«Тибетське нагір’я піднялося пізніше, ніж передбачалося»

Ріс. 1. Тибетське нагір’я обмежене Гімалайським хребтом на півдні і пустелею Такла-Макан на півночі. Супутникове фото з сайту ru.wikipedia.org

За допомогою палеогеографічних моделей можна реконструювати багато процесів, що відбувалися в минулому на нашій планеті: становлення ландшафту континентів і дна океану, утворення певних видів гірських порід і корисних копалин, варіації біорізноманіття, масові вимирання, еволюцію життя на Землі. Будуються такі моделі на основі інтеграції даних більш спеціалізованих моделей — палеотектонічних, геодинамічних, палеомагнітних, палеокліматичних, моделей атмосферних і морських циркуляцій тощо. Не менш важлива інформація про абсолютні позначки висоти рельєфу місцевості в минулому. Її допомагають отримувати палеоальтиметричні методи. Останнім часом цей напрямок активно розвивається, дозволяючи вносити коригування в палеогеографічні моделі. Один з основних методів палеоальтиметрії заснований на аналізі вмісту ізотопів кисню в зразках гірських порід. Розглянувши, як працює цей метод на прикладі Тибетського нагір’я, вчені дійшли висновку, що він потребують коригування, а підхід до палеогеографічних реконструкцій може бути тільки комплексним.

Тибетське нагір’я — найбільший за площею гірський масив на Землі, що має середню висоту близько 4800 метрів над рівнем моря. Він утворився приблизно 50 мільйонів років тому, в ранньому еоцені, в результаті зіткнення Індостанської і Євразійської тектонічних плит. На кордоні двох плит виникла складчаста область Гімалайських гір, при цьому край Євразійської плити був піднесений, утворивши Тибетське нагір’я. Цікавим з точки зору геодинаміки є питання про те, на яку висоту відбулося це підняття в еоцені і чи мали місце більш пізні вертикальні зрушення, що призвели до здимання території на нинішні висоти.

Справа в тому, що можливі як мінімум два сценарії такого підняття, які могли працювати одночасно. По-перше, воно могло стати результатом найбільш колізійної події (зіткнення плит). По-друге, зіткнення могло тільки ініціювати процес підняття краю Євразійської плити, а основний підйом території був вже пов’язаний з більш пізніми процесами, що мають глибинну природу (наприклад, з висхідними потоками у верхній мантії). З’ясувавши, за яким сценарієм розвивалися події, ми наблизимося до розуміння того, які геологічні сили насамперед відповідають за формування гірських хребтів по краях тектонічних плит.

Дізнатися, якою була висота гір в минулому, досить складно, так як прямих методів палеоальтиметрії немає. З непрямих методів найбільш надійним вважається метод визначення давніх висот на основі ізотопного аналізу кисню. Дослідження атмосферних опадів у сучасних гірських областях Альп і Гімалаїв показали, що чим більше абсолютні позначки місцевості, де випадають опади, тим менше в них міститься важких ізотопів кисню. Експериментальне дослідження даної закономірності показало, що ізотопне ставлення атомів кисню є функцією температури, вологості атмосфери і тиску водяного пара (D. B. Rowley et al., 2001. A new approach to stable isotope-based paleoaltimetry: implications for paleoaltimetry and paleohypsometry of the High Himalaya since the Late Miocene).

На рівні моря кисень у складі дощових вод складається приблизно на 99% з ізотопу ¹⁶O і на 1% — з ізотопу ¹⁸O. Зі зростанням висоти частка ¹⁸O скорочується. Наприклад, у сучасних Гімалаях коефіцієнт ^ 18O у дощових водах зменшується приблизно на 2,8% з кожним кілометром висоти. Це дозволяє по ізотопному складу кисню в осадових породах визначити, на якій висоті вони утворилися. Зазвичай для такого аналізу використовуються стародавні опади високогірних прісноводних озер.

Коефіцієнт   18O

Для кількісної оцінки співвідношення ізотопів ¹⁶O і ¹⁸O використовується коефіцієнт ^ 18O, який дорівнює відношенню ¹⁶O/¹⁸O у вивченому зразку до ¹⁶O/¹⁸O в стандартному зразку, виражений в проміле. В якості стандарту використовується вода з добре відомим ізотопним складом, наприклад, — VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water), за складом приблизно відповідна воді глибинної частини Світового океану. У зв’язку з тим, що ізотопне фракціонування (поділ ізотопів) кисню сильно залежить від температури, коефіцієнт ^ 18O є одним з базових показників, за якими виконуються палеокліматичні реконструкції. Наприклад, відомо, що підвищення температури води на 1 ° С призводить до зниження ^ 18O на 0,22 ^ (S. Epstein et al., 1953. Revised carbonate-water isotopic temperature scale).

Дані ізотопно-кисневої палеоальтиметрії для Тибетського нагір’я (D. B. Rowley, B. S. Currie, 2006. Palaeo-altimetry of the late Eocene to Miocene Lunpola basin, central Tibet) показували, що в середньому еоцені, близько 40 мільйонів років тому, нагір’я було вже приблизно таким же високим, як і сьогодні, так як значення ^ 18O в карбонатних відкладеннях еоценових гірських озер приблизно відповідали сучасним. Однак у фахівців з геотектоніки можливість настільки швидкого і такого потужного гороосвіти величезної території тільки в результаті колізійної події викликала серйозні сумніви. До того ж дані, отримані за ізотопами кисню, не підтверджувалися палеонтологічними і особливо палеоботанічними знахідками в тих же осадових породах. Зокрема, зовсім недавно в породах центрального Тибету, що відносяться за віком до пізнього олігоцену, були виявлені сліди диптерокарпових дерев (H. Wang et al., 2018. Amber fossils reveal the Early Cenozoic dipterocarp rainforest in central Tibet), що ростуть у вологих тропічних лісах.

Для уточнення висотних відміток Тибету в еоцені вчені на чолі зі Світланою Ботсюн (Svetlana Botsyun) з Тюбінгенського університету створили цифрову модель, в якій дані ізотопно-кисневої палеоальтиметрії поєднані з атмосферними моделями загальної циркуляції (МОЦ). Результати опубліковані в журналі Science.

Автори дослідження виходили з того, що розподіл ізотопів кисню в атмосфері не тільки вказує на висоту над рівнем моря, але і є відображенням цілого комплексу палеокліматичних параметрів. В еоцені концентрація вуглекислого газу та інших парникових газів в атмосфері була значно вищою, ніж сьогодні. Також сильно відрізнялися і температури повітря над територією нинішньої Центральної Азії. Її географічне положення теж було іншим: Індостанська плита перебувала на 10 градусів південніше свого нинішнього положення, в більш теплому кліматичному поясі, а на південному віконечності Євразійської плити розташовувалося велике мілководне море Паратетіс, що має сильний вплив на вологість в регіоні.

Крім цих факторів, автори врахували у своїй комплексній моделі й інші параметри: парціальний тиск CO₂, показники поверхневого альбедо, орбітальні параметри Землі, температурне поле поверхні океану, а також напрямки руху повітряних мас і режиму осадження-випаровування води. Результати моделювання з урахуванням усіх цих додаткових палеокліматичних параметрів показали, що немає однозначної залежності розподілу ізотопного складу кисню від висоти (рис. 2). Часом спостерігається навіть зворотна картина: область з найменшими значеннями в 18O знаходиться на схемі не над високогірною областю Тибетського нагір’я, а на південь від нього — в передгірній області, для якої характерна потужна циклонічна циркуляція вологого повітря. Над Тибетським нагір’ям модель показує існування протинаправленої атмосферної циркуляції типу антициклону, що відповідає за підтримку в цій зоні сухого аридного клімату. Ці фактори суттєво вплинули на результати моделювання.

Ріс. 2. Результати комплексного моделювання, що враховує дані ізотопно-кисневої альтиметрії і загальної моделі циркуляції атмосфери LMDZ для середнього еоцену (42 млн років тому). Кольорами показані ізолінії коефіцієнта ^ 18O: від нульових значень, що мають місце тільки на рівні моря (де кількість ізотопу ¹⁸O близько до стандартного) до _ 11 — на південь від Тибетського нагір’я. Видно, що значення ^ 18O залежить не тільки від абсолютних позначок, але і від напрямків атмосферної циркуляції (чорні стрілки). Білими кружечками позначені місця відбору проб, які брали участь у дослідженні. Малюнок з обговорюваної статті в Science

Нова інтерпретація даних ізотопно-кисневої альтиметрії в рамках комплексної моделі (з урахуванням більш південного розташування Тибету, ніж зараз, і більш високого парціального тиску CO₂ в атмосфері) дозволила авторам зробити висновок про те, що в середньому еоцені (42-40 млн років тому) середні абсолютні позначки Тибетського нагір’я становили всього лише близько 3000 метрів над рівнем моря, що цілком узгоджується з палеонтологічними і палеоботанічними даними.

Комплексний підхід, використаний авторами, показав, що для визначення абсолютних висот рельєфу в минулому одного ізотопно-кисневого методу недостатньо: його потрібно поєднувати з іншими палеокліматичними моделями, в першу чергу з моделями загальної циркуляції атмосфери, ітераційно розраховуючи свій цифровий «ізотопно-кисневий альтиметр» для кожної географічної області і для кожного окремо взятого геологічного періоду. І тут ми маємо цікавий приклад зворотного зв’язку в наукових дослідженнях. Якщо раніше дані палеоальтиметрії використовували для коригування палеокліматичних моделей, то тепер зрозуміло, що потрібно враховувати взаємний вплив результатів двох підходів моделювання. Грубо кажучи, палеокліматичні моделі традиційно використовували дані палеоальтиметрії в якості вхідних даних, а тепер ясно, що і палеоальтиметричні розрахунки повинні враховувати дані палеокліматології. На жаль, все це тільки додає невизначеності в існуючі палеогеографічні моделі.

У будь-якому випадку, отримані авторами дослідження результати вказують на те, що в процесі деформації земної кори, що виникла при зіткненні двох літосферних плит в ранньому еоцені, Тибетське нагір’я було піднесено на висоту не більше 3000 метрів, а нинішніх абсолютних позначок регіон досяг значно пізніше, швидше за все, в неогені. І цей більш пізній підйом території, швидше за все, був пов’язаний з глибинними процесами в підстилаючій мантії.

Джерело: Svetlana Botsyun, Pierre Sepulchre, Yannick Donnadieu, Camille Risi, Alexis Licht, Jeremy K. Caves Rugenstein. Revised paleoaltimetry data show low Tibetan Plateau elevation during the Eocene // Science. 2019. V. 363. eaaq1436. DOI: 10.1126/science.aaq1436.

Владислав Стрекопитов