MoneyMan

Насыщение кислородом глубин океана произошло значительно позже, чем появление первых животных

Рис. 1. Подушечные базальтовые лавы на дне океана около Гавайских островов. Фото с сайта ru.wikipedia.org

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 и в атмосфере, так и в водах мирового океана царила бескислородная среда. Кислород возникал в верхних слоях атмосферы в процессе фотодиссоциации углекислого газа и воды, но практически весь расходовался на окисление других газов и поглощался земной корой. В конце протерозоя содержание кислорода в атмосфере стало стремительно расти в связи с появлением в  океане автотрофных фотосинтезирующих организмов. Сначала и он поглощался закисным железом, но после того, как содержание растворенного железа в океанах значительно уменьшилось, кислород стал накапливаться в гидросфере и атмосфере Земли.

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.

Насыщение кислородом глубин океана произошло значительно позже, чем появление первых животных

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 протерозоя (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).

Насыщение кислородом глубин океана произошло значительно позже, чем появление первых животных

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.

Источник: elementy.ru

Fozzy
ПОДЕЛИТЬСЯ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

1 + девятнадцать =