Вулканічних викидів СО 2 наприкінці тріасу було достатньо для різкого потепління

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 65

Ріс. 1. Гори Середній Атлас в Марокко, складені пізньотріасовими базальтами Центрально-Атлантичної магматичної провінції. Зображення з сайту en.wikipedia.org

На рубежі тріасового і юрського періодів сталося одне з п’яти найбільших масових вимирань в історії Землі. Різні геологічні та палеокліматичні дані вказують на те, що в кінці тріасу клімат різко потеплів і підвищився рівень Світового океану. Принаймні половина відомих на сьогоднішній день видів, що жили на Землі в той час, вимерли. За часом тріасово-юрське вимирання збігається з вулканічною активністю в Центрально-Атлантичній магматичній провінції, прояви якої збереглися сьогодні з двох сторін від Атлантичного океану. У новому дослідженні геологи оцінили обсяги глибинного вуглекислого газу, які могли викинути вулкани, і показали, що його було достатньо, щоб змінити клімат Землі.

Більшість великих вимирань в історії Землі збігаються з періодами надзвичайно високої вулканічної активності. Такий збіг навряд чи випадковий, оскільки потужні виверження і виливи лави, що відбуваються в масштабах великих магматичних провінцій (див. Large igneous province), цілком здатні змінювати клімат, склад атмосфери і океану. Детальніше про великі магматичні провінції і механізми їх утворення читайте новину У великих магматичних провінціях могло бути два джерела магми («Елементи»,  , а про зв’язок масових вимирань з вулканізмом — новини Зв’язок масових вимирань з вулканізмом отримала нове підтвердження («Елементи»,   і Доведена роль різкого закислення океану в масовому вимиранні на рубежі пермного і періодового «», Елемового «»,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,,,,,, «,,,,,,,,,,,,,,», «»,,,,,,,,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,,,,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,, «»,,

Різке потепління, пов’язане з вулканічною активністю і викидами SO₂, традиційно вважається причиною «великого» пермського вимирання — найбільшого в історії Землі. Тоді виливалися траппи на території нинішнього Сибіру. А наприкінці наступного геологічного періоду — тріасу — вулканічна активність була зосереджена в межах Центрально-Атлантичної магматичної провінції (САМР — Central Atlantic magmatic province).

Сьогодні САМР розділена між чотирма континентами — Північною і Південною Америкою, Африкою і Європою, які в тріасі становили єдине ціле — суперконтинет Пангея. Наприкінці тріасу вулканічна активність у САМР стала першим етапом тектоно-магматичної активізації та рифтоутворення — процесів, які в юрському періоді призвели до розпаду Пангеї і розкриття Атлантичного океану. Продукти вулканічної активності в САМР збереглися у вигляді великих областей розвитку силлів (пластових інтрузій), полів гайок і лавових покровів базальтів в Амазонії, по всьому східному узбережжю Північної Америки, в Західній Африці і на Піренейському півострові (рис. 2).

Ріс. 2. Контури Центрально-Атлантичної магматичної провінції на момент 200 млн років тому. Синім показані потоки базальтових лав; жовтим — області розвитку силів; червоними штрихами — дайкові поля. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Communications

Суперечки між прихильниками і противниками гіпотези про провідну роль вулканізму в серйозних кліматичних змінах, які призвели до біосферної катастрофи на рубежі тріасу і юри, зазвичай впираються в кількісну сторону питання: чи було достатньо глибинного SO₂, що виділяється вулканами, щоб спровокувати глобальні зміни?

Щоб оцінити ці обсяги, міжнародна група вчених на чолі з Манфредо Капріоло (Manfredo Capriolo) з Університету Падуї в Італії вивчила розплавні включення, що збереглися в вулканічних породах.

За останніми оцінками (A. Marzoli et al., 2019. The Central Atlantic Magmatic Province (CAMP) in Morocco), магматична активність в межах САМР мала місце в період 201,6-201,1 млн років тому. За цей час на площі 10 млн км² вилилося близько 3 млн км³ базальтових магм у вигляді лавових потоків і впровадження приповерхневих інтрузій. Процес виливів був не безперервним, а складався з чотирьох коротких потужних імпульсів тривалістю сотні або перші тисячі років.

Автори нового дослідження вважають цей момент дуже важливим з точки зору оцінки впливу вулканічних викидів на природні системи. Одна справа, якщо загальний обсяг таких газів, як CO, CO₂, CH₄, SO₂, H₂S, HCl і CH₃Cl, що виділялися при виверженнях в САМР, рівномірно розподілити на півмільйона років, — в такому випадку навіть величезні сумарні вибори можуть бути «переварені» в атмосфері. І зовсім інші розрахункові концентрації в атмосфері отримають, якщо припустити, що до чверті від загального обсягу вивільнялося за кілька тисяч років.

Дослідники відібрали понад 200 зразків із силів і лавових базальтів САМР у Північній Америці, Африці та Європі. Приблизно в 10% зразків були виявлені розплавні включення, що містять газову фазу. В основному включення знаходилися в кристалах клинопіроксена, рідше — плагіоклазів, ортопіроксена і олівіна. Розмір включень становить від 5 до 50 мкм, а бульбашки газу займають в них від 0,1 до 0,5% обсягу, маючи діаметр від 1 до 15 мкм (рис. 3).

Ріс. 3. Мікрофото в світлі розплавних включень з газовими бульбашками в ортопіроксені (а), клинопіроксені (b і d) і плагіоклазі (с). Малюнок з обговорюваної статті в Nature Communications

Тверда, застигла частина включень була представлена склоподібною масою, збагаченою SiO₂ і Al₂O₃ і збідненою FeO, MgO і CaO в порівнянні з вміщуючими породами. Такий хімічний склад характерний для залишкового розплаву, що утворюється на останніх стадіях фракціонування типової базальтової магми, коли ця магма досягає поверхні. Це підтверджувало допущення авторів про те, що саме з таких пізніх розплавів і відбувалося виділення в атмосферу вулканічних газів.

Для встановлення форми вуглецю в газових включеннях (СО, SO₂, SN₄ або елементарний С), а також для виявлення інших летючих сполук (SO₂, H₂S і H₂O) автори використовували метод конфокальної раманівської мікроспектроскопії. Майже у всіх включеннях був виявлений елементарний вуглець у вигляді неупорядкованого графіту і аморфного вуглецю, а також SO₂ в концентраціях від 0,5 до 1,0% з розрахунку на масу всього включення, а не тільки бульбашок. Інші летючі сполуки в бульбашках виявлені не були, а в твердій частині включень методом мас-спектрометрії вторинних іонів автори виявили H₂O в кількостях 0,5-0,6 мас.% і CO2 (30-90 ppm).

Вуглекислий газ був присутній практично у всіх бульбашках, що, на думку авторів, говорить про те, що вся магматична система САМР була збагачена SO₂. Для з’ясування того, на яких глибинах розплавні включення захоплювалися зростаючими кристалами клинопіроксену, автори використовували калібровані за складом клинопіроксенів мінералогічні геобаротермометри вулканічних систем (K. D. Putirka, 2008. Thermometers and barometers for volcanic systems).

Для клинопіроксенів базальтів САМР розрахунковий тиск кристалізації виявився в діапазоні від 0,1 до 0,7 ГПа при температурах від 1150 до 1230 ° C, що відповідає умовам середньої континентальної кори (глибина близько 7-12 км). Звідси автори роблять висновок про те, що весь _SO2 в магмах САМР мав глибинне походження, а не був асимільований піднімається магмою з навколишніх порід.

При тиску 0,2 ГПа межа насичення SO₂ в базальтових розплавах становить близько 1000 ppm, збільшуючись на 500 ppm на кожні 0,1 ГПа. Беручи до уваги розрахункові глибини кристалізації, мінімальна оцінка концентрації SO₂ в мантії САМР перед виділенням газу перебувала між 500 і 4000 ppm.

Побудувавши модель еволюції базальтових магм САМР (рис. 4), автори підрахували, що загальна кількість SO₂, що виділився за весь період вулканічної активізації в Центрально-Атлантичній магматичній провінції в кінці тріасу, склала близько 10⁵ Гт.

Ріс. 4. Етапи еволюції базальтових магм САМР на їх шляху від мантії до поверхні. Ліворуч — дані геобарометрії клинопіроксенів, праворуч — шкала глибин. Нижня пунктирна лінія — межа мантії і нижньої кори; середня пунктирна лінія — глибина, вище якої починається виділення з розплаву газової фази SO₂ (бульбашки білого кольору); верхня пунктирна лінія — глибина, вище якої починається виділення з розплаву газової фази N₂O (бульбашки блакитного кольору) і сірки (бульбашки жовтого кольору). На врізці — розташування розплавних включень (червоні) з бульбашками SO₂ між кристалами клинопіроксену. Чорними пунктирними стрілками показано потенційні джерела вуглецю у верхній мантії і нижній корі. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Communications

Насиченість вуглекислим газом базальтових магм, що знаходяться на глибині, повинна була призвести до швидкого підйому магми до поверхні і вибухового характеру вивержень. Цей факт пояснює і дискретність вулканічної активізації в САМР, коли потужні імпульси вулканізму змінювалися періодами відносного спокою.

Вчені підрахували, що навіть протягом одного короткого епізоду вулканічної активності тривалістю близько 500 років на поверхню могло вилитися близько 100 тис. км³ базальтової магми, в якій містилося приблизно стільки SO₂ (5 ^{− 10}16 молей), скільки виробить людина протягом всього XXI століття, а це, за оцінками експертів, повинно було підвищити глобальну температуру мінімум на 2 ° C і знизити рН океану на 0,15. Сумарний ефект від _{виділення} SO2 протягом усього періоду вулканічної активності в Центрально-Атлантичній магматичній провінції наприкінці тріасу, на думку авторів, був цілком достатнім, щоб змінити клімат Землі настільки, щоб у біосфері планети почалися незворотні зміни.

Джерело: Manfredo Capriolo, Andrea Marzoli, László E. Aradi, Sara Callegaro, Jacopo Dal Corso, Robert J. Newton, Benjamin J. W. Mills, Paul B. Wignall, Omar Bartoli, Don R. Baker, Nasrrddine Youbi, Laurent Remusat, Richard Spiess, Csaba Szabó. Deep CO₂ in the end-Triassic Central Atlantic Magmatic Province // Nature Communications. 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-15325-6.

Владислав Стрекопитов