Раннепалеозойское оледенение: Андско-Сахарская гляциация.

Введение

Ледниковое время 450–420 миллионов лет назад

Андско-Сахарское оледенение, также известное как раннепалеозойский ледниковый период (EPIA) или раннепалеозойская ледниковая эпоха, начавшееся, возможно, еще в дарривильском веке. Свидетельства этого оледенения можно обнаружить в таких регионах, как Аравия, Северная Африка, Южная Африка, Бразилия, Перу, Боливия, Чили, Аргентина и Вайоминг. Оледенение позднего ордовика широко рассматривается как основная причина массового вымирания в конце ордовика, и это единственный ледниковый эпизод, который совпал с крупным массовым вымиранием, затронувшим около 61% морской жизни. Оценки максимального объема ледяного покрова варьируются от 50 до 250 миллионов кубических километров, а его продолжительность – от 35 миллионов до менее 1 миллиона лет. В период своего пика, в хирнантианском веке, ледниковая эпоха, вероятно, была значительно более суровой, чем последний ледниковый максимум, произошедший в конце плейстоцена. Изотопные данные из сандбианского века указывают на три возможных оледенения: раннее сандбианское, среднее сандбианское и позднее сандбианское. В катианском веке произошло множество возможных кратковременных оледенений: три очень коротких оледенения в раннем катиане, ракверское оледенение в позднем раннем катиане, среднее катианское оледенение, раннее эшильское оледенение в раннем позднем катиане и последнее катианское оледенение, за которым последовало быстрое потепление в биозоне граптолита *Paraorthograptus pacificus* непосредственно перед самим хирнантианским оледенением. Известно о значительных изменениях в формировании придонных вод в катианском веке, что обычно свидетельствует о резком изменении глобального климата. Сдвиги в изотопных соотношениях углерода и неодима, соответствующие граптолитовой биостратиграфии, предоставляют дополнительные доказательства в пользу существования гляциоэвстатических циклов в катианском веке, как и колебания δ18O апатита конодонтов из Кентукки и Квебека, которые, вероятно, отражают изменения уровня моря, связанные с гляциоэвстатическими процессами. Однако существование оледенений в катианском веке остается предметом споров. Значения δ18O брахиопод и морской воды из Арки Цинциннати указывают на температуру океана, характерную для глобального парникового состояния.

The Andean Saharan glaciation, also known as the Early Paleozoic Ice Age (EPIA), the Early Paleozoic Icehouse, which began as early as the Darriwilian, Evidence of this glaciation can be seen in places such as Arabia, North Africa, South Africa, Brazil, Peru, Bolivia, Chile, Argentina, and Wyoming. The Late Ordovician glaciation is widely considered to be the leading cause of the Late Ordovician mass extinction, and it is the only glacial episode that appears to have coincided with a major mass extinction of nearly 61% of marine life. Estimates of peak ice sheet volume range from 50 to 250 million cubic kilometres, and its duration from 35 million to less than 1 million years. At its height during the Hirnantian, the ice age is believed to have been significantly more extreme than the Last Glacial Maximum occurring during the terminal Pleistocene. Isotopic evidence from the Sandbian reveals three possible glaciations: an early Sandbian glaciation, a middle Sandbian glaciation, a late Sandbian glaciation. Many possible short glaciation occurred during the Katian: three very short glaciations during the early Katian, the Rakvere glaciation during the late early Katian, a middle Katian glaciation, the Early Ashgill glaciation of the early late Katian, and a latest Katian glaciation that was followed by a rapid warming event in the Paraorthograptus pacificus graptolite biozone immediately before the Hirnantian glaciation itself. Evidence of major changes in bottom water formation, which usually indicates a sudden change in global climate, is known from the Katian. Shifts in isotopic ratios of carbon and neodymium that correspond to graptolite biostratigraphy lend further evidence in favour of the existence of glacioeustatic cycles during the Katian, as do conodont apatite δ18O fluctuations from Kentucky and Quebec that likely reflect glacioeustatic sea level changes. However, the existence of glacials during the Katian remains controversial. Katian brachiopod and seawater δ18O values from Cincinnati Arch indicate ocean temperatures characteristic of a global greenhouse state.

Гирнантийское оледенение

На границе Катиана и Гирнантия внезапное похолодание вызвало быстрое расширение ледников, что привело к одному из самых сильных оледенений фанерозоя – экстремальному похолоданию, которое, как считается, совпало с первым импульсом массового вымирания позднего ордовика. В начале Гирнантия наблюдается сдвиг δ18O; величина этого сдвига (+2,4‰) была исключительной. Его направление указывает на ледниковое похолодание и, возможно, увеличение объема льда. Наблюдаемые изменения в изотопном показателе δ18O потребовали бы падения уровня моря на 100 метров и снижения температуры тропических океанов на 10 °C в течение этого ледникового эпизода. В конце Гирнантия произошло резкое отступление ледников, совпадающее со вторым импульсом массового вымирания позднего ордовика, после чего Земля вернулась к гораздо более теплому климату в Руддании. Позднее потепление Гирнантия характеризовалось столь же стремительным сдвигом δ18O в сторону более отрицательных значений. Значения δ13C также резко снижаются в начале силурийского периода.

Силурийские оледенения

После относительно теплого Руддания ледниковые события произошли в раннем и позднем Аэроне. Дальнейшее оледенение произошло с позднего Телихья до среднего Шейнуодиана. С начала до конца Гомериана Земля находилась в очередной ледниковой фазе. Последнее крупное оледенение EPIA произошло в период Людфорда и было связано с событием Лау. В этот период следы оледенения обнаружены в Аравии, Сахаре, Западной Африке, южной Амазонии и Андах, а центр оледенения, как известно, мигрировал из Сахары в ордовикский период (450–440 млн лет назад) в Южную Америку в силурийский период (440–420 млн лет назад). Согласно Эйлсу и Янгу, "крупный ледниковый эпизод около 440 млн лет назад зафиксирован в поздних ордовикских отложениях (преимущественно ашгиллианских) в Западной Африке (формация Тамаджерт Сахары), в Марокко (бассейн Тиндуф) и в западно-центральной Саудовской Аравии – во всех областях, находившихся в то время в полярных широтах. С позднего ордовика до раннего силура центр оледенения переместился из Северной Африки в юго-западную часть Южной Америки". Континентальные ледники развивались в Африке и восточной Бразилии, а альпийские ледники формировались в Андах. В западной части Южной Америки (Перу, Боливии и северной Аргентине) обнаружены гляциомаринные диамиктиты, чередующиеся с турбидитами, сланцами, грязевыми потоками и обвальными отложениями, датируемые ранним силуром (Лландонвери), с южным распространением в северную Аргентину и западный Парагвай и, вероятно, с северным распространением в Перу, Эквадор и Колумбию.

Литологическая

Последовательность стратиграфической архитектуры доломита Большого Рога (отражающая конец ордовикского периода) согласуется с постепенным накоплением ледникового покрова. Последовательности доломита Большого Рога демонстрируют систематические изменения в составе циклов, которые интерпретируются как переход от парникового климата к переходному ледниковому климату.

Снижение выбросов CO2

Одним из факторов, препятствовавших оледенению в раннем палеозое, были концентрации CO2 в атмосфере, которые в то время были в 8–20 раз выше доиндустриального уровня. Кроме того, считается, что концентрация CO2 значительно снизилась в хирнантианском веке, что могло спровоцировать широкомасштабное оледенение на фоне общей тенденции к похолоданию. Механизмы удаления CO2 в тот период изучены недостаточно, однако были предложены варианты усиленного захоронения органического углерода в океане и уменьшения вулканического выброса углекислого газа. Инициировать оледенение при высоких уровнях CO2 теоретически было возможно, но это сильно зависело бы от конфигурации континентов. Другая гипотеза предполагает, что гипотетическая крупная магматическая провинция в катианском веке привела к базальтовым излияниям, вызванным высокой континентальной вулканической активностью в этот период. В краткосрочной перспективе это могло привести к выбросу большого количества CO2 в атмосферу, что может объяснить кратковременное потепление в катианском веке. Однако в долгосрочной перспективе базальтовые лавовые плато заменили бы обнажения гранитных пород, оставив равнины базальтовых пород. Базальтовые породы выветриваются значительно быстрее, чем гранитные, что позволило бы быстрее удалять CO2 из атмосферы, чем до начала вулканической активности. Снижение уровня CO2 могло быть также связано с ускоренным выветриванием силикатов, вызванным расширением наземных беспозвоночных растений. Сосудистые растения появились лишь через 15 миллионов лет после оледенения. Этот сдвиг известен как Хирнантианская изотопная углеродная экскурсия (HICE). Положительный сдвиг в δ13C указывает на изменение углеродного цикла, приводящее к большему захоронению органического углерода, хотя некоторые исследователи придерживаются альтернативной интерпретации этого изменения δ13C, связывая его с усиленным выветриванием карбонатных платформ, обнажившихся в результате понижения уровня моря. Усиленное захоронение органического углерода привело к снижению концентрации CO2 в атмосфере и возникновению обратного парникового эффекта, что облегчило наступление оледенения. Воздействие гамма-всплеска (GRB) длительностью десять секунд, произошедшего в пределах двух килопарсек от Земли, привело бы к флюенсу в 100 килоджоулей на квадратный метр. Это вызвало бы выпадение большого количества азотной кислоты на поверхность Земли после гамма-всплеска, что привело бы к бурному росту нитрат-лимитированных фотосинтезирующих организмов, поглощающих большие объемы углекислого газа из атмосферы. Кроме того, GRB спровоцировал бы значительное истощение озонового слоя, еще одного мощного парникового газа, в результате реакции с оксидом азота, образовавшимся в результате диссоциации двухатомного азота под воздействием GRB и последующей реакции атомов азота с кислородом.

One of the factors that hindered glaciation during the early Paleozoic was atmospheric CO2 concentrations, which at the time were somewhere between 8 and 20 times pre industrial levels. Furthermore, CO2 concentrations are thought to have dropped significantly in the Hirnantian, which could have induced widespread glaciation during an overall cooling trend. Methods for the removal of CO2 during this time were not well known, enhanced oceanic organic carbon burial, and a reduction in volcanic outgassing of carbon dioxide having been proposed. It could have been possible for glaciation to initiate with high levels of CO2, but it would have depended highly on continental configuration. Another hypothesis is that a hypothetical large igneous province in the Katian led to basaltic flooding caused by high continental volcanic activity during that period. In the short term, this would have released a large amount of CO2 into the atmosphere, which may explain a warming pulse in the Katian. However, in the long term flood basalts would have left behind plains of basaltic rock, replacing exposures of granitic rock. Basaltic rocks weather substantially faster than granitic rocks, which would quickly remove CO2 from the atmosphere at a much faster rate than before the volcanic activity. CO2 levels could also have decreased due to accelerated silicate weathering caused by the expansion of terrestrial non vascular plants. Vascular plants only appeared 15 Ma after the glaciation. This shift is known as the Hirnantian Isotopic Carbon Excursion (HICE). The positive shift in δ13C implies a change in the carbon cycle leading to more burial of organic carbon, though some researchers hold a conflicting interpretation of this δ13C change as being caused by increased weathering of carbonate platforms exposed by sea level fall. This enhanced organic carbon burial resulted in a decrease in the atmospheric CO2 levels and an inverse greenhouse effect, allowing glaciation to occur more readily. The effects of a ten second GRB occurring within two kiloparsecs of Earth would have delivered it a fluence of 100 kilojoules per square metre. This would have resulted in large amounts of nitric acid raining down on Earth's surface in the aftermath of the gamma ray burst, causing blooms of nitrate limited photosynthesisers that would have sequestered large amounts of carbon dioxide from the atmosphere. Additionally, the GRB would have initiated a major depletion of ozone, another potent greenhouse gas, through its reaction with nitric oxide produced as a result of the GRB's dissociation of diatomic nitrogen and subsequent reaction of nitrogen atoms with oxygen.

Ордовикское метеоритное событие

Распад родительского тела L-хондрита вызвал дождь внеземного материала на Землю, известный как ордовикское метеоритное событие. Это событие увеличило количество пыли в стратосфере в 3–4 раза и могло спровоцировать наступление ледникового периода, отражая солнечный свет обратно в космос.

Структура воздействия дениликина

В статье, опубликованной в 2023 году, было предложено, что гирантийское оледенение могло быть вызвано ударной зимой, возникшей в результате столкновения, сформировавшего многокольчатую структуру Дениликуина на территории современной юго-восточной Австралии, однако эта гипотеза пока не подтверждена экспериментально.

вулканические аэрозоли

Хотя вулканическая активность часто приводит к потеплению из-за выброса парниковых газов, она также может вызывать охлаждение за счет образования аэрозолей – частиц, рассеивающих свет. Существуют убедительные доказательства повышенной вулканической активности в период Хирнантиана, основанные на аномально высоких концентрациях ртути (Hg) в различных регионах. Диоксид серы (SO2) и другие серосодержащие вулканические газы преобразуются в сульфатные аэрозоли в стратосфере, и кратковременные, периодические извержения крупных магматических провинций могли способствовать охлаждению таким образом. Несмотря на отсутствие прямых доказательств существования крупной магматической провинции в период Хирнантиана, вулканизм все равно мог играть важную роль. Особенно эффективны в образовании сульфатных аэрозолей взрывные извержения вулканов, регулярно выбрасывающих обломки и летучие вещества в стратосферу. Пепельные слои широко распространены в позднем ордовике, а пирит Хирнантия фиксирует аномалии изотопов серы, согласующиеся со стратосферными извержениями. В частности, колоссальное мегаизвержение, сформировавшее бентонитовый слой Дейке, связывают с глобальным охлаждением, поскольку оно совпало с крупной положительной изотопной экскурсией кислорода и высокой концентрацией серы, обнаруженной в этом бентонитовом слое.

Изменение уровня моря

Одной из возможных причин падения температуры в этот период является снижение уровня моря. Для того чтобы это могло стать возможным триггером, уровень моря должен был упасть до начала формирования обширных ледяных щитов. Снижение уровня моря высвобождает больше суши для роста ледяного покрова. Существуют широкие дебаты относительно времени изменения уровня моря, однако есть данные, свидетельствующие о том, что снижение уровня моря началось до эшгиллианского периода, что могло способствовать началу оледенения. Исходя из наших знаний о тектонических движениях, временной промежуток, необходимый для перемещения Гондваны к Южному полюсу, был бы слишком велик, чтобы вызвать это оледенение. Тектонические движения обычно занимают несколько миллионов лет, однако масштаб оледенения, по-видимому, произошел менее чем за 1 миллион лет. Точная временная шкала оледенения варьируется от менее чем 1 миллиона до 35 миллионов лет, поэтому нельзя полностью исключать возможность того, что тектонические движения могли спровоцировать этот ледниковый период. В качестве альтернативы, истинное полярное блуждание (TPW), а не привычное движение тектонических плит, могло быть причиной начала гирнантийского оледенения. Палеомагнитные данные за период от 450 до 440 миллионов лет назад указывают на TPW примерно в 50°, происходившее с максимальной скоростью около 55 см в год, что лучше объясняет быстрое перемещение континентов, чем традиционная тектоника плит.

Океанская теплоотдача к полюсам

Транспорт тепла океаном является основным фактором потепления полюсов, перенося теплые воды с экватора и распределяя их в более высокие широты. Ослабление этого теплового переноса могло позволить полюсам остыть настолько, чтобы сформировать лед в условиях высокого содержания CO2. Однако исследования показывают, что для наступления оледенения теплоотдача к полюсам должна была быть ниже, что создает противоречие с известными данными. Хотя гирантийское оледенение закончилось быстро, более умеренные оледенения продолжались в течение последующего силурийского периода, а на биоразнообразие хитинозоев негативно повлияло начало андско-сахарского оледенения. После пика разнообразия в позднем дарривильском возрасте численность хитинозоев сократилась по мере развития позднего ордовика. Исключением из этой тенденции к снижению разнообразия хитинозоев стала Лаврентия, благодаря ее низкому расположению и более теплому климату. Позднеордовикское оледенение совпало со вторым по величине из пяти крупных событий вымирания, известным как позднеордовикское массовое вымирание. Этот период – единственное известное оледенение, происходившее одновременно с массовым вымиранием. Событие вымирания состояло из двух отдельных фаз. Считается, что первая фаза вымираний произошла из-за быстрого охлаждения и увеличения содержания кислорода в водной толще. Эта первая фаза была более масштабной и привела к вымиранию большинства видов морских животных, обитавших в мелководных и глубоководных океанах. Вторая фаза вымирания была связана с резким повышением уровня моря, а из-за атмосферных условий, в частности, уровня кислорода, составлявшего 50% или менее от современного, широко распространены были аноксичные воды. Эта аноксия привела к гибели многих выживших после первой фазы вымирания. В целом, позднеордовикское вымирание привело к потере 85% видов морских животных и 26% семейств животных. Отступление ледника в конце гомерианского ледникового интервала совпало с первой крупной радиацией растений, производящих трилетние споры, предвещая начало силурийско-девонской наземной революции. Позднее среднелюдфордское оледенение вызвало понижение уровня моря, создавшее обширные новые наземные местообитания, которые были быстро колонизированы наземными растениями, что способствовало их дальнейшей диверсификации. Потепление в придольском периоде, ознаменовавшее конец андско-сахарского оледенения, привело к дальнейшему расширению флоры.

Ocean heat transport is a major driver in the warming of the poles, taking warm water from the equator and distributing it to higher latitudes. A weakening of this heat transport may have allowed the poles to cool enough to form ice under high CO2 conditions. However, research shows that in order for glaciation to occur, poleward heat transport had to be lower, which creates a discrepancy in what is known. Though the Hirnantian glaciation ended rapidly, milder glaciations continued to occur throughout the subsequent Silurian period, the biodiversity of chitinozoans was adversely impacted by the onset of the Andean Saharan glaciation. Following a peak in diversity in the late Darriwilian, chitinozoans declined in diversity as the Late Ordovician progressed. An exception to this declining trend of chitinozoan diversity was exhibited in Laurentia due to its low latitude position and warmer climate. The Late Ordovician Glaciation coincided with the second largest of the five major extinction events, known as the Late Ordovician mass extinction. This period is the only known glaciation to occur alongside of a mass extinction event. The extinction event consisted of two discrete pulses. The first pulse of extinctions is thought to have taken place because of the rapid cooling, and increased oxygenation of the water column. This first pulse was the larger of the two and caused the extinction of most of the marine animal species that existed in the shallow and deep oceans. The second phase of extinction was associated with strong sea level rise, and due to the atmospheric conditions, namely oxygen levels being at or below 50% of present day levels, high levels of anoxic waters would have been common. This anoxia would have killed off many of the survivors of the first extinction pulse. In all the extinction event of the Late Ordovician saw a loss of 85% of marine animal species and 26% of animal families. The deglaciation at the end of the Homerian glacial interval was coeval with the first major radiation of trilete spore producing plants, harbingering the dawn of the Silurian Devonian Terrestrial Revolution. The later middle Ludfordian glaciation caused a sea level drop that created vast areas of new terrestrial habitats that were promptly colonised by land plants, further facilitating their diversification. The warming during the Pridoli that marked the end of the Andean Saharan glaciation saw further floral expansion.