MoneyMan

Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания

Рис. 1. Базальтовые скалы плато Путорана, входящего в Сибирскую магматическую провинцию, образованы траппами. Фото с сайта wikiznanie.ru

Самое грандиозное массовое вымирание в истории Земли, произошедшее в конце пермского периода примерно 252 млн лет назад, совпадает по времени с невероятно мощной вулканической активностью на территории нынешней Сибири, приведшей к формированию крупнейшей трапповой провинции мира — Сибирских траппов. В том, что эти два события связаны, ученые уже практически уверены, но пока не очень ясно, в чем эта связь состоит. Сравнение состава ксенолитов в образцах пород, вынесенных на поверхность до и после этих событий, подтверждает гипотезу о том, что вулканическая активность сопровождалась выбросами гигантских объемов галогенов и других летучих соединений, которые могли нанести непоправимый ущерб атмосфере Земли и вызвать биосферную катастрофу.

В нескольких местах на Земле сохранились следы мощнейшей вулканической активности прошлого, с которой все нынешние извержения не идут ни в какое сравнение: на территориях, сравнимых по площади с целыми странами, в течение сотен тысяч или даже миллионов лет изливались огромные количества лавы. Привычных нам вулканических конусов и кратеров не было, лава проникала на поверхность через многочисленные трещины в земной коре и благодаря низкой вязкости заполняла низины и растекалась на большие расстояния. Рано или поздно такие процессы прекращались, лава застывала, а в дело вступала эрозия. Сейчас в таких местах наблюдается характерный ступенчатый рельеф (рис. 1) — траппы (от шведского trappa — «лестница»).

Сибирские траппы (рис. 2) — одна из крупнейших магматических провинций (см. Large igneous provinces и новость В крупных магматических провинциях могло быть два источника магмы, «Элементы», 18.04.2018). Они сформировались около 252 млн лет назад. Примерно в то же время произошло массовое пермское вымирание — едва ли не величайшая катастрофа в истории жизни на Земле: за очень короткое время (около 1 миллиона лет, а по некоторым оценкам — даже быстрее) вымерло приблизительно 96% видов морских животных, 70% видов наземных позвоночных и более 83% видов насекомых. Естественно предположить, что эти два события связаны между собой.

Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания
Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания

Рис. 2. Карта Сибирской трапповой провинции. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

Сейчас ученые уже особо не сомневаются в этом, но пока непонятен конкретный механизм, из-за которого образование Сибирских траппов привело к таким катастрофическим последствиям для биосферы. Проблема еще и в том, что крупных магматических провинций на Земле довольно много (рис. 3), но их формирование далеко не всегда удается связать с вымираниями. Так что надо разобраться, что сделало Сибирские траппы такими «смертоносными» и что в них было такого особенного.

Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания
Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания

Рис. 3. Крупные магматических провинции (LIP). Оранжевым показаны щиты, розовым — платформы, бирюзовым — орогены, фиолетовым и темно-синим — крупные магматические провинции, желтым — участки растяжения земной коры, оттенками голубого — возраст океанической коры. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Угрозу для глобального природного равновесия в случае массовой вулканической активности обычно представляют не сами продукты излияний (лавы, туфы, пепел и т. д.), а сопровождающие ее выбросы вулканических газов, многие из которых являются токсичными для живых организмов или влияют на состав и физические свойства атмосферы. Однако для того, чтобы это влияние стало ощутимым в масштабах всей планеты, объемы этих выбросов должны быть весьма существенными. Имевшиеся ранее данные о содержаниях хлора и других галогенов, а также всего набора летучих элементов в верхней мантии, где шло формирование магматических очагов, противоречили подобному предположению. Задачей ученых было найти подтверждение факта накопления больших объемов летучих компонентов в магматическом очаге под Сибирской платформой.

Первый шаг в этом направлении был сделан в 2011 году, когда международная группа во главе с учеными из России предложила новую модель образования Сибирских траппов (см. новость Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение, «Элементы», 19.09.2011). Изучая химический состав сибирских базальтов, авторы пришли к выводу о том, что в составе материнской магмы присутствовала значительная примесь переработанных пород океанической коры, погрузившейся в мантию в процессе субдукции. Океаническая кора, содержащая значительно больше летучих компонентов, чем породы мантии, а также затянутая в зону субдукции морская вода и могли стать источниками летучих компонентов в мантийном магматическом очаге. Однако рассчитывать их объемы через составы базальтов было бы некорректно, так как большая их часть в процессе вулканической активности выделялась в атмосферу, а не накапливалась в застывающей лаве. Нужен был другой подход.

Геологи под руководством Майкла Бродли (Michael W. Broadley) из Центра петрографических и геохимических исследований в Вандёвр-ле-Нанси (Франция), будучи сторонниками так называемой гипотезы мантийных плюмов — наиболее распространенного среди ученых взгляда на источник базальтовых магм трапповых провинций — в качестве объекта своего изучения выбрали мантийные ксенолиты — обломки мантийных пород, захваченные магмой и вынесенные на поверхность (рис. 4). Изучив ксенолиты перидотитов из кимберлитовых трубок Удачная (возраст 360 млн лет) и Обнаженная (250 млн лет), ученые смогли составить представление о составе глубинных слоев литосферы под территорией современной Сибири до и после извержения сибирских траппов.

Выделение галогенов при формировании Сибирских траппов могло стать причиной массового пермского вымирания

Рис. 4. Образец мантийного ксенолита, вынесенного на поверхность в результате вулканического извержения, в поляризованном свете. Фото одного из авторов обсуждаемого исследования (М. Бродли) с сайта geologypage.com

Галогены и благородные газы в мантийных ксенолитах анализировались с помощью нейтронной масс-спектрометрии. Оказалось, что образцы пород верхней мантии, относящиеся к периоду до начала массового излияния сибирских траппов, насыщены элементами из группы галогенов — хлором, бромом и йодом, а более поздние, «послетрапповые» образцы уже не содержат галогенов. Отсюда авторы делают вывод о том, что в период массового излияния сибирских траппов вместе с лавой на поверхность выбрасывалось огромное количество газообразных галогенов, что могло привести к климатическим изменениям и существенной деградации окружающей среды, в том числе — к образованию кислотных дождей, закислению океана, истощению озонового слоя, и, как следствие, к коллапсу биосферы (см. Доказана роль резкого закисления океана в массовом вымирании на рубеже пермского и триасового периодов, «Элементы», 14.04.2015). Сами по себе летучие соединения хлора, брома, йода и астата являются токсичными, а вызванное ими разрушение озонового слоя привело к тому, что поверхность планеты подверглась воздействию смертоносной космической радиации.

Первичный объем мантийного резервуара галогенов авторы рассчитывают исходя из состава ксенолитов трубки Удачная и объемов излившейся магмы. Учитывая, что на территорию современной Сибири в поздней перми менее чем за 1 млн лет излилось около 4×106 км3 базальтовой лавы, а содержание хлора, брома и йода в перидотитовых ксенолитах из трубки Удачная превышает средние содержания этих элементов в современных базальтах срединно-океанических хребтов (MORB — mid-ocean ridge basalt), образовавшихся из уже деплетированной (истощенной) верхней мантии, соответственно в 125, 675 и 100 раз, объем галогенов в позднепермском верхнемантийном резервуаре составлял 0,6–1,5×1019 кг хлора, 1,6–2,7×1017 кг брома и 0,5–1,1×1014 кг йода. Это весьма значимые количества, которые при выбросе в атмосферу вполне могли привести к серьезной перестройке глобального цикла летучих элементов.

Отвечая на вопрос о первичном источнике галогенов в магматическом очаге Сибирской трапповой провинции, ученые выдвигают следующую гипотезу. Восходящий мантийный плюм, проходя через нижние слои литосферы, ассимилировал находящиеся в них галогены, изначально имевшие как мантийное происхождение, так и попавшие туда в результате инфильтрации субдуцированной морской воды. В результате метасоматических процессов, вызванных воздействием поступавших с поверхности (в процессе субдукции) флюидов, в верхней мантии произошло ее дополнительное обогащение летучими соединениями. В результате проплавления плюмом литосферы в его состав перешло до 70% «литосферных» галогенов (по расчетам авторов статьи).

Авторы делают вывод о том, что характер взаимодействия между плюмом и литосферой, а также состав литосферы являются ключевыми факторами накопления летучих в магматических очагах крупных магматических провинций, что в свою очередь определяет, насколько критическими с точки зрения экологии будут последствия массовых извержений в их пределах. В случае с Сибирской магматической провинцией позднепермского периода сработали оба фактора: изначально подстилающая литосфера, представленная метасоматически измененной океанической корой, была обогащена летучими компонентами, которые затем были ассимилированы и выведены на поверхность восходящим мантийным плюмом.

Источник: elementy.ru

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

5 × 5 =