«Холодная» субдукция оказалась выгодна для накопления кислорода в атмосфере

Проанализировав набор данных по термобарометрии метаморфических пород, ученые показали, как глобальная тектоника Земли эволюционировала к более низкотемпературному режиму. Вследствие перехода к «холодной» субдукции постепенно увеличивался суммарный перенос в глубокие слои мантии органического углерода и пирита. На их окисление затрачивалось меньше кислорода, благодаря чему возрастала его концентрация в атмосфере. Как говорится в опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences отчете об исследовании, этот вывод качественно подтвердили результаты биогеохимического моделирования.

В истории оксигенации земной атмосферы выделяют три важнейших этапа, в ходе которых ее состав претерпел изменения глобального характера. Первый ― так называемое «Великое кислородное событие» ― датируется временем 2,43–2,0 миллиарда лет назад (начало протерозоя) и, возможно, в значительной мере был спровоцирован изменениями в режиме вулканизма. В результате «события», которое в действительности представляло собой длительный и сложный процесс, содержание кислорода достигло примерно одного процента от современного уровня, широко распространились аэробные организмы, а атмосфера стала устойчиво-окислительной. О связи этого процесса с тектоникой говорит случившийся 2,22–2,06 миллиарда лет назад Ломагунди-Ятулийский экскурс ― крупнейший всплеск содержания изотопа углерода ¹³C, не прошедшего через биологический цикл. Ученые полагают, что аномалия вызвана захоронением в осадках большого количества органического углерода ¹²C с дальнейшим выведением в глубокие слои мантии в ходе субдукции. При этом на его окисление не расходовался атмосферный кислород. Механизм тектоники плит в это время уже функционировал, но был слабее, чем сейчас, из-за того, что не везде успела развиться достаточно мощная и жесткая литосфера. 

Следующий этап роста концентрации кислорода происходил в период от 0,8 до 0,52 миллиарда лет назад и получил название неопротерозойской оксигенации. Его темпы и факторы остаются предметом дискуссий. Видимо, в это время содержание кислорода в атмосфере колебалось в широких пределах, иногда достигая 50 процентов от современного. Кислород мог проникать глубже в океан и окислять растворенное в морской воде биодоступное железо. Есть предположение, что дефицит железа стимулировал конкуренцию и усложнение взаимодействий между одноклеточными организмами, итогом чего и стало появление эдиакарских, а затем кембрийских многоклеточных. И, наконец, третья масштабная оксигенация произошла в палеозое, 450–250 миллионов лет назад, благодаря развитию наземных растений. Она привела к скачку содержания кислорода до современного уровня и даже выше (25 процентов атмосферы по объему, современный уровень ― около 21 процента), что стало причиной диверсификации и появления крупных животных. Оба этих этапа оксигенации протекали уже при развитой плитной тектонике и, очевидно, субдукционное затягивание глубоко в мантию эффективно изолировало от контакта с атмосферным кислородом отложения, богатые органическим углеродом (а также серой в составе пирита).

Чтобы выявить более четкую связь между эволюцией глобального тектонического режима Земли и обогащением ее атмосферы кислородом, геохимик Чао Ли (Chao Li) из Технологического университета Чэнду и его коллеги из Австралии, Великобритании, Китая и США исследовали метаморфические породы возрастом от 3,67 миллиарда до четырех миллионов лет из 876 местонахождений в разных регионах мира. Для каждого из этих местонахождений, приуроченных к известным или предположительно существовавшим в прошлом субдукционным зонам, было вычислено соотношение температуры и давления, при которых происходило преобразование исходной осадочной породы. Оценив таким образом температурные режимы субдукции, ученые построили временной ряд, отражающий смену этих режимов.

Исследователи обнаружили, что низкие термобарические отношения ― менее 375 градусов на гигапаскаль ― наблюдаются в течение двух основных интервалов: в палеопротерозое (примерно 2,2–1,8 миллиарда лет назад) и от середины неопротерозоя до наших дней (менее 0,8 миллиарда лет назад). Они означают наступление режима «холодной» субдукции, связанной с развитием жестких литосферных плит. В целом они совпадают с хронологией этапов оксигенации, значит, органический углерод и пирит в это время, не связывая кислород, поступали в нижнюю мантию, включаясь в глубокий, долговременный цикл круговорота. Лишь много позже они могли быть частично захвачены мантийным апвеллингом и вернуться на поверхность, например, через вулканы океанических островов. Первый этап близок по времени к образованию суперконтинента Нуна, в котором «холодная» субдукция могла сыграть определенную роль (хотя не исключено, что эта роль не была слишком велика). Окончательное становление тектоники жестких плит, связанное c формированием Гондваны, можно соотнести со вторым этапом оксигенации, а сборку Пангеи ― с третьим.

В более раннее время, в архее, когда мантия еще была высокотемпературной, субдукция протекала в горячем режиме. При этом углерод и сера утрачивались погружающимся краем плиты на малой глубине из-за плавления, быстро выносились на поверхность и окислялись за счет атмосферного кислорода. Увеличение доли временных промежутков с низкотемпературным метаморфизмом и общее понижение величины термобарического отношения, которые демонстрирует построенный Чао Ли и его коллегами ряд, согласуются с ранее рассчитанной средней быстротой охлаждения мантии с начала протерозоя ― около 100 градусов за миллиард лет. 

Ученые ввели свой временной ряд в биогеохимическую модель COPSE, которая отслеживает глобальные циклы углерода, серы, кислорода, азота и фосфора в системе, включающей поверхностные (атмосфера, океан и биосфера), коровые и мантийные резервуары. Для этого использовалось отношение числа мест с холодным режимом субдукции к общему количеству исследованных местонахождений в пределах определенного промежутка времени, нормированное к значению за последние 100 миллионов лет, принятому за современное. При близких к нулю значениях этого показателя модельное парциальное давление кислорода совпало с архейским, при колебаниях от 10^–3 до 0,1 дало соответствие (хотя и неполное) уровню во время «кислородной катастрофы», а при значениях 0,4–0,7 и даже до единицы также с некоторыми отклонениями совпало с уровнями неопротерозойской и палеозойской оксигенации (сейчас показатель развития «холодной» субдукции равен 0,63). Несмотря на эти отклонения, которые могут быть вызваны неравномерной репрезентативностью выборки, модельный график оксигенации атмосферы качественно согласуется с трехэтапной схемой, полученной на основе геохимических данных. Таким образом, накопление свободного кислорода действительно могло быть обусловлено развитием тектоники жестких плит и все большим преобладанием холодного режима субдукции.

Ранее мы сообщали о том, что один из древнейших протоконтинентов сформировался за счет примитивной мантии, а также рассказывали, как распад древнего суперконтинента Нуна породил алмазную трубку.