Дуг МакДугалл – Зачем нужна геология (страница 44)

Некоторая часть избыточного атмосферного углерода оказалась в океанических отложениях: осадочные породы мелового периода особенно богаты органическим углеродом (поэтому они — источник большей части наших нефти и газа). В некоторых местах углерода так много, что породы буквально черные. Эти особенно богатые углеродом слои, известные как «черные сланцы», образуются только тогда, когда в поверхностных водах изобилуют растения и животные, обеспечивая постоянный дождь из мертвых организмов на дне океана; однако также требуется, чтобы на глубоководье отсутствовал кислород (или его было мало): без кислорода органические вещества не окисляются и могут сохраняться в отложениях. Сегодня такие условия существуют только в некоторых местах — например, в глубоких фьордах, где придонная вода застаивается и испытывает недостаток кислорода, или в Черном море, в котором поверхностные воды богаты питательными веществами и биологически продуктивны, зато застойные глубины бедны кислородом.

Рисунок 27. Очертания континентов во время появления Карибского океанического плато 93–94 миллиона лет назад. Уровень моря высок: под водой большая часть Северной Америки и Европы, в Африке и Южной Америке есть мелкие моря. (По материалам карты Рона Блейки, университет Северной Аризоны; смотрите http://jan.ucc.nau.edu/~rcb7/).

Хотя черные меловые сланцы были ранее зафиксированы во многих местах суши, глобальные массивы таких отложений обнаружились только в 1970-х годах, во время Проекта глубоководного бурения. Повсюду в океанах, где участники Проекта брали керны, в образцах мелового периода встречались слои отложений, особенно богатых органическими веществами. Некоторые из них были тонкими и локальными, однако три обнаруживались практически в каждом керне из отложений, и их можно было соотнести с заметными месторождениями черных сланцев на суше. Дальнейшие исследования показали, что эти три интервала фиксировали время серьезных глобальных изменений природной среды. Поскольку для таких осаждений требовались океанические воды с низким содержанием кислорода, их стали называть океаническими бескислородными явлениями (ОАЕ).

Полученные из осадочных пород данные показывают, что и мелкие, и глубокие океанские воды практически непрерывно насыщались кислородом с конца протерозойского эона, когда содержание кислорода в атмосфере резко возросло до уровня, близкого к сегодняшнему. Однако три меловых ОАЕ отмечают короткие промежутки, когда дела обстояли иначе. В эти отрезки времени глубокие океанические воды испытывали нехватку кислорода. Более того, для этих ОАЕ и переходы от нормальных отложений к черным сланцам, богатым органикой, и обратные переходы происходили резко. Есть ли правдоподобные механизмы, которые могут порождать по всему миру бедные кислородом глубины и быстро переключаться между кислородными и бескислородными условиями?

Одна из первых выдвинутых гипотез заключалась в том, что ОАЕ мелового периода стали результатом сильно стратифицированного океана с застойной придонной водой: тонущая органика потребляла кислород, и он не восполнялся. В современном океане происходит циркуляция воды: поверхностные холодные плотные богатые кислородом воды в высоких широтах опускаются и постоянно замещают глубинные воды. Однако в гораздо более теплом меловом периоде даже полярные регионы отличались мягким климатом. В высоких широтах не имелось холодной плотной воды, которая могла бы запустить такие потоки, и циркуляция в лучшем случае была вялой. Растворенный в глубине кислород быстро расходовался на реакции окисления тонущего органического вещества. Возможно, ситуацию усугубляла тектоника плит: узкий Атлантический океан мелового периода ограничивал циркуляцию еще сильнее.

Проблемы такого сценария в том, что он на самом деле не объясняет ни резкого начала, ни резкого конца ОАЕ. Замедленная циркуляция и низкое содержание кислорода на глубине океана могут объяснить в целом повышенное количество органического материала в осадочных породах мелового периода, однако для ОАЕ нужно что-то еще.

Один из вариантов — причиной является вулканизм и выброс в атмосферу углекислого газа, то есть тот же процесс, что породил сам меловой период. Но это должен быть масштабный кратковременный всплеск вулканической деятельности, наложенный на и без того высокий уровень извержений. Формирование КМП соответствует этому критерию.

Самое молодое из явлений ОАЕ мелового периода — которое, судя по химическим свойствам черных сланцев, было и самым интенсивным — произошло между 93 и 94 миллионами лет назад. Это соответствует времени формирования плато на дне Карибского моря, а также совпадает с одной из границ, которую геологи выделяют в меловом периоде — между сеноманским и туронским ярусами (названия даны по местам во Франции, где породы этого возраста были впервые подробно описаны). Эта граница отмечает массовое вымирание морских организмов^[53], преимущественно донных и глубоко живущих, что заставляет предположить, что фактором гибели было низкое содержание кислорода в глубоководных областях океана.

Большая часть пород Карибской КМП все еще расположена на морском дне, и поэтому количество взятых в этой провинции проб невелико. Однако в некоторых местах, включая Гаити и Малые Антильские острова, излившиеся базальты стали сушей в результате тектонических процессов. Эти потоки дают самый точный и надежный возраст начального, самого мощного излияния, создававшего провинцию: от 93 до 94 миллионов лет назад. Есть сообщения о нескольких более поздних датах, включая данные о подводных породах, которые могут давать датировку до 87 миллионов лет; это заставляет предположить, что вулканизм длился целых шесть или семь миллионов лет. Однако поражает совпадение пика вулканизма в Карибской КМП с одним из ОАЕ: возможно, КМП стала спусковым крючком для изменений среды, которые ускорили отложение черных сланцев и вымирание организмов.

Существуют и другие косвенные доказательства связи Карибской КМП и ОАЕ. Некоторые показатели в осадочных породах говорят, что и без того высокая температура в тропической Атлантике ближе к началу ОАЕ повысилась еще на три, а, возможно, и на пять градусов Цельсия. Скорее всего, причиной был углекислый газ, выброшенный во время первых извержений в Карибской КМП. Кроме того, черные сланцы вблизи сеномано-туронской (С-Т) границы отличаются высокой концентрацией металлов, причиной чего, возможно, были излившиеся лавы.

Сочетание этих фактов убедило многих исследователей, что связь между вулканизмом на Карибском океаническом плато и сеномано-туронским океаническим бескислородным событием действительно существует. Однако все подтверждения оказывались косвенными: надежных доказательств не было. Но в 2008 году нашлась неопровержимая улика: Стивен Тарджон и Роберт Кризер из университета Альберты обнаружили неоспоримые факты, что на химический состав воды непосредственно на С-Т границе сильно повлияли серьезные подводные вулканические извержения. Однако единственный известный эпизод масштабных извержений того времени — это Карибская КМП.

Как часто случается в науке, открытие было отчасти случайным. Стивен Тарджон — геохимик, интересовавшийся, в частности, разработкой более эффективных способов датирования осадочных пород. Тарджон использует не популярные и описанные ранее в этой книге методы датирования, а применяет экзотическую (по крайней мере, экзотическую для не-геохимиков) схему определения возраста, основанную на радиоактивном распаде редкого металла рения до изотопа другого редкого металла — осмия. Богатые органикой породы около С-Т границы выглядели привлекательной целью: известно, что в них значительное содержание металлов, а если бы метод сработал, то ученые получили бы ценную информацию об абсолютном возрасте и, возможно, продолжительности ОАЕ. Поэтому Тарджон отправился в Италию, чтобы собрать материал в одном из классических мест расположения пород С-Т границы. Кроме того, он получил образцы богатых органикой отложений, охватывающих соответствующий временной диапазон, из керна, взятого у северо-восточного побережья Южной Америки. Эти две точки разнесены сегодня в пространстве более чем на 5500 километров, а на момент появления С-Т границы находились в разных океанах (рисунок 27).

Однако работа пошла не по плану. Использованный Тарджоном метод очень трудоемок, и когда он после месяцев кропотливой работы собрал все данные, оказалось, что из-за большого разброса в результатах точный возраст осадочных пород получить нельзя. Казалось, что от идеи придется отказаться. Однако Тарджон заметил, что образцы из богатых органикой интервалов с черными сланцами — как в итальянских породах, так и в осадочном керне — содержат куда больше осмия, чем можно было предположить. Наблюдение показалось ученому интересным, но он не понимал его смысла. Поэтому он отложил эти данные и занялся другой работой, хотя и не забывал о черных сланцах полностью: он продолжал размышлять о высоком содержании осмия и о том, как правильно истолковать сделанные измерения.

Примерно через полгода Тарджон в надежде получить хоть какую-то пользу от своего колоссального труда снова вытащил эти данные. Возможно, нашлось бы что-нибудь пригодное для короткого выступления на каком-нибудь научном семинаре. Он попытался исключить точки, которые казались ему аномалиями, но легче не стало. В отчаянии он решил перепроверить все свои образцы — на случай, если в первый раз произошла какая-то ошибка. Однако новые результаты совпадали с предыдущими: ошибок в его анализе не было, просто мать-природа возвела препятствия на пути к пониманию этих данных. Тогда у Тарджона появилась идея. Вместо того, чтобы использовать результаты для датирования образцов, он мог поступить наоборот. Возраст С-Т границы (93,5 миллиона лет) был уже хорошо известен, поэтому ученый мог вычислить, сколько осмия появилось в его образцах в результате радиоактивного распада за прошедшие 93,5 миллиона лет, и вычесть эту величину из измеренного им количества; разница позволила бы ему найти первоначальное соотношение изотопов в материале его образцов на момент осаждения. Поскольку почти весь осмий в отложениях берется из морской воды, то геохимик рассудил, что вычисленное таким образом соотношение будет близко к соотношению изотопов осмия в морской воде на момент ОАЕ.