Палеоширотный градиент содержания углекислоты в атмосфере Северного полушария в серпуховском веке

Углекислота – один из основных парниковых газов, содержание которого в атмосфере существенно влияет на климат Земли за счет так называемого парникового эффекта. Этот эффект известен с XIX в. [1] и рассматривается в качестве основного драйвера климатических изменений в геологическом прошлом и настоящем [2, 3]. По этой причине многие палеоклиматические реконструкции базируются на восстановлении содержания CO2 в атмосфере (pCO2 atm) на основе моделей углеродного цикла. Из наиболее разработанных моделей следует отметить GEOCARB [4], GEOCARBSULF [5], COPSE [6], GEOCARB_NET, SCION, GEOCLIM [7]. Они позволяют реконструировать среднее содержание углекислоты в атмосфере с довольно высокой детальностью (от 10 до 0,5 млн лет). При этом практически не учитываются пространственные вариации, в том числе обусловленные локальными источниками углекислоты. К последним относятся области эндогенной активности, обширных лесных пожаров и выветривания обогащенных углеродом пород (углей, горючих сланцев). Локальное снижение pCO2 atm за счет поглощения углекислоты из атмосферы может быть связано с зонами интенсивного выветривания силикатов, а также повышенной биопродук- тивности фотосинтезирующих и карбонат-выделяющих организмов.

Другой подход к реконструкции содержания углекислоты в атмосфере опирается на фактические данные по прокси-параметрам, косвенно связанным с p CO₂atm [8]. К таким параметрам относятся изотопный состав углерода фитопланктона [9], планктонных фораминифер, конодонтов [10] и карбонатов почв, а также морфологические признаки наземной растительности (устьичный индекс), изотопный состав бора биогенных карбонатов и др. (см. обзоры в [7, 8]). Для палеозоя все указанные параметры, за исключением изотопного состава углерода планктонных фораминифер, в разной степени доступны для изучения [7]. Реконструкции среднего уровня CO₂ по прокси-параметрам, в целом, хорошо согласуются с результатами моделирования. Несмотря на то, что абсолютные значения могут сильно отличаться, в модельных и прокси-данных, как правило, отмечаются общие тренды (рис. 1).

Помимо реконструкции средних значений, интерес представляет восстановление пространственных вариаций содержания углекислоты в атмосфере, особенно для временных интервалов, отвечающих глобальным потепле-

Рисунок 1. Динамика содержания углекислоты в атмосфере в поздневи-зейско-серпуховское время по результатам моделирования и прокси-параметрам (по [7]).

Условные обозначения. Здесь и на рис. 4: tn – турнейский век; v – визей-ский век; s – серпуховский век.

Figure 1. The dynamics of atmospheric carbon dioxide content during the Late Viséan-Serpukhovian based on the modeling results and proxy parameters (according to [7]).

Keys. Here and in Fig. 4: tn – Tournaisian Stage; v – Viséan Stage; s – Ser-pukhovian Stage.

ниям или похолоданиям. Один из эпизодов значительной трансформации климата, известный как начало позднепалеозойского ледникового периода, приурочен к самому концу позднего девона и раннему карбону [11, 12]. Максимальное похолодание во время позднепалеозойского ледникового периода соответствует поздневизейско-серпу-ховскому и средне-позднекаменноугольному времени [13], а на ранний серпухов (фаза ziegleri) приходится межледниковье [14, 15].

Цель данной работы – реконструкция палеоширотных вариаций содержания углекислоты в атмосфере для начала серпуховского века (фаза ziegleri) в Северном полушарии.

Материалы и методы

Материалом для исследования послужили данные, полученные из пяти разрезов Восточной Европы: скважина Падимейская-6 (Падимейская ступень Воркутинского поперечного поднятия, север Печорской плиты), разрезы на реках Миссиссиппка (Приполярный Урал), Изъяю (юг поднятия Чернышева), в бассейне р. Кожвы (юг Печо-ро-Кожвинского поднятия Печорской плиты) и карьере Полотняный Завод (юго-запад Московской синеклизы Восточно-Европейской платформы). Палеогеографически эти разрезы приурочены к восточной части палеоконтинента Лавруссия и характеризуют значительный палеоши-ротный диапазон от 6° до 25° с. ш. (рис. 2).

Стратиграфическую основу составили биостратигра-фические (по конодонтам) и изотопно-стратиграфические данные. Во всех рассматриваемых разрезах установлен интервал, отвечающий конодонтовой зоне ziegleri (примерно соответствует тарусскому и стешевскому горизонтам) [15]. Из этого интервала сделаны изотопные анализы углерода и кислорода карбонатов и углерода конодонтовых элементов [10, 15].

В качестве базового прокси-признака использована разница изотопного состава углерода карбонатов и коно-

Рисунок 2. Современное (А) и палеогеографическое (Б) (по [16]) положения рассматриваемых разрезов.

Условные обозначения. 1 – Полотняный Завод; 2 – Кожва и Каменка; 3 –

Изъяю; 4 – Миссиссиппка; 5 – Падимейская-6.

Figure 2. Present-day (A) and paleogeographic (Б) (according to [17]) positions of the studied sections.

Keys. 1 – Polotnyany Zavod; 2 – Kozhva and Kamenka; 3 – Izyayu; 4 – Missis-sippka; 5 – Padimeyskaya-6.

донтовых элементов (DELTAC, ‰ VPDB). Предполагается, что эта величина обратно пропорциональна содержанию углекислоты в атмосфере [10]. Данная зависимость носит статистический характер и позволяет реконструировать p CO₂ atm с некоторыми погрешностями. Реконструкции проведены двумя способами – по уравнениям регрессии [там же] и с помощью модели на основе машинного обучения.

Первый способ был описан ранее [там же]. Установлены параметры линейной регрессии для двух крупных групп конодонтов – отрядов Ozarkodinida и Prioniodinida. Для озаркодинид зависимость выглядит следующим образом:

pCO2atm =-71.6*DELTAC +2744,6 (ppm), а для приониодинид - pCO2atm=-66.2*DELTAC+2465,7 (ppm).

При этом ошибка определения p CO₂atm относительно данных [8] достигает 220 ppm.

Для реализации второго способа на исходных данных из [10], дополненных значениями δ18Ocarb, была построена модель на основе алгоритма Random Forest. В качестве обучающей выборки использовали данные по наиболее вероятному содержанию углекислоты [7, 8] и средние данные по изотопному составу кислорода карбонатов и углерода карбонатов и конодонтовых элементов (отдельно для представителей отрядов Ozarkodinida и Prioniodinida) [10].

Средние значения вычисляли для временных интервалов, отвечающих конодонтовым зонам, в диапазоне от раннего франа до позднего серпухова. Поскольку представители конодонтов семейства Cavusgnathidae ( Cavusgnathus, Mestognathus ) характеризуются утяжеленным изотопным составом углерода по сравнению с другими таксонами раннекаменноугольных конодонтов (разница может составлять несколько промилле), они были исключены из рассмотрения. Обучение модели осуществляли с использованием утилиты Create ML и фреймворка Core ML для MacOS (Apple Inc., 2019-2024). Выбор в качестве платформы MacOS обусловлен высокой степенью ее программно-аппаратной оптимизации для решения задач машинного обучения. Среднеквадратичная ошибка полученной модели составляет 97 ppm, а максимальная – 380 ppm.

Из-за статистического характера связи DELTAC и содержания углекислоты в атмосфере проведенные реконструкции pCO2atm являются полуколичественными. Этим, в частности, объясняется отклонение получаемых значений от реконструированных по другим прокси-признакам [8, 9] и результатов моделирования [13]. Значительные отклонения некоторых реконструированных значений, вероятно, обусловлены действием других факторов, влиявших на изотопный состав углерода конодонтовых элементов. К таким факторам, например, относятся локальные особенности состава пищевой базы, температура воды, уровень первичной биопродуктивности, индивидуальные особенности метаболизма [16].

Результаты и их обсуждение

Реконструкции содержания углекислоты для коно-донтовой зоны ziegleri проведены по средним значениям δ18Ocarb, δ13Ccarb, δ13Сcon для пяти местонахождений (скважина 6-Падимейская, разрезы на реках Миссис-сиппка, Изъяю, Каменка и Кожва (бассейн р. Кожвы)

Исходные значения и результаты реконструкции содержания углекислоты в атмосфере для раннего серпухова (фаза ziegleri)

Initial values and results of reconstruction of carbon dioxide content in the Early Serpukhovian atmosphere (ziegleri Zone)

Разрез	Палео-широта (° с. ш.)	Таксон конодонтов	Отряд	δ18O carb ‰	δ13C carb ‰	δ13C con ‰	p CO2 ppm
							ML	Reg
Изъяю 4	22,5	Lochriea ziegleri	Ozarkodinida	25,4	2,2	-31,5	640	336
Изъяю 4	22,5	S-element	Ozarkodinida	26,7	2,5	-26,8	596	653
Изъяю 4	22,5	Gnathodus girtyi	Ozarkodinida	29,8	1,7	-27,2	402	677
Изъяю 4	22,5	Gnathodus girtyi	Ozarkodinida	29,8	1,7	-26,3	276	743
Изъяю 4	22,5	Idioprioniodus sp.	Prioniodinida	29,8	1,7	-25,3	740	681
Изъяю 4	22,5	Gnathodus bilineatus	Ozarkodinida	27,4	1,7	-27,0	316	695
Изъяю 4	22,5	Gnathodus praebilineatus	Ozarkodinida	27,4	1,7	-27,9	421	627
Изъяю 4	22,5	Gnathodus sp.	Ozarkodinida	27,4	1,7	-27,5	425	658
Изъяю 4	22,5	Hindeodus spiculus	Ozarkodinida	27,4	1,7	-28,1	387	610
Изъяю 4	22,5	Idioprioniodus sp.	Prioniodinida	27,4	1,7	-25,7	461	655
Изъяю 4	22,5	Kladognathus sp.	Prioniodinida	27,4	1,7	-26,1	319	625
Изъяю 4	22,5	Vogelgnathus campbelli	Ozarkodinida	27,4	1,7	-27,7	410	642
Изъяю 4	22,5	Idioprioniodus sp.	Prioniodinida	27,4	1,7	-26,3	313	617
Изъяю 4	22,5	Gnathodus sp.	Ozarkodinida	25,6	2,7	-27,0	707	622
Изъяю 4	22,5	Hindeodus sp.	Ozarkodinida	25,6	2,7	-26,9	707	625
Изъяю 4	22,5	Hindeodus cristulus	Ozarkodinida	23,2	3,0	-25,8	595	689
Изъяю 4	22,5	Gnathodus bilineatus	Ozarkodinida	28,0	3,1	-26,7	546	612
Изъяю 4	22,5	Gnathodus bilineatus	Ozarkodinida	28,0	3,1	-26,1	513	656
Изъяю 4	22,5	Kladognathus sp.	Prioniodinida	27,7	3,1	-27,6	371	435
Изъяю 4	22,5	Lochriea sp.	Ozarkodinida	27,7	3,1	-27,9	411	529
Изъяю 4	22,5	Gnathodus bilineatus	Ozarkodinida	28,4	2,8	-27,0	477	612
Изъяю 4	22,5	S-element	Ozarkodinida	27,8	3,2	-24,9	497	733
Изъяю 4	22,5	Gnathodus bilineatus	Ozarkodinida	26,9	3,3	-25,7	597	671
Изъяю 4	22,5	fragment	Ozarkodinida	24,6	2,7	-26,1	619	680
Изъяю 4	22,5	S-element	Ozarkodinida	24,5	2,9	-25,9	642	684
Изъяю 4	22,5	S-element	Ozarkodinida	24,5	2,9	-29,4	546	435
Кожва 125	21,5	Gnathodus bilineatus	Ozarkodinida	26,4	-0,4	-26,4	920	887
Кожва 125	21,5	Idioprioniodus sp.	Prioniodinida	26,4	-0,4	-24,5	1007	871
Кожва 125	21,5	Gnathodus bilineatus	Ozarkodinida	28,1	-0,8	-26,4	988	916
Кожва 125	21,5	Idioprioniodus sp.	Prioniodinida	24,5	-1,8	-27,1	947	793
Кожва 125	21,5	M-element	Ozarkodinida	28,7	0,5	-26,0	851	851
Каменка 99	21,5	Idioprioniodus sp.	Prioniodinida	30,3	0,9	-26,8	274	634
Каменка 99	21,5	Lochriea sp.	Ozarkodinida	30,3	0,9	-27,3	284	722

Окончание таблицы

Кожва 5C	21,5	M-element	Ozarkodinida	23,9	0.2	-27,1	593	788
Миссиссипка	23,5	S-element	Ozarkodinida	23,9	1.1	-27,3	520	709
Падимей-6	25	Idioprioniodus sp.	Prioniodinida	22,2	2.9	-25,8	577	570
Падимей-6	25	Gnathodus sp.	Ozarkodinida	22,2	2.9	-29,3	497	444
Падимей-6	25	S-element	Ozarkodinida	22,2	2.9	-27,4	576	575
Падимей-6	25	fragment	Ozarkodinida	24,4	3.2	-26,3	729	632
Полотняный Завод	5,8	Lochriea commutata	Ozarkodinida	25,6	1.3	-27,2	628	701
Полотняный Завод	5,8	Gnathodus sp.	Ozarkodinida	27,4	1.2	-24,2	1015	921
Полотняный Завод	5,8	Idioprioniodus sp.	Prioniodinida	24,8	1.0	-23,8	1109	824

Условные обозначения. ML - реконструкция с помощью модели машинного обучения; Reg - реконструкция с помощью уравнений регрессии.

Keys. ML – reconstruction obtained using the machine learning model; Reg – reconstruction obtained using regression equations.

и в карьере Полотняный Завод) (рис. 2; таблица). Местонахождения, согласно палеогеографической реконструкции для серпуховского века [17], характеризуют палеоширот-ный интервал от 6° до 25° в Северном полушарии (рис. 2). В таблице приведены результаты реконструкции двумя описанными методами. Следует отметить, что оба метода показывают сходный палеоширотный тренд значений p CO₂ atm. Максимальные значения реконструированы для низких широт (разрез Полотняный Завод), а минимальные – для широт 23–25°. Наиболее существенное снижение p CO₂ atm отмечается на палеошироте около 22° (рис. 3), т. е. на границе тропического и субтропического поясов. Среднее реконструированное значение p CO₂ atm для Северного полушария по изученным разрезам составляет от 582 (реконструкция с помощью модели машинного обучения) до 668 (реконструкция с помощью уравнений регрессии) ppm.

Среднее реконструированное значение p CO₂ atm для Северного полушария (582 ppm) ближе всего к среднему значению, полученному моделью COPSE при параметре чувствительности климата к содержанию углекислоты равном 4,5 [13] (рис. 4). При этом в Северном полушарии отмечается палеоширотный градиент с максимумом в тропической зоне (рис. 3). Полученная разница в содержании углекислоты в атмосфере между субтропической и тропической зонами достигает 300–400 ppm, что мало реалистично. Учитывая значительную ошибку в реконструкции абсолютных значений уровня CO₂ (около 100 ppm), можно предположить, что реальный градиент был меньше. В любом случае оценки носят полуколичественный характер, и имеет смысл анализировать только общий характер пространственных вариаций p CO₂atm.

Наличие положительной аномалии в тропической области может быть объяснено действием нескольких

Рисунок 3. Реконструированный палеоширотный градиент содержания углекислоты в атмосфере (серпуховский век, фаза ziegleri). Для результатов реконструкции квартили 25–75 % обозначены прямоугольниками, горизонтальная линия внутри прямоугольника отвечает медиане. Минимальные и максимальные значения показаны с помощью линий с засечками. Точки соответствуют реконструированным значениям для отдельных образцов. Красным цветом обозначены значения реконструкции содержания углекислоты в атмосфере с помощью уравнений регрессии, а черным – с помощью модели машинного обучения.

Figure 3. The reconstructed paleolatitudinal gradient of atmospheric carbon dioxide content (Serpukhovian, ziegleri Zone). For reconstruction results, the 25–75 % quartiles are shown as rectangles, with the horizontal line inside each rectangle representing the median. Minimum and maximum values are shown by whiskered lines. Points correspond to reconstructed values for individual samples. Red points indicate the atmospheric carbon dioxide reconstructions obtained using regression equations, and black points indicate the reconstructions obtained using the machine learning model.

факторов. Во-первых, это могло быть связано с эмиссией углекислоты в пределах Кольско-Днепровской магматической провинции и/или Уральской вулканической островной дуги и последующим перераспределением повышенных содержаний углекислого газа за счет атмосферной

pCX^atm (ppm)

1000--

o_L__________ tn V s

360                320 млн.л.

Рисунок 4. Реконструкция содержания углекислоты в атмосфере в раннем карбоне.

Условные обозначения. 1 – модель COPSE [13]; 2 – среднее значение по прокси-параметрам [там же]; 3 – среднее значение для восточной части Лавруссии по данным из настоящей работы.

Figure 4. Reconstruction of atmospheric carbon dioxide content in the Early Carboniferous.

Keys. 1 – COPSE model [13]; 2 – mean value based on proxy parameters [see above]; 3 – mean value for the eastern part of Laurussia based on data from the present study.

циркуляции в пределах тропической зоны конвергенции. Масштабы эмиссии могли быть значительными, особенно в случае наличия карбонатных пород в области магматической активности [18]. Вторым фактором мог выступать значительный температурный градиент в приповерхностном слое воды, что обуславливало поглощение углекислоты в приполярных районах и ее эмиссию в тропической области. Подобный механизм известен в современных океанах, хотя и играет незначительную роль в перераспределении углекислого газа в атмосфере. В среднем палеозое температурный градиент мог быть выше [19], а соответствующий эффект – значительней. Еще одним фактором могло быть крайне неравномерное распределение биопродуктивности и соответствующая разница в поглощении углекислоты при фотосинтезе как наземными, так и морскими экосистемами, а также карбонат-продуцирующими организмами в пределах тропического и субтропического поясов. Не исключено также совместное действие этих и других факторов (см. [13]) при невысокой интенсивности атмосферной циркуляции на низких широтах.

Приуроченность максимального градиента значений p CO₂ atm к границе тропического и субтропического поясов (примерно 22° с. ш. в древних координатах), вероятно, отражает структуру глобальной атмосферной циркуляции в раннесерпуховское время. Наличие такого градиента свидетельствует о сохранении отчетливой климатической дифференциации в эпоху раннесерпуховского межледниковья [14].

Выводы

Полученные результаты позволяют предположить, что в первой половине позднепалеозойского ледникового периода (конец раннекаменноугольной эпохи) в Северном полушарии в восточной части Лавруссии существовал широтный градиент в содержании углекислоты в атмосфере с максимумом в тропической области. Предполагается, что наибольшие изменения содержания углекислоты были приурочены к границе тропического и субтропического поясов.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.