Вариации соотношения Mg/Ca в морской воде фанерозоя, обусловленные циклами суперконтинентов

Океаны, меняющиеся вместе с движущимися континентами

Океаны Земли могут казаться неизменными, но их химический состав кардинально менялся за последние 540 миллионов лет. В этом исследовании поставлен на первый взгляд простой, но имеющий большие последствия для климата и морской жизни вопрос: почему соотношение магния и кальция в морской воде колебалось во времени? Ответ связывает глубинный двигатель — плиточную тектонику, возрастание и распад древних суперконтинентов — и минералы, формирующие породы дна и морские осадки.

Почему важны магний и кальций

Магний и кальций — два из наиболее распространённых положительно заряженных элементов в морской воде. Их соотношение определяет, какие карбонатные минералы — арагонит или кальцит — преобладают в раковинах, рифах и химических осадках, а также коррелирует с переходами между холодными «ледниковыми» и тёплыми «парниковыми» климатами. Геологические подсказки, такие как крошечные захваченные капли морской воды в древних соляных кристаллах и химия ископаемых карбонатов, показывают, что отношение магния к кальцию в океане колебалось от менее 1 в некоторые исторические интервалы до примерно 5 в настоящее время. Эти колебания меняли, какие минералы доминируют на дне океанов и в скелетах морских организмов, и совпадали с крупными климатическими переходами.

Чтение памяти океанов по изотопам

Сложность состоит в том, чтобы выяснить, какие процессы привели к этим долгосрочным изменениям. Реки доставляют магний и кальций в океан, тогда как реакции в коре и морских осадках удаляют магний и часто добавляют кальций. Двумя ключевыми поглотителями являются силикатные минералы, содержащие магний, которые формируются в изменённой океанической коре и глины, и карбонатный минерал доломит, образующийся в морских осадках. Авторы воспользовались тонкой подсказкой: силикатные минералы и доломит сдвигают изотопный состав магния в противоположных направлениях. Комбинируя записи о суммарной концентрации магния в морской воде с трендами изотопов магния, они построили инверсную модель, которая работает в обратном направлении по времени, оценивая силу каждого поглотителя на разных этапах истории Земли.

Отслеживание потоков в глубокой истории

Используя миллионы моделирований методом Монте-Карло, модель искала сочетания речного ввода, формирования силикатов и доломитизации, которые воспроизводят наблюдаемые элементные и изотопные истории. Результаты показывают, что речной ввод менялся лишь умеренно в пределах правдоподобных значений и не является главным фактором. Вместо этого основной вклад внесли значительные колебания в силу удаления магния в силикатные минералы и доломит. Периоды, когда концентрация магния в морской воде росла и отношение Mg/Ca увеличивалось, соответствуют интервалам, когда и изменение океанической коры силикатами, и образование доломита были ослаблены. Когда эти поглотители усиливались, магний более эффективно извлекался из морской воды, отношение падало, и океаны смещались в сторону условий, благоприятных для кальцита.

Суперконтиненты как главный переключатель

Оказалось, что изменяющаяся сила этих минеральных поглотителей тесно связана с циклом суперконтинентов — медленной сборкой, устойчивостью и распадом гигантских массивов суши, таких как Пангея. В периоды сборки и крупных столкновений континентов скорость расхождения океанической коры замедляется, а климат, как правило, охлаждается, что снижает гидротермальное изменение океанского дна и уменьшает условия, благоприятные для образования доломита. В результате магний накапливается в океанах, и отношение Mg/Ca растёт. При раннем распаде суперконтинента более быстрое рассхождение дна и тёплый, высокий уровень моря усиливают и изменение коры, и доломитизацию, увеличивая удаление магния и понижая отношение. В продолжительные периоды тектонического застоя и широкого рассеяния континентов вводы и выводы почти уравновешиваются, поддерживая относительно низкие и стабильные значения Mg/Ca.

Что это значит для древних океанов Земли

Проще говоря, эта работа утверждает, что медленный танец континентов действует как главный регулятор химии морской воды. Меняя скорость создания новой океанической коры и частоту появления тёплых мелководных морей и ограниченных бассейнов, цикл суперконтинентов управляет тем, сколько магния фиксируется в породах дна и доломите. Это, в свою очередь, определяет, какие карбонатные минералы процветают, как развиваются испарительные отложения и как океанская химия связывается с долгосрочным климатом. Исследование предлагает количественную рамку, связывающую глубинные процессы Земли с химией поверхностного океана, показывая, что современные богатые магнием моря — лишь одна фаза повторяющегося тектонического ритма.

Цитирование: Zhang, P., Kendrick, M.A., Han, Y. et al. Phanerozoic seawater Mg/Ca variations driven by supercontinent cycles. Nat Commun 17, 2656 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70649-z

Ключевые слова: химия морской воды, цикл суперконтинентов, соотношение магния и кальция, плиточная тектоника, образование доломита