Проанализировав степень окисленности железа в базальтовых лавах, изливавшихся в разные периоды геологического времени на океаническое дно, американские геохимики восстановили историю насыщения кислородом глубинных частей океана. Так как степень насыщенности кислородом вод океана напрямую связана с парциальным давлением кислорода в атмосфере, ученые выяснили и то, когда содержание кислорода в атмосфере достигло современного уровня. Это произошло значительно позже, чем возникли первые виды животных.
Считается, что в самом начале протерозоя, примерно 2,5–2,2 млрд лет назад, в земной атмосфере впервые появился свободный кислород — произошла так называемая кислородная катастрофа (подробнее об этой гипотезе см. в новости «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2014). В результате общий характер атмосферы изменился с восстановительного на окислительный. До этого как на поверхности Земли, так и в водах мирового океана царила бескислородная среда.
Время начала глубинной океанской оксигенации (насыщения кислородом) — важный исторический рубеж в геологической истории Земли, с которым связано становление современных морских биогеохимических циклов и зарождение многих видов позднепротерозойской фауны, которой был жизненно необходим кислород. Считается, что глубины океана оставались практически лишенными кислорода между 2500 и 800 млн лет назад, а насыщение происходило 800–400 млн лет назад постепенно по мере роста парциального давления кислорода в атмосфере (PO2 atm). В период 2,5–2,3 млрд лет назад на фоне общего роста значение этого показателя перевалило отметку 10−5 от современного (PAL — present atmospheric level), а начиная с 400 млн лет назад значение PO2 atm превышало 70% PAL. Исходя из биогеохимических моделей, для того, чтобы произошла оксигенация глубинных зон океана, значение PO2 atm должно составлять от 15 до 50% PAL. Считается, что в период 2500–800 млн лет PO2 atm было ниже, а глубинные зоны океана были бескислородными или содержали первые микромоли молекул кислорода на килограмм воды. В настоящее время они содержат около 180 мкмоль О2/кг воды.
Гипотеза кислородной катастрофы основывается на результатах изучения геохимических параметров и изотопного состава осадочных отложений, сохранившихся на шельфе и континентальном склоне ниже волновой зоны (глубже 100 м). Однако результаты этих исследований вряд ли можно распространять на всю площадь океанского дна со значительно большими глубинами.
Чтобы восполнить пробел в знаниях об оксигенации глубинных частей океана, американские геохимики Дэниэл Столпер (Daniel A. Stolper) и Брэнин Келлер (C. Brenhin Keller) из Калифорнийского университета в Беркли предложили геохимический метод, основанный на анализе отношения количества трехвалентного железа к общему количеству железа (то есть степени окисленности железа, Fe+3/ΣFe) в древних гидротермально измененных базальтовых лавах, изливавшихся на морское дно. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Несмотря на то, что большая часть древних (домезозойских) базальтов к настоящему моменту исчезла в зонах субдукции, их фрагменты все же сохранились в офиолитовых комплексах, представляющих собой деформированные участки древней океанической литосферы. Авторы собрали данные по значениям Fe+3/ΣFe в базальтах из 73 офиолитовых комплексов. Всего были использованы данные по 1085 пробам, охватывающие период 3503–14 млн лет назад. В выборке участвовали только подводные базальты экструзивных фаций, так как экструзии формировались именно в местах наибольшей проницаемости океанической коры для морской воды. Помимо данных из офиолитовых комплексов, авторы использовали аналитику по образцам кернов, полученным в ходе реализации программ глубоководного бурения (1151 определение по 71 образцу). Результаты приведены на рис. 2.
Рис. 2. Диаграмма значений Fe+3/ΣFe для глубоководных базальтов. Красные квадраты — архейские офиолиты; сиреневые квадраты — ранне-среднепротерозойские офиолиты; синие квадраты — позднепротерозойские офиолиты; зеленые квадраты — раннепалеозойские офиолиты; коричневые квадраты — позднепалеозойские офиолиты; серые квадраты — мезозойско-кайнозойские офиолиты; бирюзовые точки — образцы глубоководного бурения мезозойско-кайнозойских океанических базальтов. Толстыми горизонтальными линиями того же цвета показаны средние значения для указанных периодов. Пунктирными линиями показан диапазон значений Fe+3/ΣFe в современных неокисленных базальтах срединно-океанических хребтов и задуговых бассейнов.
Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Как видно из рис. 2, средние значения Fe+3/ΣFe для архея (более 2500 млн лет назад), раннего и среднего палеозоя (2500–1000 млн лет) и позднего протерозоя (1000–541 млн лет), составляющие 0,20–0,26, находятся в пределах интервала значений для современных неизмененных (неокисленных) океанических базальтов (0,10–0,31). Это значит, что они изливались в бескислородной среде. При этом значения Fe+3/ΣFe оставались стабильными (в пределах погрешности измерений) в течение всего докембрия (около трех миллиардов лет).
Начиная с кембрийского периода (рубеж докембрия и фанерозоя) фиксируется устойчивый и постоянный рост средних значений Fe+3/ΣFe. Для раннего палеозоя (541–420 млн лет) этот параметр составляет 0,34; для позднего палеозоя (420–252 млн лет) — 0,47; для мозозойско–кайнозойских базальтов (менее 252 млн лет) — 0,58. Для современных базальтовых лав, изливающихся на морское дно (их еще называют подушечными лавами благодаря особым образованиям в виде подушковидных тел, рис. 1), характерна высокая степень окисленности железа, связанная с циркуляцией насыщенной кислородом морской воды в верхних слоях океанической земной коры. На диаграмме также хорошо видно, что образцы базальтовых лав, полученные из кернов буровых скважин, менее окислены, чем современные подушечные лавы, изливающиеся на поверхность.
Следующим шагом в исследовании американских геохимиков стало вычисление на основе параметра Fe+3/ΣFe содержания свободного кислорода в придонной воде (рис. 3).
Рис. 3. Полученные значения содержания О2 в придонной воде (мкмоль/кг). Крупным пунктиром вверху слева обозначен современный уровень содержания О2 в глубинных зонах океана; мелким пунктиром внизу — уровень, ниже которого начинается бескислородная среда.
Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Видно, что на рубеже архея и протерозоя бескислородный режим сменяется кислородным. Однако основная задача исследования заключалась не в том, чтобы подтвердить общепринятую гипотезу о том, что в течение всего докембрия среда в океанах была бескислородной, а затем сменилась на кислородную, а определить тот момент, когда кислорода в глубинах океана стало достаточно для бурного развития организмов.
Данные исследования указывают на то, что глубинная оксигенация, соответствующая значениям PO2 atm > 15–50% PAL, имела место только в фанерозое (с 541 млн лет до настоящего времени), а скорее всего началась вообще не раньше позднего палеозоя (420 млн лет назад), в то время как первые животные появились значительно раньше (см. новость Животные появились свыше 635 миллионов лет назад, «Элементы», 09.02.2009) — в неопротерозое.
Еще одним важным выводом, полученным американскими учеными, является свидетельство того, что насыщенность кислородом вод океана нарастала постепенно в течение всего фанерозоя. До этого все биогеохимические модели исходили из того, что значение PO2 atm практически не менялось с позднего палеозоя до наших дней.
Статья опубликована в журнале Nature
Источник: Владислав Стрекопытов elementy.ru
© ru.wikipedia.org