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.

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.

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.

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.

Александр Марков