Андо-сахарское оледенение

Хирнантское оледенение, также известное как Андско-Сахарское оледенение^[2], Ранний палеозойский ледниковый период^[3] — оледенение, которое произошло в палеозойском периоде примерно с 460 млн лет до 420 млн лет назад, в течение позднеордовикского и силурийского периода. Ранее считалось, что основное оледенение этого периода ограничивается лишь хирнантским оледенением, но теперь оно признано более длительным и постепенным событием^[4][5][6], которое началось ещё в дарривилевском и, возможно, даже во флоанском периоде^[7]. Свидетельства этого оледенения можно увидеть в таких местах, как Аравия, Северная Африка, Южная Африка, Бразилия, Перу, Боливия, Чили, Аргентина и Вайоминг^{[8][9][10][11]}. Ещё одно доказательство, полученное из изотопных данных, заключается в том, что в позднем ордовике температура тропического океана была примерно на 5 °C ниже, чем сегодня; Это было бы основным фактором, способствовавшим процессу оледенения^[12].

Позднеордовикское оледенение считается основной причиной массового вымирания в позднем ордовикском периоде,^[13] и это единственный ледниковый эпизод, который, по-видимому, совпал с крупным массовым вымиранием почти 61 % морской флоры и фауны^[14]. По оценкам, пиковый объём ледяного покрова колеблется от 50 до 250 миллионов кубических километров, а его продолжительность — от 35 миллионов до менее чем 1 миллиона лет. Считается, что ледниковый период, достигший своего пика в период Хирнантиана, был значительно более экстремальным, чем последний ледниковый максимум, произошедший в конце плейстоцена. Оледенение в Северном полушарии было минимальным, потому что большая часть суши находилась в Южном полушарии.

Самые ранние свидетельства возможного оледенения получены из флоанских колебаний изотопов кислорода конодонта-апатита, которые демонстрируют периодичность, характерную для циклов Миланковича, и интерпретируются как отражение циклического роста и убывания полярных ледяных шапок. Предполагаемое оледенение в среднем дарривиане соответствует положительному изотопу углерода^[15]. Изменения уровня моря, вероятно, отражающие гляциоэвстазию, известны на этой геологической стадии, около 467 млн лет^[16][17]. Тем не менее, не существует известных среднеордовикских ледниковых отложений, которые могли бы предоставить прямые геологические доказательства оледенения. Изотопные данные из Сандбия указывают на три возможных оледенения: раннее Сандбское оледенение, среднее Сандбское оледенение, позднее Сандбийское оледенение. Несмотря на то, что биостратиграфическое датирование ледниковых отложений в Гондване было проблематичным, есть данные, свидетельствующие о наличии оледенения на сандбийском ярусе (примерно 451—461 млн лет назад)^[18]. Распределение граптолитов в течение временного интервала, очерченного граптолитовой биозоной Nemacanthus gracilis, указывает на широтную протяжённость субтропиков и тропиков, аналогичную сегодняшней, о чём свидетельствует крутой фаунистический градиент, нехарактерный для жарких периодов, что позволяет предположить, что Земля находилась в состоянии мягкого ледника к началу песчаного периода, около 460 млн лет. Многие возможные короткие оледенения произошли во время Катиана: три очень коротких оледенения во время раннего Катиана, Раквереское оледенение во время позднего раннего Катиана, среднее Катийское оледенение, раннее Ашгилловское оледенение в начале позднего Катиана и последнее Катианское оледенение, за которым последовало быстрое потепление в граптолитовой биозоне Paraorthograptus pacificus непосредственно перед самим оледенением Хирнантия.^[19] Свидетельства серьёзных изменений в образовании придонных вод, которые обычно указывают на резкое изменение глобального климата, известны из Катиана,^[20] как и колебания конодонта-апатита δ¹⁸O из Кентукки и Квебека, которые, вероятно, отражают гляциоэвстатические изменения уровня моря.^[21]Тем не менее, существование ледников во время Катиана остаётся спорным^[22][23]. Katian брахиопод и значения морской воды δ¹⁸O из арки Цинциннати указывают на температуру океана, характерную для глобального парникового состояния^[24].

На границе Катиана и Гирнанта внезапное похолодание вызвало быстрое расширение ледников, что привело к одному из самых сильных оледенений фанерозоя, экстремальному похолоданию, которое, как принято считать, совпало с первым импульсом массового вымирания позднего ордовика^[26]. Сдвиг δ¹⁸O происходит в начале Хирнантиана; Величина этого сдвига (+2-4 ‰) была необычайной^[27]. Его направление подразумевает ледниковое похолодание и, возможно, увеличение объёма льда. Наблюдаемые сдвиги в изотопном индикаторе δ¹⁸O потребовали бы падения уровня моря на 100 метров и снижения температуры тропического океана на 10 °C во время этого ледникового эпизода^[28]. Седитологические данные показывают, что позднеордовикские ледниковые щиты покрывали ледником бассейн Аль-Куфра. Ледяные щиты также, вероятно, сформировали непрерывный ледяной покров над Северной Африкой и Аравийским полуостровом. Во всех районах Северной Африки, где залегают раннесилурийские сланцы, позднеордовикские гляциогенные отложения залегают под ними, вероятно, из-за аноксии, происходящей в этих бассейнах^[29].

В конце гирнантианского периода произошло резкое отступление ледников, совпавшее со вторым импульсом массового вымирания позднего ордовика^[30],после чего Земля вернулась в гораздо более тёплый климат во время рудданского периода.^[31]Потепление в позднем периоде Гирнанта было отмечено таким же стремительным сдвигом в δ¹⁸O в сторону более отрицательных значений^[32]. δ¹³значений С также резко падают в начале силурийского периода.

Вслед за относительно тёплым рудданским периодом, ледниковые события произошли в течение раннего и позднего аэронского периодов^[33]. Дальнейшее оледенение произошло от позднего телихского до среднего шейнвудского периода^[34][35]. С раннего до позднего гомерианского периода Земля находилась в ещё одной ледниковой фазе^[36]. Последнее крупное оледенение произошло во время Ладфордского периода и было связано с событием Лау^[37].

В этот период оледенение известно из Аравии, Сахары, Западной Африки, южной Амазонки и Анд, а центр оледенения, как известно, мигрировал из Сахары в ордовикском периоде (450—440 млн лет) в Южную Америку в силурийском периоде (440—420 млн лет). Согласно Эйлсу и Янгу, «крупный ледниковый эпизод около 440 млн лет назад зафиксирован в позднеордовикских слоях (преимущественно ашгиллинских) в Западной Африке (формация Тамаджерт в Сахаре), в Марокко (бассейн Тиндуф) и в западно-центральной части Саудовской Аравии, во всех областях полярных широт того времени. С позднего ордовикского периода до раннего силура центр оледенения переместился из Северной Африки на юго-запад Южной Америки»^[38]. Континентальные ледники развивались в Африке и восточной Бразилии, в то время как альпийские ледники формировались в Андах^[39]. В западной части Южной Америки (Перу, Боливия и северная Аргентина) были обнаружены гляцио-морские диамиктиты, переслаивающиеся с турбидитами, сланцами, грязевыми потоками и селевыми потоками, датируемые ранним силурийским периодом (Лландонвери), с расширением на юг в северную Аргентину и западный Парагвай и, вероятно, с северным расширением в Перу, Эквадор и Колумбию.

Крупнейшему ледниковому периоду, Андско-Сахарскому, предшествовали Криогенные ледниковые периоды (720—630 млн лет, Стертское и Маринойское оледенения), часто называемые Земля-снежок, а затем Ледниковый период Кару (350—260 млн лет)^[40].

• Последовательность стратиграфической архитектуры Доломита Бигхорн (который представляет собой конец ордовикского периода) согласуется с постепенным накоплением ледникового покрова. Последовательности доломитов Бигхорна демонстрируют систематические изменения в составляющих их циклах, и изменения в этих циклах интерпретируются как переход от жаркого климата к холодному.

Одним из факторов, препятствовавших оледенению в начале палеозоя, были концентрации CO₂ в атмосфере, которые в то время были где-то между 8 и 20 доиндустриальными уровнями^[41]. Тем не менее, солнечное излучение было значительно ниже в позднем ордовике; 450 миллионов лет назад солнечное излучение Земли составляло около 1312,00 Вт ^м-2 по сравнению с 1360,89 Вт ^м-2 в наши дни^[42]. Кроме того, считается, что концентрация CO₂ значительно снизилась в ирнантианском периоде, что могло вызвать широкомасштабное оледенение во время общей тенденции к похолоданию^[43]. Методы удаления CO₂ в это время не были хорошо известны, и до сих пор горячо обсуждаются, поскольку было предложено излучение наземных растений^[44], улучшенное захоронение океанического органического углерода^[45][46], и сокращение вулканической дегазации углекислого газа^[47]. Оледенение могло начаться при высоком уровне CO₂ , но это сильно зависело от конфигурации континента.

Долгосрочное силикатное выветривание является основным механизмом, с помощью которого CO₂ удаляется из атмосферы, превращая его в бикарбонат, который хранится в морских отложениях. Это часто связывают с Таконикским орогенезом, событием горообразования на восточном побережье Лаврентии (современная Северная Америка)^[48]. Другая гипотеза заключается в том, что гипотетическая крупная магматическая провинция в Катиане привела к базальтовым наводнениям, вызванным высокой континентальной вулканической активностью в этот период. В краткосрочной перспективе это привело бы к выбросу большого количества CO₂ в атмосферу, что может объяснить импульс потепления в Катиане. Однако в долгосрочной перспективе базальтовые залвия оставили бы после себя равнины базальтовых пород, заменив обнажения гранитных пород. Базальтовые породы выветриваются значительно быстрее, чем гранитные породы, которые быстро удаляют CO₂ из атмосферы с гораздо большей скоростью, чем до вулканической активности^[49]. Уровень CO₂ также мог снизиться из-за ускоренного силикатного выветривания, вызванного расширением наземных несосудистых растений. Сосудистые растения появились только через 15 млн лет после оледенения.

Изотопные данные указывают на глобальный положительный сдвиг Гирнанта в δ¹³C почти в то же время, что и положительный сдвиг в морском карбонате δ¹⁸O^[50]. сдвиг известен как изотопная углеродная экскурсия Хирнанта^[51]. Положительный сдвиг в δ¹³C подразумевает изменение углеродного цикла, ведущее к большему захоронению органического углерода^[52], некоторые исследователи придерживаются противоречивой интерпретации этого изменения δ¹³C как вызванное усилением выветривания карбонатных платформ, обнажённых падением уровня моря^[53][54]. Это усиленное захоронение органического углерода привело к снижению уровня CO₂ в атмосфере и обратному парниковому эффекту, что позволило ускорить оледенение.

Гамма-всплеск был предложен некоторыми исследователями в качестве причины резкого оледенения в начале хирнантианского периода^[55]. Эффекты десятисекундного гамма-всплеска, происходящего в пределах двух килопарсек от Земли, дали бы ему флюенс в 100 килоджоулей на квадратный метр. Это привело бы к тому, что большое количество азотной кислоты выпало на поверхность Земли после гамма-всплеска, вызвав цветение фотосинтезаторов с ограниченным содержанием нитратов, которые могли бы изолировать большое количество углекислого газа из атмосферы. Кроме того, гамма-всплеск мог бы инициировать значительное истощение озона, ещё одного мощного парникового газа, в результате его реакции с оксидом азота, образовавшимся в результате диссоциации двухатомного азота в гамма-всплеске и последующей реакции атомов азота с кислородом^[56].

Распад родительского тела L-хондрита вызвал на Землю дождь из внеземного материала, получивший название ордовикского метеорита. Это событие увеличило стратосферную пыль на 3 или 4 порядка и, возможно, вызвало ледниковый период, отражая солнечный свет обратно в космос^[57].

В статье 2023 года высказывается предположение, что оледенение Хирнанта могло произойти из-за ударной зимы, вызванной ударом, который сформировал множественную кольцевую особенность Дениликина на территории современной юго-восточной Австралии, хотя эта гипотеза в настоящее время остаётся непроверенной^[58].

Исследование, проведённое в 2024 году, предполагает, что вместо полного разрушения или прямого столкновения родительское тело L-хондритов, возможно, едва не столкнулось с Землёй, в результате чего часть его отделилась от гравитационного притяжения Земли. Эти обломки, возможно, сформировали планетарное кольцо, а падающие вниз обломки кольца могли затенить Землю от солнечных лучей и вызвать значительное охлаждение. Доказательством этого является тот факт, что кратеры, датируемые ордовикским метеоритным событием, кажутся группирующимися в характерную полосу вокруг Земли, а не случайно разбросанными, которые, возможно, образовались в результате обломков, падающих на Землю из кольца. Это кольцо, возможно, просуществовало почти 40 миллионов лет^[59].

Хотя вулканическая активность часто приводит к потеплению за счет выброса парниковых газов, она также может привести к охлаждению за счет образования аэрозолей, блокирующих свет частиц. Существуют убедительные доказательства повышенной вулканической активности в Хирнантиане, основанные на аномально высоких концентрациях ртути (Hg) во многих районах. Диоксид серы (SO₂) и другие сернистые вулканические газы превращаются в сульфатные аэрозоли в стратосфере, и короткие, периодические крупные извержения магматических провинций могут объяснить охлаждение таким образом^[60]. Хотя нет прямых доказательств существования большой магматической провинции во время Хирнантиана, вулканизм все же может быть основным фактором. Взрывные извержения вулканов, которые регулярно выбрасывают обломки и летучие вещества в стратосферу, были бы ещё более эффективными для производства сульфатных аэрозолей. Пласты пепла распространены в позднем ордовике, а пирит-хирнантий фиксирует аномалии изотопов серы, согласующиеся со стратосферными извержениями^[61]. В частности, огромное мегаизвержение, которое сформировало бентонитовый слой Дейке, было связано с глобальным похолоданием из-за того, что оно совпало с большим положительным сдвигом изотопов кислорода и высокой концентрацией серы, наблюдаемой в его бентонитовом слое^[62].

Одной из возможных причин понижения температуры в этот период является понижение уровня моря. Уровень моря должен понизиться до начала образования обширных ледяных щитов, чтобы это стало возможным триггером. Понижение уровня моря позволяет большему количеству земли стать доступным для роста ледяного щита. Существуют широкие споры о сроках изменения уровня моря, но есть некоторые свидетельства того, что падение уровня моря началось до Ордовикского периода, что сделало его фактором, способствующим оледенению^[41].

Возможная структура палеогеографии в период от 460 до 440 млн лет находится в диапазоне между карадокийским и ашгиллинским периодами. Выбор конфигурации важен, потому что в карадокийском периоде с большей вероятностью образуется ледник при высоких концентрациях CO₂, а в ашгиллианском периоде с большей вероятностью также образуется ледник при низких концентрациях CO₂^[41].

Высота массива суши над уровнем моря также играет важную роль, особенно после того, как образовались ледяные щиты. Более высокая высота позволяет ледяным щитам оставаться более устойчивыми, но более низкая высота позволяет ледяным щитам развиваться быстрее. Считается, что карадокий рак имеет более низкую высоту поверхности, и хотя он был бы лучше для инициации во время высокого уровня CO₂, ему было бы труднее поддерживать ледниковый покров^[63].

Из того, что мы знаем о тектоническом движении, временной промежуток, необходимый для того, чтобы позволить движение Гондваны на юг к Южному полюсу, был бы слишком долгим, чтобы вызвать это оледенение. Тектоническое движение, как правило, занимает несколько миллионов лет, но масштаб оледенения, по-видимому, произошёл менее чем за 1 миллион лет, но точные временные рамки оледенения варьируются от менее чем 1 миллиона лет до 35 миллионов лет, поэтому всё ещё возможно, что тектоническое движение спровоцировало этот ледниковый период^[41]. С другой стороны, истинное полярное блуждание, а не обычное движение плит, могло быть ответственно за начало гирнантовского оледенения. Палеомагнитные данные периода от 450 до 440 млн лет указывают на полярное блуждание около ~50°, происходящую с максимальной скоростью ~55 см в год, что лучше объясняет быстрое движение континентов, чем обычная тектоника плит^[64].

Перенос тепла океаном является основным фактором потепления полюсов, забирая тёплую воду с экватора и распределяя её в более высокие широты. Ослабление этого переноса тепла, возможно, позволило полюсам охладиться достаточно, чтобы образовать лёд в условиях высокого содержания CO₂^[41]. Из-за палеогеографической конфигурации континентов считается, что глобальный перенос тепла океана был сильнее в позднем ордовике^[65]. Тем не менее, исследования показывают, что для того, чтобы произошло оледенение, перенос тепла к полюсам должен был быть ниже, что создаёт расхождение в том, что известно^[41].

Орбитальные параметры могли действовать в сочетании с некоторыми из вышеупомянутых параметров, способствуя началу оледенения. Изменение прецессии Земли и эксцентриситет могли стать переломным моментом для начала оледенения. Считается, что в это время орбита находилась на холодной летней орбите Южного полушария

Этот тип орбитальной конфигурации представляет собой изменение орбитальной прецессии таким образом, что в течение лета, когда полушарие наклонено к Солнцу (в данном случае к Земле), Земля находится дальше всего от Солнца, а эксцентриситет орбиты таков, что орбита Земли становится более вытянутой, что усиливает эффект прецессии.

Сопряжённые модели показали, что для того, чтобы сохранить лёд на полюсе в Южном полушарии, Земля должна находиться в конфигурации холодного лета. Оледенение, скорее всего, началось в холодный летний период, потому что такая конфигурация увеличивает вероятность накопления снега и льда в течение лета

Причина окончания позднеордовикского оледенения является предметом интенсивных исследований, но данные показывают, что дегляциация в терминальном гирнанте, возможно, произошла внезапно, поскольку силурийские пласты отмечают значительные изменения по сравнению с ледниковыми отложениями, оставленными в позднем ордовике. Хотя гирнантское оледенение быстро закончилось, более мягкие оледенения продолжали происходить на протяжении всего последующего силурийского периода, причём последняя ледниковая фаза пришлась на поздний силурийский период^[66].

Одна из возможных причин окончания гирнантийского оледенения заключается в том, что во время ледникового максимума лёд вытянулся слишком далеко и начал разрушаться. Ледяной щит первоначально стабилизировался, когда он достиг севера до Гата в Ливии и развил большую прогляциальную систему веер-дельта. Гляциотектоническая складка и надвиговый пояс начали формироваться в результате повторяющихся мелкомасштабных колебаний льда. Гляциотектоническая складчатость и надвиговый пояс в конечном итоге привели к разрушению ледяного покрова и отступлению льда к югу от Гата. Стабилизировавшись к югу от Гата, ледяной щит снова начал продвигаться на север. Этот цикл с каждым разом медленно сокращался всё южнее, что приводило к дальнейшему отступлению и дальнейшему коллапсу ледниковых условий. Эта рекурсия привела к таянию ледяного щита и повышению уровня моря. Эта гипотеза подтверждается ледниковыми отложениями и крупными наземными образованиями, обнаруженными в Гате, Ливия, которая является частью бассейна Мурзук^[67].

По мере того, как ледяные щиты начали увеличиваться, выветривание силикатных пород и базальта, важного для секвестрации углерода (силикаты через карбонат-силикатный цикл, базальт через образование карбоната кальция) уменьшились, что привело к повторному повышению уровня CO₂, что, в свою очередь, способствовало дегляциации. Это оледенение привело к трансформации силикатов, подвергшихся воздействию воздуха (таким образом, получив возможность связываться со своим CO₂) и выветриванию базальтовой породы, что привело к повторному оледенению.

Ещё до массового вымирания в конце ордовика, которое привело к значительному падению разнообразия и численности хитинозоя, на биоразнообразие хитинозоя отрицательно повлияло начало Андско-Сахарского оледенения. После пика разнообразия в позднем дарривиле, разнообразие хитинозои уменьшалось по мере развития в позднем ордовикском периоде. Исключением из этой тенденции к снижению разнообразия хитинозоя была Лаврентия из-за её положения в низких широтах и более тёплого климата^[68][69].

Позднеордовикское оледенение совпало со вторым по величине из пяти крупных вымираний, известным как массовое вымирание позднего ордовика. Этот период является единственным известным оледенением, которое произошло наряду с массовым вымиранием. Событие затухания состояло из двух дискретных импульсов. Считается, что первый импульс вымирания произошёл из-за быстрого охлаждения и увеличения насыщения кислородом водной толщи. Этот первый импульс был более крупным из двух и вызвал вымирание большинства видов морских животных, существовавших в мелководных и глубоких океанах. Вторая фаза вымирания была связана с сильным повышением уровня моря, и из-за атмосферных условий, а именно уровня кислорода, который был на уровне или ниже 50 % от современного уровня, высокий уровень бескислородных вод был обычным явлением. Эта аноксия убила бы многих выживших после первого импульса затухания. В целом в период вымирания позднего ордовикского периода произошло исчезновение 85 % видов морских животных и 26 % семейств животных^[70].

Дегляциация в конце гомеровского ледникового интервала была ровесницей первой крупной радиации трилётных спорообразующих растений, предвещая начало силурийско-девонской земной революции. Позднее среднелудфордское оледенение вызвало падение уровня моря, что привело к появлению обширных областей новых наземных мест обитания, которые были быстро колонизированы наземными растениями, что ещё больше способствовало их диверсификации^[71]. Потепление во время Придолини, ознаменовавшее окончание оледенения в Андах и Сахаре, привело к дальнейшему расширению флоры^[72].