (Poladpur), извержения стали более прерывистыми и катастрофическими. Они теперь происходили реже, чем раньше, зато каждое из них сопровождалось излиянием огромных объемов магмы. Хорошо известно, что такой режим вулканической активности гораздо опаснее для биоты, поскольку приводит к единовременному выбросу в атмосферу больших количеств вулканических газов (см.: Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение, «Элементы», 19.09.2011). Трапповый вулканизм продолжался в таком режиме еще примерно полмиллиона лет после рубежа мела и палеогена.

Такая картина хорошо согласуется с гипотезой о том, что сейсмические волны, вызванные падением Чиксулубского метеорита у полуострова Юкатан, изменили характер траппового вулканизма на противоположной стороне земного шара. Авторы предполагают, что в основе этих изменений лежало слияние мелких магматических камер (см.: Magma chamber) в более крупные. Такое изменение структуры магматических камер на вершине мантийного плюма как раз и должно было привести к тому, что эпоху частых, но небольших извержений сменила эпоха извержений редких, но грандиозных (крупной магматической камере требуется больше времени для «перезарядки», зато и извержение получается более масштабным).

Эти предположения подтверждаются геохимическими данными. В ранних деканских лавах (подгруппы Калсубай и Лонавала) к мантийному веществу примешалась значительная доля вещества земной коры. Больше всего таких примесей в самом верхнем слое подгруппы Лонавала &mdsh; формации Буше (Bushe). Напротив, в лавах подгруппы Вай содержание вещества коры минимально. Это значит, что на поздних этапах траппового вулканизма магма встречала существенно меньше препятствий на своем пути к поверхности и меньше контактировала с породами коры. Это согласуется с предположением о разрушении перегородок между мантийными камерами в результате метеоритного сейсмического удара.

Таким образом, геологические данные подтверждают идею о том, что падение метеорита на территории нынешней Мексики могло изменить характер траппового вулканизма на территории нынешней Индии, причем изменить опасным для биоты образом. Это означает, что трапповый вулканизм все-таки мог внести существенный вклад в массовое вымирание. Кроме того, усиление вулканической активности, растянувшееся на полмиллиона лет, могло задержать восстановление биоты после кризиса.

Источник: Paul R. Renne, Courtney J. Sprain, Mark A. Richards, Stephen Self, Loÿc Vanderkluysen, Kanchan Pande. State shift in Deccan volcanism at the Cretaceous-Paleogene boundary, possibly induced by impact // Science. 2015. V. 350. P. 76–78.

См. также о трапповом вулканизме и его роли в массовых вымираниях:
1) Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение, «Элементы», 19.09.2011.
2) Доказана роль резкого закисления океана в массовом вымирании на рубеже пермского и триасового периодов, «Элементы», 14.04.2015.

Александр Марков

Крупнейшее массовое вымирание в истории Земли произошло около 250 млн лет назад, на рубеже пермского и триасового периодов. Примерно тогда же началось образование сибирских траппов — грандиозной толщи магматических пород объемом в несколько миллионов кубических километров. Предположение о связи между двумя событиями не подтверждалось имеющимися моделями, из которых следовало, что объем вулканических газов, выделившихся из магмы, был недостаточен для глобальной экологической катастрофы. Российские геологи показали, что мантийный «плюм» (восходящий поток), ответственный за образование сибирских траппов, содержал в себе значительную примесь переработанных плотных пород океанической коры. Из расчетов, проведенных с учетом этого факта, следует, что выброс CO₂ и HCl в самом начале формирования сибирской трапповой провинции был в несколько раз масштабнее, чем считалось до сих пор, и вполне мог вызвать массовое вымирание.

Плато Путорана на Таймыре образовано базальтовой лавой и представляет собой часть сибирской трапповой провинции, сформировавшейся около 250 млн лет назад в результате подъема «мантийного плюма» — потока раскаленных пород из мантии. Фото из синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Все извержения вулканов, свидетелем которых было человечество за свою недолгую историю, — сущий пустяк по сравнению с тем, на что в действительности способна эта планета. Самое грандиозное проявление земного вулканизма — это образование трапповых провинций (см. Траппы) — колоссальных толщ застывшей лавы и туфов, покрывающих сотни тысяч квадратных километров в нескольких регионах мира.

Одной из крупнейших трапповых провинций являются сибирские траппы, общий объем которых оценивают в несколько миллионов кубических километров вулканических пород (эффузивных — изверженных на поверхность и интрузивных — застывших в толще земной коры, см.: Магматические горные породы).

Сибирская трапповая провинция начала формироваться немногим более 250 млн лет назад, что довольно точно совпадает с рубежом палеозойской и мезозойской эр, когда произошло самое крупное за всю земную историю массовое вымирание (см.: Массовое пермское вымирание). Неудивительно, что многие геологи и палеонтологи давно предполагали существование причинной связи между этими событиями. Однако до сих пор данная гипотеза сталкивалась с несколькими серьезными трудностями.

Трапповый магматизм должен сопровождаться выбросом в атмосферу большого количества вулканических газов, таких как CO₂, SO₂ и HCl. Это в принципе может радикально повлиять на климат и круговорот углерода и привести к глобальной экологической катастрофе — весь вопрос только в масштабе и скорости выброса газов.

Прежние расчеты основывались на известных объемах выделения газов из изверженных магматических пород и известном объеме сибирских траппов. Учитывая, что формирование траппов происходило не мгновенно, а на протяжении довольно длительного времени (свыше миллиона лет), получалось, что среднегодовой объем выбросов CO₂ и других газов был сопоставим с тем, который наблюдается в наши дни в результате деятельности человека. Этого недостаточно, чтобы спровоцировать катастрофу, подобную великому пермотриасовому вымиранию.

У прежних моделей были и другие изъяны. Причиной траппового магматизма считаются грандиозные восходящие потоки перегретого мантийного вещества — так называемые мантийные плюмы (см. Mantle plume). По мере подъема мантийное вещество разогревается и расширяется, что ведет к снижению его плотности. Расчеты показывали, что давление плюма на литосферу должно приводить к подъему земной коры. Это должно происходить еще до начала главной фазы траппового магматизма, то есть раньше, чем расплавленная магма начнет прорываться в земную кору и на ее поверхность. В случае сибирской трапповой провинции должен был образоваться грандиозный бугор высотой около 2 км, однако никаких геологических свидетельств такого подъема обнаружено не было.

Эти противоречия удалось разрешить геологам Степану и Александру Соболевым и их коллегам из различных институтов России, Германии и Франции, чья статья опубликована в последнем выпуске журнала Nature. На основе детального химического анализа образцов сибирских базальтов авторы пришли к выводу, что в магме, из которой образовались сибирские траппы, имелась значительная (10–20-процентная) примесь переработанных пород океанической коры. Как известно, океаническая кора погружается в мантию в зонах субдукции, приуроченных к глубоководным желобам.

Океаническая кора отличается от типичных пород мантии по своему составу и плотности. Она тяжелее и содержит больше летучих веществ, способных высвобождаться при нагревании. Поэтому факт наличия такой примеси требует пересмотра имеющихся моделей формирования сибирской трапповой провинции.

Модель, разработанная авторами на основе новых данных, показывает, что никакого поднятия земной поверхности не должно было быть, потому что вершина мантийного плюма из-за примеси пород океанической коры имела более высокую плотность, чем считалось до сих пор, и механизм ее взаимодействия с литосферой был иным. Плюм не приподнимал литосферу, подобно чудовищному пузырю, а постепенно «проедал» ее снизу путем эрозии, которая происходила в зоне контакта расплавленного вещества вершины плюма с твердыми породами верхней мантии (которые составляют нижнюю часть литосферы). В результате всего за несколько сотен тысячелетий плюм «проел» себе путь до нижних слоев земной коры, располагавшихся на глубине около 50 км.

Реконструкция начальных этапов образования сибирских траппов. По вертикальной оси — глубина (км). Разными цветами показана температура пород. Вверху: через 0,15 млн лет после начала процесса (исходное положение вершины мантийного плюма показано пунктирным полукругом) плюм подходит к нижней границе литосферы (сплошная черная линия) и «растекается» под ней. Внизу: через 0,5 млн лет вершина плюма за счет эрозии (видны погружающиеся в недра обломки литосферы) проложила себе путь сквозь верхнюю мантию к земной коре. Это соответствует началу основной фазы траппового магматизма. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Модель также показала, что выброс в атмосферу CO₂ и HCl, высвобожденных из расплавленных пород, был, во-первых, в несколько раз более масштабным, чем предполагалось ранее, во-вторых — не постепенным, а стремительным. Основная масса газов должна была прорваться в атмосферу в самом начале процесса, еще до того, как расплавленная магма поднялась до глубины 50 км, то есть до основной фазы траппового магматизма. Оценка времени этого события — около 252,4 млн лет назад — весьма точно совпадает с современными датировками момента массового вымирания.

Таким образом, новая модель подтверждает гипотезу о том, что причиной великого вымирания был трапповый магматизм, а также дает ответы на некоторые спорные вопросы, связанные с механизмом образования трапповых провинций.

Скорость вымирания родов животных и растений (голубая область) и формирование крупных трапповых провинций (круги). Размер кругов отражает объем трапповых провинций (в млн куб. км). По горизонтальной оси — время в млн лет назад. Самое крупное вымирание совпадает с образованием сибирских траппов (Siberia, большой красный круг). Массовое вымирание на рубеже триаса и юры (около 200 млн лет назад) совпадает с образованием Центрально-Атлантической магматической провинции (CAMP). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Приложимы ли полученные выводы к другим массовым вымираниям и другим эпизодам траппового магматизма? Известно, что периоды формирования некоторых других трапповых провинций тоже совпадают во времени с крупными вымираниями. Однако эта зависимость четко прослеживается лишь до середины мезозойской эры (чуть менее 200 млн лет назад). Последующие эпизоды траппового магматизма, как правило, не вызывали массовых вымираний. Исключение — деканские траппы в Индии (Deccan traps), формирование которых совпадает с массовым вымиранием на рубеже мезозоя и кайнозоя 65,5 млн лет назад (когда вымерли динозавры). Но в это время на Землю упал еще и Чиксулубский метеорит, который, возможно, и стал главной причиной вымирания.

Почему же до середины мезозоя трапповый магматизм приводил к крупным экологическим катастрофам, а в последующие эпохи реакция биосферы на такие события стала менее драматичной? По мнению авторов, причиной могут быть произошедшие как раз в середине мезозоя изменения биогеохимического цикла карбоната кальция в Мировом океане (Ridgwell, 2005). Это событие иногда называют «мезозойской морской революцией». В это время добились эволюционного успеха и необычайно размножились планктонные одноклеточные организмы с известковым скелетом (фораминиферы, кокколитофориды). Для построения скелета они берут CO₂ из воды. Потом эти скелеты тонут, унося обезвреженный парниковый газ на дно океана. В результате океан превратился в эффективный буфер, способный сглаживать (в определенных пределах, разумеется) колебания уровня CO₂ в атмосфере и гидросфере. Таким образом, не исключено, что планктонные фораминиферы и кокколитофориды уже несколько раз спасали Землю от глобальных катастроф, подобных пермотриасовому вымиранию.

Источник: Stephan V. Sobolev, Alexander V. Sobolev, Dmitry V. Kuzmin, Nadezhda A. Krivolutskaya, Alexey G. Petrunin, Nicholas T. Arndt, Viktor A. Radko, Yuri R. Vasiliev. Linking mantle plumes, large igneous provinces and environmental catastrophes // Nature. 2011. V. 477. P. 312–316.