Газы, растворенные в морской воде. — Геохимия океана. Происхождение океана

Газы, растворенные в морской воде. - Геохимия океана. Происхождение океана Кислород

Кислород и другие газы / распределение в океанах основных факторов среды / моря ссср

Очень большое значение для распространения животных организмов в море имеют кислород и некоторые другие газы — углекислота и сероводород.

Кислород, растворённый в воде, имеет два источника: основной — от фотосинтетической деятельности растений, выделяющих его в воду, как побочный продукт, и второстепенный — поступление с поверхности моря в результате волнения, с осадками, прямо путём диффузии. Однако этот источник по сравнению с основным очень незначителен. Во внутренних морях, изолированных от океана, в нижних слоях воды и в углублениях дна обычно наблюдается недостаток в кислороде, а иногда и полное его исчезновение. В открытых океанах этого не наблюдается, так как там нет явлений стагнации. Глубинные воды океана находятся хотя и в медленном, но постоянном передвижении от полюсов к экватору со скоростью нескольких сантиметров в секунду. На поверхности полярных морей они получили избыток кислорода и уносят его с собой на глубины, медленно расходуя его на дыхание сравнительно редких на глубинах животных организмов. Поверхностные воды океана всегда обладают кислородом в избыточном количестве в слое усиленного развития фитопланктона. С глубиной количество кислорода в открытых океанах немного уменьшается (рис. 50), но в общем его повсюду достаточно, за исключением только тех громадных халистатических зон, о которых мы говорили выше и которые располагаются по обе стороны от экватора в Атлантическом и Тихом океанах и по одну сторону в Индийском океане. Так, в центре южной халистатической области Тихого океана уже на глубине 300 м количество кислорода падает до 2% насыщения (на поверхности 100%), а на глубине 400–500 м — почти до нуля.

Ещё глубже количество кислорода опять возрастает и становится нормальным для глубинных вод океана. Слои, обеднённые кислородом, находятся в центре кругового вращения вод, они удерживаются в одном и том же месте очень длительное время, находясь вне течений. В силу этого они постепенно теряют весь запас кислорода.

У самого дна особенно в неглубоких внутренних морских водоёмах, где обильно развивается донная фауна, может накапливаться в значительном количестве CO2 и тормозить развитие жизни. В самом грунте, вследствие процесса разложения органического вещества, а также вследствие жизнедеятельности некоторых групп серобактерий, может развиваться сероводород (H2S), сильный яд для всех организмов, кроме серобактерий. В некоторых случаях сероводород может заражать (как в нашем Чёрном море) глубинные слои воды, и тогда они становятся непригодными для существования животных и растительных организмов.

§

Чрезвычайно большое значение для развития в морях растительной жизни имеют так называемые питательные соли — все те минеральные вещества, без которых развитие организма невозможно. На суше растения получают все эти вещества и воду из почвы, в море — непосредственно из омывающей растение воды. В характере же потребных растению соединений между морем и сушей различий нет.

Среди веществ, растворённых в воде и необходимых растениям для построения тела, большинство всегда присутствует в морской воде в достаточных количествах. Другие находятся в растворе в очень небольшом количестве, и по использовании их развивающимся фитопланктоном развитие последнего затормаживается. Таким образом, ограничивающее (лимитирующее) действие на развитие растений в море оказывает недостача только в некоторых солях, называемых в силу этого минимум — солями. К ним обычно относят соединения фосфора и азота, а иногда также и кремния, для тех растений, которые, подобно диатомовым, требуют для построения скелета больших количеств кремнезёма. Совершенно таким же образом и для сухопутных растений требуются удобрения с азотом и фосфором в определённых соединениях. В этом смысле плодородие почв и воды базируется в части минерального питания на сходных основах. Многие обобщения и достижения, которыми располагает современное почвоведение, могут быть перенесены и на водоёмы. Подобна тому как и для почв, на них возможно применение удобрений. На маленьких водоёмах — прудах — это уже давно практикуется, но сейчас поставлена проблема удобрения и морских водоёмов, так как нередко развитие морских растений, особенно планктона открытых частей, тормозится или даже полностью приостанавливается из-за отсутствия в воде соединений азота и фосфора.

Количество азота, растворённого в воде, относительно меньше, чем в воздухе. В атмосфере количество кислорода к азоту относится как 1:4, а в воде как 1:2. Однако этот элементарный азот, так же как и на суше, непосредственно растениями усваиваться не может. Так же как и в наземных почвах, в морской воде может иметь место процесс связывания азота микроорганизмами (некоторые бактерии и дрожжевые грибки). В растворённом виде в морской воде азот может находиться также в связанном состоянии в виде растворённого органического вещества (аминокислот). Это так называемый альбуминоидный азот, но он в питание растениям идёт в минимальных количествах.

Гораздо большее значение в питании водных растений имеет азот в различных органических соединениях — нитратах, нитритах и аммиаке. Общее количество этих трёх типов соединений азота очень невелико и исчисляется обычно десятками или сотнями миллиграммов в кубическом метре воды, т. е. даёт концентрацию в 50 000 раз меньшую, чем концентрация основного солевого состава. Однако морские организмы обладают способностью извлекать из окружающей их воды вещества, находящиеся в ничтожно малых концентрациях, даже в более слабых, чем концентрации соединений азота.

Весьма вероятно, что в морской воде, как и в почвах, при содействии бактерий идут процессы денитрификации и нитрификации (рис. 51). Белковые вещества в процессе минерализации под действием микроорганизмов дают аммиак. Процессы нитрификации переводят аммиак через нитриты до нитратов. Процесс денитрификации идёт в обратном направлении. Количество аммиака в морской воде обычно очень незначительно — от нуля до 0,02–0,13 мг/л, и только в придаточных морях в глубинных водах иногда возрастает до 1–1,5 мг/л.

Нитриты в морской воде встречаются в малых количествах, так что основную роль в питании морских растений играют нитраты (соединения азотной кислоты). В глубинных водах океанов и морей нитратов обычно бывает много, но в той поверхностной зоне, где развиваются растения, количество нитратов бывает мало, а иногда падает до нуля (рис. 52).

Вследствие отмирания организмов и опускания их на глубины соединения азота всё время убывают из верхних слоёв моря и накопляются в глубинных. Они могут поступать вновь вместе с береговым стоком (речными водами, тающими снегами и т. п.), но это количество невелико. Главные массы нитратов, обеспечивающих плодородие верхнего слоя открытых частей морей, поднимаются из более глубоких, богатых нитратами слоёв, при вертикальном перемешивании вод вследствие охлаждения поверхностных слоёв моря и уменьшения притока пресных вод с суши.

Фосфор морские растения получают из фосфатов (соединений фосфорной кислоты). Так же, как и нитраты, они накопляются в глубоких слоях моря (десятки миллиграммов в одном кубическом метре воды) и в период усиленной вегетации фитопланктона исчезают из воды в зоне фотосинтеза. Во время весенней и зимней вертикальной циркуляции количество фосфатов здесь снова возрастает.

Количество фосфатов и нитратов в поверхностных водах открытых частей океанов обычно невелико, поэтому и развитие фитопланктона (биологическая продуктивность) имеет очень ограниченный характер. В областях упоминавшихся выше пяти больших халистатических областей океанов, в центрах больших кольцевых вращений вод, изолированных от привноса новых фосфатов и нитратов со стороны, и в силу постоянного сильного прогрева поверхностных вод, почти не поддающихся процессам вертикальной циркуляции, продуктивность фитопланктона чрезвычайно слабо выражена. Это настоящие пустыни моря, поражающие наблюдателя прозрачностью вод и необыкновенно красивой тёмно-синей окраской.

Из морей, вдающихся в сушу, обычно отличающихся обилием жизни, резко выделяется своей исключительной количественной бедностью жизни Средиземное море, несмотря на большое качественное разнообразие населяющих его воды растений и животных. В данном случае бедность моря обусловливается очень малым притоком речных вод, всегда снабжающих внутренние моря фосфатами и нитратами, а с другой стороны, очень слабой вертикальной циркуляцией, не поднимающей с глубин накопляющихся там питательных солей, которых здесь к тому же значительно меньше, чем в открытых океанах.

Совсем иная картина у нас в Азовском море. Донские воды обильно» снабжают этот мелкий водоём питательными солями. Сильный процесс перемешивания всегда поднимает со дна опускающиеся органические соединения, снова и снова вступающие в круговорот. Бурное развитие фитопланктона весь летний период обеспечивает всем животным организмам обильное питание. В результате Азовское море — самый продуктивный морской водоём мира.

И в глубинах моря есть кислород [1959 бауэр г. — тайны морских глубин]

Все морские животные не могут существовать без кислорода. У большинства из них для насыщения крови этим жизненно необходимым газом служат жабры. Некоторые организмы, например губки и медузы, поглощают кислород непосредственно всей поверхностью своего тела. Сколько же кислорода содержится в морской воде? Его довольно много (даже в глубоких слоях). Однако концентрация кислорода в зависимости от глубины и в том или ином море различна. В Атлантическом океане на глубине 3000 метров 1 литр воды содержит от 5 до 7 кубических сантиметров кислорода, на глубине же 200 метров — только 1-2,5 кубических сантиметра. В европейском Северном море независимо от глубины установлена одинаковая насыщенность 7-8 кубических сантиметров на 1 литр воды.

Особое место по содержанию кислорода занимает Черное море. На глубинах, превышающих 200 метров, кислород почти отсутствует, и в этой зоне моря высшие организмы жить не могут. Здесь развиваются только бактерии, приспособленные к жизни в бескислородной среде. Причина недостатка кислорода в Черном море кроется в том, что этот почти замкнутый бассейн соединяется со Средиземным морем лишь узким и мелким Босфорским проливом. Кроме того, в Черное море впадает много рек; пресная, более легкая вода растекается по тяжелой, соленой морской воде и служит для нее как бы покрывалом, не пропускающим кислород. В глубоких слоях моря образуется ядовитый сероводород, и в этой среде может существовать только определенный вид бактерий. Аналогичные условия недостатка кислорода наблюдаются в некоторых фьордах побережья Норвегии, например в 30-километровом Драмменсфьорде, являющемся одним из ответвлений Ослофьорда.

Мы уже знаем, что вода обладает очень низкой теплопроводностью. Вертикальное распределение температур поэтому довольно постоянно. Содержание солей и кислорода в морской воде на разных глубинах с течением времени также не претерпевает больших изменений; во всяком случае практически эти изменения никакого значения не имеют.

Океаны очень быстро теряют кислород. чем это опасно? —

Мировой океан является крайне важным элементом, обеспечивающим поддержание жизни на всей нашей планете. И изменения в «водной среде» обязательно аукнутся не только обитателем морей и океанов, но и тем, кто живет на суше. Как сообщает редакция журнала New Science со ссылкой на данные Международного союза охраны природы (МСОП), весь мировой океан потерял около 2 процентов кислорода за последние полвека. И это вызывает сильную встревоженность в научном сообществе, ведь эта если эта тенденция продолжится, то последствия будут катастрофическими.

В состав Международного союза охраны природы входит 67 ученых из 17 стран мира. Все эти специалисты провели широкомасштабное исследование по насыщению океана кислородом. Они установили, что с начала 1960 года по конец года 2022, уровень кислорода в Мировом океане снизился и продолжает падать. Это явление, которое они также называют «деоксигенацией», в значительной степени объясняется изменением климата, и связано с последствиями глобального потепления, а также с деятельностью человека. О последствиях глобального потепления мы часто пишем на нашем сайте, так что рекомендуем подписаться, чтобы оставаться в курсе событий.

Читайте также: Чем опасно загрязнение Марианской впадины?

Если говорить о глобальном изменении климата, то тут влияние довольно очевидно. Смена «температурной кривой» оказывает влияние и на температуру воды. Крупные течения меняют свою температуру, что негативно сказывается на растениях, производящих кислород в водной среде (в первую очередь, это водоросли). Меньше растений — меньше кислорода. А вот с деятельностью человека все немного интереснее.

В большей степени на снижение уровня кислорода влияет… сельское хозяйство. Дело в том, что сток удобрений и прочих компонентов, которые люди используют для возделывания полей, рано или поздно попадает в грунтовые воды, затем в реки и позже уже в океаны. Там данные вещества не только негативно влияют на местную флору и фауну, но и связывают какую-то часть активных форм кислорода, еще сильно снижая его концентрацию в водной среде.

Да, мы обнаружили, что уровень кислорода в мировом океане упал в среднем на 2 процента. Это снижение может показаться вам незначительным, однако даже такой уровень потерь скажется на жизнедеятельности всех животных и растений. — отмечает Дэн Лаффоли, один из авторов доклада. Если вы считаете, что 2 процента — это небольшая потеря, то попробуйте взобраться на Эверест, и по пути такая потеря, поверьте, окажет на вас очень сильное влияние. Это одна из тенденций, которая не доносится до общественности, но сильно влияет на окружающую среду. И мы уже сейчас можем заметить последствия этих изменений. Например, снижение кислорода является причиной массового вымирания рыб на побережье океана в нескольких частях США.

Но помимо «океанических последствий», снижение концентрации кислорода в океане, как отмечают ученые, может значительно повлиять и на круговорот других элементов, а именно — азота и фосфора, которые «необходимы для жизни на Земле». В первую очередь, это основа многих питательных веществ и структурных элементов клеток. А это в свою очередь будет иметь последствия для всех органических форм жизни, включая и нас с вами.

Попробуй копнуть глубже, или сколько кислорода в океанических осадках? • новости науки

Экспедиционные работы в районе субтропического пояса Тихого океана принесли неожиданный результат. Вопреки известным фактам и моделям, стометровая толща осадков на дне океана в районе Северного Тихоокеанского течения содержит кислород. Это удивительно, потому что обычно кислород в осадках исчезает на глубине нескольких десятков сантиметров. Ученые построили непротиворечивую модель расходования кислорода и выяснили, что разгадка состоит в крайне медленной скорости накопления осадков — около 1 мм в тысячу лет. Живые микроорганизмы, обнаруженные в толще осадков, должны быть аэробными. Согласно расчетным показателям объема потребляемого ими кислорода, скорость их метаболизма исключительно низка, а их жизненный цикл рекордно долгий.

Сколько кислорода в толще океанических осадков? Вроде бы простой вопрос — конечно, очень мало. Возьми, проковыряй ямку — и сразу увидишь (и учуешь) сероводородный темный слой. На окисление органики, которая со всей очевидностью существует в осадках, и морских, и поверхностных, расходуется весь кислород; в отсутствие кислорода верх берут анаэробные жители планеты, и они, как им удобно, трансформируют органику с выделением восстановленной серы. В результате в подповерхностных слоях осадков выделяется сероводород и отлагаются черные сульфиды металлов. Поэтому хорошо известно, что ниже 2–10 см кислорода в осадке просто нет — там царство анаэробов. Концентрация кислорода лимитирует присутствие аэробной жизни и многоклеточных организмов в глубоких слоях осадка. Всё это — азбучные истины донной жизни.

Однако порой обнаруживаются неожиданные вещи, когда начинают проверять эти самые азбучные истины. Так и получилось, когда специалисты, представляющие датский Орхусский университет и американский Университет Род-Айленда, отправились в экспедицию по Тихому океану собирать данные о глубоких донных осадках. Ученые с помощью микрозонда измеряли содержание кислорода в керновых пробах донных осадков. Как принято в экологической практике, эти пробы сопоставлялись с распределением продуктивности вод в районах сбора данных.

Данные о первичной продуктивности были взяты из спутниковых съемок цветности океанической поверхности (см. Ocean Color Image Gallery.

Цветность океанической поверхности хорошо отражает обилие и активность фитопланктона; давно разработаны алгоритмы пересчета оптических показателей в показатели продуктивности. Этими методами и воспользовались ученые для своих целей.

Экваториальные пробы показали обычное распределение кислорода в осадках — на глубине 6–9 см кислорода уже нет совсем. Но в районе Северного Тихоокеанского течения исследователи получили неожиданные результаты. Оказалось, что в этих районах — точки 11 и 10 на графике — в осадках есть кислород даже на глубине 30 м и ниже. Теоретически эти показатели можно было бы объяснить снижением продуктивности: низкая продуктивность требует меньших затрат кислорода на окисление органики. Получается, что кислород мог бы остаться на глубине, не растратиться полностью. Но нет — в аналогичных по продуктивности районах Атлантики содержание кислорода в осадках более или менее обычное — кислород кончается на глубине 20–50 см. Так что одной лишь пониженной продуктивностью не объяснить полученные цифры. Ученые предположили, что дело тут в скорости осадконакопления: в районах Северного Тихоокеанского течения она исключительно мала. Тогда получится, что вся органика потребляется (окисляется) поверхностными микроорганизмами, а тем, что существуют в глубине, органической пищи остается ничтожное количество. В этом случае глубинным обитателям не на что будет тратить кислород.

Действительно, построив простую модель соотношения кислорода–углерода с учетом проницаемости конкретных донных осадков и найдя ее численные параметры по данным из районов 11 и 10, можно подсчитать скорость осадконакопления. Получилось около 1–5 мм за тысячу лет. В точке 11 этот показатель еще ниже — 0,2 мм в тысячу лет. И вправду, за тысячу лет вполне можно употребить практически всю органику, которая заключается в 1 мм осадков. Расчеты показали, что при таких темпах осадконакопления 90% всей органики потребляется в верхних 6 см осадка. В районе Северного Тихоокеанского течения глубина осадков составляет 88–100 м, и кислород проникает в них до самой материнской породы. Возраст нижних слоев осадков составляет около 80–100 млн лет.

Итак, в глубоком слое осадков имеется впечатляющее количество кислорода. Это означает, что там существует аэробная жизнь (если жизнь там вообще есть). Для анаэробного метаболизма кислорода в этих осадках слишком много. Подсчитали число клеток в пробах керна: в поверхностных слоях оказалось порядка 108 клеток на кубический сантиметр, а на глубине 20 м — 103 клеток на кубический сантиметр (подсчитывали методом флуоресцентной микроскопии). Используя расчетные показатели утилизации кислорода в объемах осадка, получим максимальные скорости потребления кислорода микроорганизмами. Они получаются прямо-таки исчезающе малыми — порядка 10–19–10–18 моля О2 на клетку в день (одна тысячная фемтомоля). Ужасно. И в то же время захватывающе интересно: какие-то клетки могут жить при такой низкой скорости метаболизма. Это очень медлительные клетки, просто рекордсмены по долготерпению. Подобная клетка со своим сверхмедленным метаболизмом должна жить очень долго, так долго, как дерево, или еще дольше. Мы привыкли к микроорганизмам, у которых за один день сменяется два-три поколения, а тут, напротив, один микроб переживет несколько поколений исследователей. Это какие-то существа с неизвестными науке свойствами.

Нужно, однако, заметить, что догадки о сверхмедленном метаболизме и существовании бактерий-долгожителей построены на расчетах, которые в свою очередь базируются на логически приемлемых моделях. Здесь всё — и сами модели, и их параметризация — могут оказаться ошибочными. Как всегда в подобных случаях, здесь следует подождать повторных исследований и широкой научной дискуссии. Если же результаты расчетов подтвердятся, а микробиологи найдут способ наблюдать жизнь этих удивительных долгожителей (а это методически очень непростая задача), то мы имеем дело с совершенно новой экосистемой: экосистемой глубинных недр. Напомню, что на «Элементах» уже публиковалось сообщение о подобном микробе-долгожителе с затяжным жизненным циклом (см.: В недрах земли найден микроб, живущий сам по себе, «Элементы», 13.10.2008). Но в том случае речь шла все же об анаэробной жизни в глубинных биосферах, а не об аэробной. Возможно, у анаэробного долгожителя нашлись близнецы, живущие в кислородных условиях.

Источник: Hans Røy, Jens Kallmeyer, Rishi Ram Adhikari, Robert Pockalny, Bo Barker Jørgensen, Steven D’Hondt. Aerobic Microbial Respiration in 86-Million-Year-Old Deep-Sea Red Clay // Science. 2022. V. 336. P. 922–925.

Елена Наймарк

После кислородной революции уровень кислорода в океанах долго оставался высоким • новости науки

В породах раннего протерозоя, имеющих возраст 2,22–2,06 млрд лет, геологи фиксируют резкий рост содержания изотопа углерода 13С. Эта аномалия, которую назвали событием Ломагунди, есть в осадочных породах по всей Земле. В целом она совпадает по времени с так называемой кислородной революцией, когда в атмосфере Земли резко выросло содержание кислорода. Традиционно считается, что после окончания события Ломагунди, когда изотопное отношение 13C/12C восстановилось, уровень кислорода упал и оставался низким на протяжении миллиарда лет, вплоть до неопротерозоя. Однако недавнее исследование показывает, что шунгиты — черные сланцы заонежской свиты в Карелии возрастом 1,98 млрд лет — содержат высокие концентрации молибдена, урана и рения. Эти металлы являются индикаторами окислительно-восстановительной обстановки, указывая на локальные зоны с восстановительной средой и на то, что океаны оставались насыщенными кислородом еще многие миллионы лет после окончания кислородной революции и события Ломагунди.

В природе углерод присутствует в виде двух стабильных изотопов: 12C и 13C. На первый приходится 98,93% всего углерода, а на второй — 1,07%. В большинстве пород это соотношение сохраняется, но бывают отклонения. Для количественной оценки таких отклонений используется изотопный коэффициент δ13С показывающий, насколько изотопная подпись углерода (отношение 13C/12C) в породах отличается от этого отношения в стандартном образце. Обычно эти отклонения не очень большие и носят локальный характер. Но был в истории Земли период, для которого во всех морских осадочных породах фиксируются повышенные значения 13C. Это случилось в палеопротерозое, 2,3–2,1 млрд лет назад.

Предполагается, что этот всплеск содержания тяжелого изотопа углерода в осадочных породах, получивший название «событие Ломагунди» (Lomagundi Carbon Isotope Excursion), был связан с бурным развитием в этот период цианобактерий. Известно, что легкий изотоп углерода 12С обладает преимуществом при вхождении в состав живых организмов, поэтому в период, когда на планете началось формирование большого количества организмов, легкий углерод выводился из морской воды, а оседавшие на дно осадки были относительно обогащены тяжелым изотопом 13C (подробнее о событии Ломагунди см. в статье Кислородная революция и событие Ломагунди связаны с тектоническими процессами в раннем протерозое, «Элементы», 27.12.2022).

Неудивительно, что событие Ломагунди в целом совпадает по времени с так называемой кислородной революцией — резким ростом содержания кислорода в атмосфере Земли в начале протерозоя (см. «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2022).

Считается, что формирование огромного количества первичной биомассы сдвинуло изотопную подпись углерода, а затем, после завершения кислородной революции, баланс восстановился и больше уже никогда не нарушался. Однако традиционное объяснение корреляции кривых парциального давления кислорода в атмосфере и изотопного коэффициента δ13С в протерозое плохо согласуется с фактом отсутствия среди раннепротерозойских пород осадочных отложений с большим количеством органического углерода, а также с тем, что геохимические циклы углерода и кислорода подчиняются разным закономерностям.

Чтобы разобраться, какой была среда в океане непосредственно после окончания события Ломагунди, международная группа ученых во главе с Куртом Конхаузером (Kurt Konhauser) из Университета Альберты в Канаде и Калле Кирсимяэ (Kalle Kirsimäe) из Тартуского университета в Эстонии изучила богатые углеродом первично осадочные породы заонежской свиты в Карелии на северо-западе России, возраст которой составляет 1,98 млрд лет. То есть, по данным абсолютного датирования, выполненного уран-свинцовым методом, она образовалась через 80 млн лет после окончания события Ломагунди.

Это подтверждается и изотопными анализами углерода. В породах заонежской свиты δ13С примерно равен 0‰ (нормальное значение), а в подстилающей туломозерской свите значение этого изотопного коэффициента — повышенное (более 8‰), как и положено породам, образовавшимся в период события Ломагунди.

Всего ученые исследовали 210 метров керна осадочных отложений палеопротерозоя, охватывающих период несколько десятков миллионов лет. Эти отложения, относящиеся к заонежской свите, представлены аргиллитами и доломитами с прослоями шунгитов — пород типа черных сланцев (рис. 1), формировавшихся, как правило, в обстановке резкого снижения уровня кислорода (подробнее о черных сланцах см. Верхний слой океана в позднем архее местами уже был обогащен кислородом, «Элементы», 04.03.2022).

Общее содержание органического углерода Сorg в породах заонежской свиты составляет 14,5–27,4% — примерно столько же, сколько в современных богатых органикой морских отложениях. Но особое внимание авторов привлекли аномально высокие для черных сланцев концентрации в шунгитах металлов, являющихся индикаторами окислительно-восстановительной обстановки осадконакопления — молибдена (до 1009 мкг/г), урана (до 238 мкг/г) и рения (до 516 нг/г).

Первичные источники металлов-индикаторов в морских осадочных отложениях — минералы наземных пород, такие как пирит или уранинит, из которых металлы высвобождаются в процессе выветривания. При разрушении этих пород из-за выветривания металлы поступали в океан вместе с речным стоком и оставались в морской воде в растворенном виде до тех пор, пока не попадали в восстановительную среду и осаждались.

Основываясь на том факте, что из всех палеопротерозойских морских пород металлы-индикаторы концентрируются только в шунгитах, авторы предполагают, что в основном толща океанской воды 2,0–1,9 млрд лет назад — в то время, когда закончились и событие Ломагунди, и кислородная революция, — была все еще насыщена кислородом практически на уровне современных океанов. Исключение составляли лишь локальные бескислородные карманы, где формировались шунгиты и где шло осаждение Mo, U и Re.

Необычно высокими в шунгитах оказались и значения изотопного отношения δ238U (отклонение изотопной подписи 238U/235U в породе от подобного отношения в стандартном образце), которое традиционно служит редокс-индикатором среды Мирового океана. Значения этого коэффициента в изученных породах, лежащие в интервале от −0,03‰ до 0,79‰ указывают на то, что в период накопления осадков заонежской свиты толща воды была насыщена кислородом.

Значения изотопного коэффициента δ238U имеют обратную корреляцию как с уровнем кислотности среды, так и с биологической продуктивностью, отражающейся в объемах накопленной массы органического углерода. Например, в современном Черном море, где биологическая продуктивность очень низкая, значение δ238U в осадках только на 0,8‰ выше, чем в морской воде (M. B. Andersen et al., 2022. A modern framework for the interpretation of 238U/235U in studies of ancient ocean redox). Так как шунгитовые сланцы заонежской свиты богаты органическим углеродом (то есть в период их накопления биологическая продуктивность была высокой), остается только одно объяснение высоких значений δ238U: кислородная среда океана.

Ранее ни в одном исследовании не сообщалось о таких высоких показателях содержания металлов-индикаторов и значении δ238U в обогащенных органическим углеродом протерозойских черных сланцах. Значения такого уровня фиксировались только в фанерозойских породах, являясь свидетельством глубокой оксигенации (насыщения кислородом) океана, возникающей вследствие его взаимодействия с атмосферой (C. T. Reinhard et al., 2022. Proterozoic ocean redox and biogeochemical stasis) (рис. 2).

Содержание органического углерода в шунгитах определялось на анализаторе LECO CS 444 путем сжигания образца в индуктивной печи при подаче кислорода. Концентрации металлов были получены методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP–MS), а значения δ238U — методом многоколлекторной масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (MC–ICP–MS).

Результаты исследования ставят под сомнение общепринятое мнение о том, что после кислородного всплеска в начале протерозоя на Земле наступил «бескислородный» период, продолжавшийся около миллиарда лет, вплоть до неопротерозоя. Авторы считают, что и после окончания события Ломагунди в атмосфере оставалось достаточно кислорода, и продолжалась атмосферная оксигенация океана, воды которого были насыщены кислородом до середины палеопротерозоя, хотя и отмечают, что это могло касаться не всего Мирового океана, а только локального бассейна, в котором накапливались отложения заонежской свиты.

Тем не менее, ученые отмечают, что сохранение как минимум до середины палеопротерозоя оксигенированных бассейнов могло иметь решающее значение для эволюции жизни на Земле. Палеопротерозой — это время появления первых эукариот — предшественников всей сложной жизни, для развития которой необходим высокий уровень кислорода в окружающей среде.

Данное исследование показывает, что кислородные условия в палеопротерозое сохранялись значительно дольше, чем считалось ранее, а значит, у первых эукариот было значительно больше времени для появления и ранней эволюции.

Источник: Kaarel Mänd, Stefan V. Lalonde, Leslie J. Robbins, Marie Thoby, Kärt Paiste, Timmu Kreitsmann, Päärn Paiste, Christopher T. Reinhard, Alexandr E. Romashkin, Noah J. Planavsky, Kalle Kirsimäe, Aivo Lepland, Kurt O. Konhauser. Palaeoproterozoic oxygenated oceans following the Lomagundi–Jatuli Event // Nature Geoscience. 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41561-020-0558-5.

Владислав Стрекопытов

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий