Сейчас ученым необходимо определить новые временные рамки — для этого у них есть высокоточные методы геохронологического анализа — потому что тихая революция в геологических дисциплинах изменила наши знания об эпизодах массового вымирания, случавшихся в далеком прошлом, в том числе о массовом вымирании в конце Мелового периода.
Проект EARTHTIME
В центре этой революции находится EARTHTIME, международный объединенный проект, участникам которого удалось радикальным образом повысить уровень точности и аккуратности радиометрического датирования под руководством профессора Сэма Боуринга (Sam Bowring) из Массачусетского технологического института. Радиоактивные изотопы (такие как уран) распадаются, в результате чего возникают новые элементы (такие как свинец). Скорость этого распада называется постоянной распада, и ученые уже точно знают ее величину. Если известно, какое количество исходного элемента превратилось в дочерний элемент, можно использовать постоянную распада, чтобы рассчитать дату формирования того или иного образца пород.
Чтобы выяснить подробности, я побеседовал со специалистом в области геохронологии Сетом Берджессом (Seth Burgess), бывшим студентом Боуринга, который в настоящее время работает в Геологическом управлении США. «За последние 10-15 лет ученые добились значительного прогресса в точности и аккуратности геохронологических исчислений», — рассказал Берджесс. Разница между точностью и аккуратностью очень важна. Представьте себе лучника. Если лучник выпускает несколько стрел и все они летят мимо мишени, но попадают в одно и то же место на стволе дерева, значит он аккуратен, но не точен. Если его стрелы изрешетили всю мишень, он точен, но не аккуратен. Но если все выпущенные им стрелы попали в яблочко, он точен и аккуратен одновременно.
В сфере геохронологии важна как точность, так и аккуратность, и значительная доля прогресса в работе над усовершенствованием методов их достижения, по словам Берджесса, «стала результатом инициативы EARTHTIME, которая способствует тесному сотрудничеству между лабораториями. Именно благодаря ей произошел серьезный скачок в качестве данных».
Совпадение и скорость
Чтобы понять, что происходило во время масштабных перемен в далеком прошлом Земли, необходимо решить два основные временные проблемы: совпадение и скорость.
Ученым необходимо установить наличие связи или временного совпадения между предположительной причиной и ее следствием. Геологическая шкала времени вмещает в себя огромное количество времени, поэтому будет ошибкой утверждать, что, скажем, извержение вулкана стало причиной массового вымирания, если оно произошло после этого самого массового вымирания или задолго до него, что исключает какую-либо связь между этими двумя событиями.
Ученым также необходимо выяснить, насколько быстрыми были те или иные перемены.
Что можно считать «быстрым»?
Коротко говоря, нам стоит рассматривать два временных интервала: тысяча лет и 10 тысяч лет.
Когда речь заходит о вымирании океанской фауны, одной из причин ее гибели называют закисление океана (расширение мертвых зон с крайне низким содержанием кислорода, называемое «аноксией» — это еще одна причина, которая в свою очередь вызывается целым рядом биологических последствий закисления океана и глобального потепления).
Изменения, которые происходят в течение периодов, превышающих 10 тысяч лет, как правило, нейтрализуются за счет компенсирующих химических изменений в океанах и на суше, поэтому вероятная причина закисления океана должна была воздействовать на океаны в течение периода времени, длительность которого не превышает 10 тысяч лет.
Тысяча лет — это примерно то время, за которое мировые океаны могут полностью перемешаться в наше время, но в случае с теплеющими климатами может потребоваться больше времени. Значительные выбросы углекислого газа, поступавшего в атмосферу в течение многих столетий (в результате деятельности человека) в основном поглощаются поверхностным слоем океанов, прежде чем они смогут смешаться и раствориться в гораздо более объемном резервуаре глубин океана, что приводит к опасному глобальному потеплению и закислению поверхности океанов. Такие геологически «быстрые» перемены могут нести в себе опасность для жизни на Земле.
Более точные временные рамки
До недавнего времени погрешности в датировании возраста пород обычно составляли несколько миллионов лет для пород, которым больше 100 миллионов лет. Это как минимум в 100 раз хуже, чем необходимо для ответа на вопросы о временном совпадении и скорости массовых вымираний.
Однако теперь ученым удалось в значительной мере уменьшить масштабы погрешностей, достигнув точности в плюс-минус 13 тысяч лет для пород Мелового периода и примерно 50 тысяч лет для пород Пермского периода.
В результате за последние три года эти новые и значительно более точные временные рамки были использованы в серии знаковых исследований, призванных установить связь между рядом эпизодов массового вымирания и грандиозными извержениями вулканов, называемым Крупными магматическими провинциями (КМП), последствия которых очень напоминают современное изменение климата. Речь идет о массовом вымирании в конце триасового периода 201 миллион лет назад, массовом пермском вымирании 251,9 миллиона лет назад, о тоарском вымирании в юрском периоде, кептенском вымирании в пермский период, вымирании на ранне—средне-кембрийском этапе и Позднепалеоценовом термическом максимуме (ППТМ).
Применив новые методы, Берджесс выяснил, что пермское массовое вымирание — самый масштабный случай вымирания на Земле — произошло в течение менее 61 тысячи лет, начавшись 251,9 миллиона лет назад, что совпало с масштабным смещением углеродного цикла, следы которого можно обнаружить в современных отложениях. Затем он сравнил эти даты с датами, полученными в результате изучения вулканических пород Сибирских траппов. Оказалось, что они полностью совпадают.
«Более половины объема Сибирских траппов изверглись ранее [до 251,9 миллиона лет назад], то есть примерно тогда, когда началось и закончилось это массовое вымирание. Таким образом, все произошло очень быстро».
Речь идет о таком количестве лавы, которое способно покрыть всю территорию США слоем высотой в 275 метров, и излитие этой лавы произошло в такой момент и с такой скоростью, что его вполне можно считать неоспоримым доказательством, указывающим на связь между извержениями и массовым вымиранием.
Временные рамки вымирания динозавров
В течение многих лет причиной начала массового вымирания конца Мелового периода считались извержения вулканов в Индии, к которым позже присоединилось воздействие падения астероида Чиксулуб в Мексике, который и довершил начатое. Извержения, приведшие к образованию Деканских траппов в Индии, прежде считались слишком медленными, а их воздействие — слишком незначительным, чтобы говорить о том, что сами по себе они могли привести к вымиранию живых существ. Однако новые данные о временных рамках пермского, триасового и других вымираний указывают на то, что извержения КМП действительно способны спровоцировать вымирания без помощи астероида. На самом деле ученые не смогли связать воздействие астероидов ни с одним из эпизодов массового вымирания с момента появления многоклеточных животных, несмотря на то, что с тех пор на Землю падали другие астероиды, почти такие же крупные, как Чиксулуб.
В январе 2015 года специалист в области геохронологии Блэр Шене (Blair Schoene) из Принстонского университета вместе со своими коллегами измерил временные рамки Деканских извержений и выяснил, что эти извержения произошли в нужное время и были нужной длительности, чтобы спровоцировать массовое вымирание конца мелового периода — и модель вымирания оказалась удивительно похожей на модели вымираний в конце пермского периода и конца триасового периода.
Однако эти извержения также примерно совпали по времени с ударом метеорита Чиксулуб.
Сопоставление несопоставимого
В своем исследовании Блэр использовал ураново-свинцовый метод на минерале, носящем название циркон, однако временные рамки воздействия метеорита Чиксулуб были определены при помощи аргон-аргонового метода.
Аргон-аргоновый метод датирования — это более распространенный метод определения возраста вулканических пород, потому что при помощи него можно изучать полевые шпаты, которые часто встречаются в лаве КМП и в отложениях вулканического пепла, тогда как цирконы там встречаются крайне редко. Аргон-аргоновый метод определения возраста тоже пережил революцию, и сегодня он позволяет получать результаты, почти такие же точные, как и результаты измерений с помощью ураново-свинцового метода.
Однако аргон-аргоновый метод определения возраста пород сильно отличается от ураново-свинцового метода. Он требует калибровки до эталонного материала и облучения образцов в ядерном реакторе. «Между аргон-аргоновым и ураново-свинцовым методами есть разница», — объясняет Берджесс. В некоторых случаях разница составляет 0,1-0,2% — мы говорим о 60 тысячах лет в конце мелового периода. Такая погрешность в 60 тысяч лет — это огромное количество времени для биосферы. «Чтобы сравнить даты, полученные в результате применения аргон-аргонового и ураново-свинцового методов, нужно учитывать некоторую степень неточности, которая и приводит к потенциальной погрешности. В сущности это позволяет нам сопоставлять несопоставимое».
Чтобы проиллюстрировать это можно привести следующий пример: в 2010-2011 годах возраст широко используемого эталонного минерала, «санидина каньона Рыбной реки», была изменена с 28,01 миллиона лет до 28,3 миллиона лет, что в результате привело к сдвигу временных рамок на полмиллиона лет (поэтому временные рамки массового вымирания конца мелового периода сместилось с 65 до 66 миллионов лет назад).
Такие различия подливают масла в огонь споров, окружающих первопричину и порядок событий в период массового вымирания.
Герта Келер (Gerta Keller) из Принстонского университета долгое время утверждала, что падение астероида Чиксулуб произошло как минимум за 100 тысяч лет до массового вымирания, поэтому само по себе оно не могло вызвать это массовое вымирания, которое, по ее мнению, было спровоцировано Деканскими извержениями. Чтобы подтвердить эту гипотезу, ученые зафиксировали ряд индикаторов вулканической активности в породах, образовавшихся в конце мелового периода, в том числе изотопы осмия, минерал под названием акаганеит, распад окиси железа и всплеск уровня ртути (резкий рост уровня ртути является характерным признаком нескольких КМП).
Ситуация усугубляется еще и тем, что, чтобы соотнести образцы пород конца мелового периода, извлеченные в разных уголках мира, нужно измерить изменения полярности магнитных полей, нашедших отражение в породах, однако между методами определения возраста пород существуют значительные расхождения, касающиеся этих изменений в конце мелового периода (примерно 740 тысяч лет против 400 тысяч лет).
Специалисты в области геохронологии из Калифорнийского университета в Беркли Пол Ренн (Paul Renne), Кортни Спейн (Courtney Sprain) и их коллеги недавно применили аргон-аргоновый метод датирования в изучении образцов лавы, излившейся в ходе Деканских извержений, и выяснили, что самые мощные Деканские извержения произошли в пределах 50 тысяч лет от падения астероида. Эти временные рамки стали первыми датами, поместившими падение астероида в контекст деканских извержений в Индии, которые были рассчитаны с использованием того же самого аргон-аргонового метода датирования. Другими словами, ученым наконец удалось сопоставить сопоставимое.
Таким образом, сегодня можно говорить о трехстороннем временном совпадении между падением астероида, Деканскими извержениями и массовым вымиранием. Высокое содержание ртути, связываемое с Деканскими извержениями, пронизывает следы воздействия астероида, обозначенные резким всплеском уровня иридия, что в совокупности подтверждает гипотезу о том, что падение астероида и извержения произошли довольно близко друг от друга во времени.
Эти новые даты внесли изменения в гипотезу о том, что массовое вымирание было вызвано падением астероида, впервые предложенную отцом и сыном Луисом и Уолтером Альваресами (Luis and Water Alvarez). Уолтер стал соавтором новой работы, написанной под руководством профессором Марка Ричардса (Mark Richards) из Калифорнийского университета в Беркли, в которой говорится, что мощь Деканских извержений в значительной мере увеличилась из-за сейсмических колебаний, которые разошлись по всей планете после удара астероида.
Однако в этой теории есть один недочет. В течение нескольких лет в научном сообществе считалось, что дата массового вымирания совпадает с датой удара астероида — профессор Келлер назвала эту гипотезу примером «окольных рассуждений», создающих замкнутый круг. Еще несколько лет назад, когда в определении временных рамок присутствовали существенные погрешности, такая гипотеза казалась многим ученым вполне разумной и практичной. Но теперь, когда новые достижения в области геохронологии дают нам возможность достаточно точно определить временные границы массового вымирания конца мелового периода, эта гипотеза утратила свои основания.
Сейчас большое значение имеет то, что ученые получили возможность сравнить точные даты падения астероида (а не его отдаленные следы), самого массового вымирания и извержений вулканов.
Подтверждение времени падения астероида
И именно сейчас вступает в игру новый проект по исследованию кратера Чиксулуб, во главе которого стоят Техасский университет и Королевский колледж Лондона.
Помимо решения других научных задач ученые планируют определить возраст пород, расплавленных в результате удара астероида Чиксулуб, а также пород, образовавшихся под воздействием более мелкого астероида, упавшего в меловой период на территории Украины, и в результате Деканских извержений. Ученые проекта подтвердили, что они намереваются применить высокоточные аргон-аргоновый и ураново-свинцовый методы датирования с использованием точно выверенных маркерных элементов EARTHTIME.
Если ученым удастся извлечь подходящие образцы пород, этот проект сможет помочь разрешить те разногласия, которые сохранялись с 1980-х годов.
http://inosmi.ru/science/20160408/236056123.html