Изменение атмосферы в позднем архее

На состав атмосферы в позднем архее существенно влияла эволюция мантии и земной коры.

В раннем архее роль субаэральной эрозии была подчинена гидротермальной активности вследствие не только высокого теплового потока, но и того, что ранняя континентальная коры была тонкой и почти полностью погруженной в воду, лишь небольшие острова и микроконтиненты подвергались интенсивному химическому выветриванию. Низкие величины ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в архейских карбонатах, унаследованные от морской воды, свидетельствуют о том, что гидротермальные процессы доминировали в бюджете Sr.

Атмосферные концентрации О2были стабильно низкими, на что указывает малый вклад захороненного органического вещества, осуществлявшего кислородный фотосинтез, и этот кислород в значительной степени расходовался на окисление вулканических газов.

Уменьшение теплового потока в позднем архее привело к ослаблению гидротермальной циркуляции на морском дне и вулканической дегазации. Возможно, менялся истиль субдукции. В раннем - среднем архее субдуцирующий слэб дегидратировался, частично плавился и разрушался в верхней мантии на глубинах менее 200 км. Позднее уменьшение теплового потока и падение Т привело к формированию более холодной и прочной океанической литосферы. Субдуцирующий слэб лишь частично дегидратировался и вместе с летучими, такими как СО2и Н2О проникал в мантию до глубин 600 км и более. Предполагается, что верхняя мантия была окислена субдукционной водой после выделения восстановленных газов. Такое прогрессивное “окисление” верхней мантии могло влиять и на состав атмосферы, посредством вулканических газов.

Переработка архейской континентальной коры привела к ее вертикальной зональности, а экстракция базальтов к формированию субконтинентальной литосферы. Происходила перестройка и утолщение коры за счет над и андерплейтинга. Все это привело к быстрому росту континентальной суши в интервале 3-2,5 млрд.лет, что в свою очередь обусловило усиление субаэрального выветривания и увеличение доли кластических осадков. Это отражено в величинах ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в морских карбонатах.

Таким образом, в позднем архее изменения в атмосфере были вызваны ослаблением вулканизма и гидротермальных эманаций, утолщением и стабилизацией континентальной коры и возможно также субдукцией летучих. Увеличение площади суши, усиление континентального выветривания и седиментации, сохранение значительных количеств захороненного органического вещества, образованного в процессе фотосинтеза, вызвало снижение уровня СО2и увеличение О2в атмосфере. Усиление континентальной эрозии увеличивало скорость потребления (расхода) СО2атмосферы. По имеющимся оценкам парциальное давление атмосферного СО2уменьшилось с 10 бар и более на время 4,6 млрд.лет до менее чем 0,03 бар к 0,6 млрд.лет. Усиление солнечного излучение мало влияло на глобальную температуру, так как оно компенсировалось ослаблением парникового эффекта, связанного с уменьшением доли СО2в атмосфере. Возможно, снижение парникового эффекта атмосферы привело к оледенению в позднем архее и раннем протерозое. Уровень содержания О2 в атмосфере мог увеличиться до РО2=10-3бар к 2,5 млрд.лет.

Атмосфера на границе докембрия и фанерозоя

Несомненно, что химизм атмосферы изменился как на границе фанерозоя, так и в течение этого периода.

Из различных данных предполагается, что РО2в позднем докембрии составляло порядка 0,02 ФАУ (фанерозойский атмосферный уровень) (2*10-3атм). Непосредственным показателем содержания атмосферного О2 в период от 500 до 800 млн.лет является вероятная физиология фауны этого времени.

Моделью может служить бентосная беспозвоночная фауна морских районов с низким содержанием О2(Черное море, Калифорнийский залив). Среди этой фауны выделены три сообщества: при минимальной содержании О2, растворенного в воде, в осадках нет бентосных многоклеточных, с повышением его содержания она состоит из маленьких мягкотелых особей, и лишь при mО2> 1 мл/л фауна становится разнообразнее и появляются виды с твердым известковым скелетом.

Первые находки разнообразного сообщества ископаемых остатков животных организмов были сделаны в кварцитах Паунд (поздний докембрий -ранний кембрий Южной Австралии). Здесь ниже горизонта самых древних из известных в этом районе ископаемых раковин с угловым несогласием залегает слой с большим сообществом мягкотелых видов. А в раннекембрийских отложениях встречается первое разнообразное сообщество известковистых ископаемых, и появляются археоцеаты, брахиоподы и т.д. Следовательно, изменение фауны, происходящее при увеличении содержания О2, растворенного в морской воде современных бассейнов, аналогично изменению имевшему место в позднепротерозойское и раннекембрийское

время. Судя по концентрации растворенного в воде О2, его давление в атмосфере могло составлять > 0,1 ФАУ (> 0,02 атм).

Атмосфера в фанерозое

До появления высших сосудистых растений в силуре фактически весь фотосинтез должен был происходить в океанах, континентальная добавка до появления высокоорганизованных наземных растений была незначительной. В настоящее время продуктивность фотосинтеза на суше превышает таковую в океанах, возможно, в 2 раза. Следовательно, кажется вероятным, что завоевание суши сосудистыми растениями значительно увеличило глобальную скорость фотосинтеза, вследствие чего возросло и содержание атмосферного кислорода.

Захоронение большого количества органического материала на суше, а значит, и увеличение содержания СО2в почвенном воздухе способствовало увеличению скорости разложения силикатных и карбонатных минералов и, следовательно, скорости удаления СО2из атмосферы. Все это приводило к уменьшению величины РСО2 в атмосфере.

Таким образом, представляется вероятным, что развитие высших наземных растений и завоевание ими суши привели к значительному увеличению РО2и уменьшению РСО2в девоне.