Введение
Исторические события истощения кислорода в океанах Земли
Аноксическое событие описывает период, когда обширные участки океанов Земли испытывали дефицит растворенного кислорода (O2), создавая токсичные, эвксинические (аноксические и сульфидные) воды. Хотя аноксические события не происходили миллионы лет, геологическая летопись показывает, что они случались многократно в прошлом. Аноксические события совпадали с несколькими массовыми вымираниями и могли способствовать им. Эти массовые вымирания включают некоторые, которые геобиологи используют как временные ориентиры при биостратиграфическом датировании. С другой стороны, существуют широко распространенные различные отложения черных сланцев середины мелового периода, указывающие на аноксические события, но не связанные с массовыми вымираниями. Многие геологи полагают, что океанические аноксические события тесно связаны с замедлением океанической циркуляции, потеплением климата и повышенным уровнем парниковых газов. Исследователи предположили, что усиленный вулканизм (выброс CO2) является "центральным внешним фактором, вызывающим эвксинию". Деятельность человека в голоцене, такая как сброс питательных веществ с ферм и сточных вод, вызывает относительно небольшие по масштабу зоны мертвой воды по всему миру. Британский океанолог и атмосферный ученый Эндрю Уотсон утверждает, что полномасштабная океаническая аноксия займет "тысячи лет для развития". Идея о том, что современные изменения климата могут привести к такому событию, также известна как гипотеза Кумпа.
Предыстория
Концепция океанического аноксического события (OAE) была впервые предложена в 1976 году Сеймуром Шлангером (1927–1990) и геологом Хью Дженкинсом и возникла в результате открытий, сделанных проектом глубокого морского бурения (DSDP) в Тихом океане. Обнаружение черных, богатых углеродом сланцев в меловых отложениях, накопившихся на подводных вулканических плато (например, Шацкий подъем, плато Манихики), в сочетании с их идентичным возрастом с аналогичными керновыми отложениями из Атлантического океана и известными выходами в Европе, особенно в геологической летописи преимущественно известняковых Апеннин, – все это способствовало развитию этой концепции. Кроме того, детальные органико-геохимические исследования недавно выявили присутствие молекул (так называемых биомаркеров), происходящих от пурпурных серных бактерий.
Вторая гипотеза предполагает, что океанические аноксические события фиксируют существенное изменение плодородия океанов, что привело к увеличению органического планктона, заключенного в оболочки (включая бактерии), в ущерб кальцифицированному планктону, такому как коколиты и фораминиферы. Такой ускоренный приток органического вещества расширил и усилил зону минимального содержания кислорода, дополнительно увеличив количество органического углерода, поступающего в осадочную запись. По сути, этот механизм предполагает значительное увеличение доступности растворенных питательных веществ, таких как нитраты, фосфаты и, возможно, железо, для популяции фитопланктона, обитающей в освещенных слоях океана. Для такого увеличения потребовался бы ускоренный приток питательных веществ с суши в сочетании с активным апвеллингом, что потребовало бы масштабных климатических изменений в глобальном масштабе. Геохимические данные об изотопном составе кислорода в карбонатных отложениях и ископаемых, а также о соотношении магния и кальция в ископаемых, указывают на то, что все основные океанические аноксические события были связаны с тепловыми максимумами, что делает вероятным увеличение скорости глобального выветривания и притока питательных веществ в океаны в эти интервалы. Действительно, снижение растворимости кислорода привело бы к высвобождению фосфатов, что еще больше питало бы океан и стимулировало высокую продуктивность, а следовательно, и высокий спрос на кислород, поддерживая событие посредством положительной обратной связи. Огромные количества метана обычно заключены в земной коре на континентальных плато в многочисленных отложениях, состоящих из соединений гидрата метана – твердой осажденной комбинации метана и воды, подобной льду. Поскольку гидраты метана нестабильны, за исключением низких температур и высокого (глубокого) давления, ученые наблюдали небольшие выбросы газов, вызванные тектоническими событиями. Исследования предполагают масштабные выбросы природного газа, но более ранние примеры предполагаются для позднего триаса, перми, девона (событие Келлвассера), ордовика и кембрия. Термический максимум палеоцена-эоцена (PETM), характеризующийся глобальным повышением температуры и отложением богатых органикой сланцев в некоторых шельфовых морях, демонстрирует много общего с океаническими аноксическими событиями. Как правило, океанические аноксические события длились менее миллиона лет, после чего происходило полное восстановление.
Последствия
Океанские аноксические события имели множество важных последствий. Считается, что они стали причиной массового вымирания морских организмов как в палеозое, так и в мезозое. Ранние аноксические события тоарского и ценоман-туронского периодов совпадают с событиями вымирания тоарского и ценоман-туронского периодов, затронувшими преимущественно морские формы жизни. Помимо возможных атмосферных эффектов, многие глубоководные морские организмы не смогли адаптироваться к океану, в котором кислород проникал лишь в поверхностные слои. Экономически значимым последствием океанских аноксических событий является то, что преобладающие условия в мезозойских океанах способствовали образованию большей части мировых запасов нефти и природного газа. Во время океанического аноксического события накопление и сохранность органического вещества значительно возрастали, что позволило сформировать потенциальные нефтематеринские породы во многих средах по всему миру. В результате около 70% пород-источников нефти относятся к мезозою, а еще 15% – к теплому палеогену: благоприятные условия для образования пород-источников в более холодные периоды возникали лишь локально.
Атмосферные эффекты
Модель, предложенная Ли Кампом, Александром Павловым и Майклом Артуром в 2005 году, предполагает, что океанические аноксические события могли характеризоваться подъемом вод, богатых высокотоксичным сероводородом, который затем высвобождался в атмосферу. Это явление, вероятно, отравило бы растения и животных и привело к массовым вымираниям. Более того, было предположено, что сероводород поднимался в верхние слои атмосферы и разрушал озоновый слой, который обычно блокирует смертоносное ультрафиолетовое излучение Солнца. Усиленное УФ-излучение, вызванное истощением озона, усугубило бы гибель растений и животных. Ископаемые споры из слоев, соответствующих пермско-триасовому вымиранию, демонстрируют деформации, согласующиеся с воздействием УФ-излучения. Эти данные, в сочетании с ископаемыми биомаркерами зеленых серных бактерий, указывают на то, что этот процесс мог сыграть роль в этом массовом вымирании и, возможно, в других событиях вымирания. Триггером этих массовых вымираний, по-видимому, стало потепление океана, вызванное ростом концентрации углекислого газа до примерно 1000 частей на миллион.
Химические эффекты океана
Ожидается, что понижение уровня кислорода приведет к увеличению концентрации в морской воде металлов, чувствительных к окислительно-восстановительному потенциалу. Редуктивное растворение оксигидроксидов железа и марганца в донных отложениях при низком содержании кислорода приведет к высвобождению этих металлов и сопутствующих микроэлементов. Восстановление сульфатов в таких отложениях может привести к высвобождению других металлов, таких как барий. При поступлении богатых тяжелыми металлами бескислородных глубинноводных масс на континентальные шельфы и контакте с повышенными уровнями O2 происходило осаждение некоторых металлов, а также отравление местной биоты. В позднем силуре, в середине придоли, наблюдается увеличение содержания Fe, Cu, As, Al, Pb, Ba, Mo и Mn в мелководных отложениях и микропланктоне; это связано с резким увеличением частоты деформаций у хитинозоев и других типов микропланктона, вероятно, из-за токсичности металлов. Аналогичное обогащение металлами зафиксировано в отложениях, относящихся к силурийскому событию Иревикен.
Кредовый
Сульфидные (или эвксинные) условия, существующие сегодня во многих водоемах – от прудов до различных изолированных морей, таких как Черное море, были особенно распространены в меловом периоде в Атлантическом океане, но также характеризовали и другие части Мирового океана. В бескрайнем море этих предполагаемых супер-парниковых миров уровень океанических вод в некоторые эпохи поднимался на значительную высоту. В рассматриваемые временные отрезки континентальные плиты, предположительно, были хорошо разделены, а современные горы в основном формировались в будущем в результате тектонических процессов – то есть общий рельеф был значительно ниже. Даже в условиях полу-суперпарникового климата происходила очень интенсивная водная эрозия, как отмечал итальянский геолог Раймондо Селли (1916–1983). Другой подобный эпизод произошел на границе ценомания и турона (~93 млн лет назад), также известный как событие Бонарелли (или OAE2). OAE1a длился примерно от 1,0 до 1,3 млн лет. Продолжительность OAE2 оценивается в ~820 тыс. лет на основе высокоточного исследования значительно расширенного интервала OAE2 в южном Тибете (Китай). Если меловые OAE можно представить типовыми локалитетами, то лучшими кандидатами являются впечатляющие обнажения ламинированных черных сланцев среди разноцветных глин и розовых и белых известняков в окрестностях города Губбио в итальянских Апеннинах. Черный сланец толщиной 1 метр на границе ценомания и турона, выходящий на поверхность вблизи Губбио, называется «Livello Bonarelli» в честь ученого, впервые описавшего его в 1891 году. Для других интервалов мелового периода (в валанжинской, гаутеривской, альбийской и коньякско-сантонской стадиях) также были предложены менее значительные океанические аноксические события, однако их осадочная запись, представленная органически богатыми черными сланцами, носит более локальный характер, преобладая в Атлантическом океане и прилегающих районах. Некоторые исследователи связывают их с конкретными местными условиями, а не с глобальными изменениями.
Юрский период
Единственное задокументированное океаническое аноксическое событие юрского периода произошло в начале тоарского яруса (~183 млн лет назад). Джеппсон (1990) предложил механизм, согласно которому температура полярных вод определяет место формирования нисходящих потоков воды. Если температура вод высоких широт ниже 5 °C, они будут достаточно плотными, чтобы погружаться; поскольку они холодные, кислород в них хорошо растворим, и глубокий океан будет насыщен кислородом. Если же температура вод высоких широт превышает 5 °C, их плотность недостаточна для погружения под более холодные глубинные воды. Следовательно, термохалинная циркуляция может поддерживаться только за счет увеличения плотности, вызванного соленостью, которое обычно формируется в теплых водах с высоким уровнем испарения. Эта теплая вода растворяет меньше кислорода и образуется в меньших объемах, что приводит к замедленной циркуляции с небольшим количеством кислорода в глубинных водах. ), характеризуются биотурбацией глубоководных отложений, влажным экватором и повышенной скоростью выветривания и завершаются событиями вымирания, например, событиями Иревикен и Лау. Обратная ситуация наблюдается для более теплых, насыщенных кислородом "S-эпизодов" (secundo), где глубоководные осадочные породы обычно представлены граптолитовыми черными сланцами.
Архейский и протерозойский
Считалось, что на протяжении большей части истории Земли океаны были преимущественно обеднены кислородом. В архейский период эвксиния в значительной степени отсутствовала из-за низкой доступности сульфатов в океанах.