DISKUSE
Náš věkový model poskytuje kvantitativní omezení, která musí splňovat každý geologický nebo geodynamický model vulkanismu CRBG. Konkrétně musí být tento mechanismus v souladu s (i) dobou trvání erupce ~750 ka od 16,65 do 15,90 mil. let; (ii) průměrnou rychlostí výtoku 0,334 ± 0.042 km3/rok s pulzy >>1 km3/rok; (iii) současnými erupcemi na Steens Mountain a v 300 km vzdálených vývěrech čediče Imnaha; a (iv) průměrnou lineární geografickou rychlostí šíření erupce 0,37 ± 0,08 m/rok směrem na sever, vzhledem ke vzdálenostem mezi vývěry zásobujícími Imnahu erupcemi Wanapum. Tato kritéria sama o sobě mohou být v současné době nedostatečná pro otisk plášťové plumy nebo původu CRBG souvisejícího se subdukcí, přičemž obě tyto možnosti umožňují vznik erupcí v tomto časovém rámci (13, 34). Geografická rychlost šíření 0,37 ± 0,08 m/rok pro vulkanismus CRB je rovněž slučitelná s oběma modely: Malá hlava plumu se podle modelu šíří rychlostí 0,2 až 0,3 m/rok (35), zatímco navrhovaná desková trhlina se podle modelu šíří rychlostí 0,45 m/rok (13). Tato rychlost šíření na sever je asi třikrát vyšší než rychlosti vypočtené pro roje hrází McDermitt a High Rock, které se šíří jižně od Steens Mountain (0,12 a 0,14 m/rok) (36), což ukazuje, že potenciální radiální šíření od Steens Mountain neprobíhalo stejnou radiální rychlostí. K lepšímu pochopení procesu, který umožnil erupci CRBG, je nutné další modelování s našimi novými kvantitativními omezeními.
Určení relativního načasování vulkanismu CRBG a MMCO vyžaduje stejně přesné nezávislé chronologie. Časný a střední miocén je však jedním z nejproblematičtějších období neogénu pro stanovení přesných nezávislých chronologií v mořských sedimentech kvůli obtížím při získávání neporušených stratigrafických řezů, které poskytují spolehlivou magnetostratigrafii, biostratigrafii, astronomické ladění a radiometrické stáří (20). Všechny časové stupnice navržené pro střední miocén jsou přímo či nepřímo závislé na korelaci s GPTS, pro kterou v současnosti existuje několik návrhů, z nichž nejnovější je Geologická časová stupnice (GTS) 2012 (20). GTS 2012 byla odvozena z profilů anomálií mořského dna antarktické a australské desky a za předpokladu relativně konstantní rychlosti šíření vyladěna tak, aby dávala stáří 23,03 Ma pro hranici oligocén-miocén (20). GTS 2012 odmítla astronomicky laděný záznam δ18O a magnetostratigrafie středního miocénu z lokality 1090 ODP (Ocean Drilling Program) v subantarktickém jižním Atlantiku, jejíž záznam sahá od hranice oligocénu a miocénu do ~15,9 Ma, protože laděný záznam dává stáří pro hranici chronů, které nesplňuje předpoklad konstantní rychlosti šíření mořského dna v Pacifiku (20). Nejnovější model stáří CRBG (4) se pokouší sladit geochronologii 40Ar/39Ar s GTS 2012. Výsledný model stáří však není konzistentní se stávajícími GPTS a potřebuje upřesnit (obr. 4).
U-Pb geochronologie navrhuje časovou osu erupce pro každou formaci (z obr. 3) a také revidovanou GPTS konzistentní s magnetostratigrafií CRBG . Ty jsou porovnány s erupční chronologií odvozenou z 40Ar/39Ar geochronologie (4) a různých kalibrací GPTS (20, 37, 46). Vzhledem k magnetické polaritě různých stratigrafických členů omezuje geochronologie U-Pb stáří čtyř různých hranic chronů (přímky), označených šipkami a stářím s vnitřní a rozpadovou konstantou nejistoty. Odhadované hranice chronů jsou znázorněny klikatými čarami a nejsou zatím omezeny geochronologií. Světlejší odstíny barev ve stratigrafickém sloupci představují intervaly s obrácenou polaritou v magnetostratigrafii CRBG, které jsou rovněž znázorněny přilehlou reverzní stratigrafií napravo od každého modelu stáří CRBG. Hvězdičky označují nejmladší zirkonové stáří získané pro každý vzorek ve studii a písmena označují jednotlivé formace (S, Steensův bazalt; I, Imnaha bazalt; GR, Grande Ronde bazalt; W, Wanapum bazalt). Modrý diamant představuje stáří Steensova zvratu získané od Mahooda a Bensona (21), přepočtené pomocí stáří sanidinu z Fish Canyonu od Kuipera et al. (22) na 16,603 ± 0,028/0,36 Ma, což je v souladu s našimi výsledky.
Náš nový model stáří CRBG umožňuje robustnější korelaci magnetostratigrafie CRBG se stávajícími návrhy pro GPTS (obr. 4). Toto cvičení však také ukazuje, že některé předchozí návrhy pro GPTS, včetně GTS 2012, jsou chybné. Například nejnovější model stáří CRBG má za to, že čedič Imnaha, který je zcela normálně polarizovaný, vyvřel během několika magnetických reverzí, a proto není přípustný. Stejně tak stávající věkový model řadí čedič Grande Ronde, který zaznamenává dva reverzní a dva normální intervaly, do jediného normálního chronu. Pro srovnání, v námi navržené korelaci znázorněné na obr. 4 vyvřel čedič Imnaha zcela během chronu C5Cn.3n, zatímco čedič Grand Ronde vyvřel během C5Cn.2r-C5Cn.1n, což je v souladu s pozorovanou magnetostratigrafií v čedičích.
Pomocí této základní korelace s GPTS můžeme zpřesnit čtyři navržená reverzní stáří (obr. 4). Naše stáří v Horním a Dolním Steensu uzavírá „Steensův reversál“ (mezi magnetozónami R0 a N0 a chrony C5Cr a C5Cn.3n), který lze konzervativně omezit na 16,637 ± 0,079/0,089 mil. let (95% intervaly spolehlivosti uvedené pro vnitřní nejistotu/nejistotu rozpadové konstanty). Tento odhad je příznivě srovnatelný s odhadem 16,603 ± 0,028/0,36 Ma získaným díky nedávné 40Ar/39Ar geochronologii sanidinu (21). Naše vzorky z báze a svrchní části členu Wapshilla Ridge omezují časový průběh a poskytují minimální dobu trvání C5Cn.1r, aby nezačínal později než 16,288 ± 0,039/0,046 Ma a nekončil dříve než 16,210 ± 0,043/0,047 Ma, protože člen Wapshilla Ridge tvoří většinu objemu druhé obrácené magnetostratigrafické jednotky čediče Grande Ronde (R2) (31). Konec C5Cn.1n (N2) je dobře omezen naším stářím 15,895 ± 0,019/0,026 Ma pro svrchní část přechodně zmagnetovaného členu Roza, který bezprostředně překrývá normálně zmagnetovaný člen Frenchman Springs, zejména s ohledem na předchozí odhady, že člen Roza vyvřel již za 14 let (29). Naše výchozí data neidentifikují žádné významné přestávky ve vyvřelinách – mezi žádnými dvěma našimi vzorky neuplynulo více než ~200 ka, během nichž, jak známo, probíhal vulkanismus, ačkoli data zirkonů z těchto intervalů neuvádíme (obr. S3). Vysoce přesná geochronologie proto může být použita k ohraničení stáří magneticky charakterizovaných proudů CRB a k dalšímu zpřesnění záznamu zvratů magnetického pole ve středním miocénu. Námi navržený GPTS je také v souladu s astronomicky odvozeným modelem stáří pro stratigrafii magnetických zvratů na lokalitě IODP (Integrated Ocean Drilling Program) U1335 v rovníkovém Pacifiku (obr. 4) (37), což naznačuje nezávislé ověření námi navrženého modelu stáří GPTS.
Vzhledem k výše popsaným nesrovnalostem pro GPTS vyžaduje prokázání souvislosti mezi erupcí CRBG a MMCO pečlivé posouzení modelů stáří použitých k vytvoření proxy záznamů v celém MMCO. Například proxy záznam δ11B pro pco2 na lokalitě ODP 761 ukazuje, že atmosférický CO2 se zvyšuje v 16,5 mil. let (8), což dobře souhlasí pro námi navrhované načasování začátku vulkanismu čediče Grande Ronde. Model stáří pro lokalitu 761 (38) však závisí na biostratigrafických (39) nebo izotopických událostech (40) vázaných na kalibrace GPTS (41), které jsme ukázali jako nepřesné. Nedávná práce popisující záznamy δ13C a δ18O z lokality IODP U1337 identifikuje nástup MMCO na 16,9 mil. let (42), což předchází našemu časování všech erupcí CRBG. Tato lokalita má model stáří odvozený z astronomického řešení (43) bez radiometrické kontroly stáří nebo magnetostratigrafie, což přidává subjektivitu ke zvoleným izotopickým vazebným bodům použitým ke kalibraci ladění (44) a ztěžuje korelaci s naším erupčním záznamem.
Jednou z cest je použití proxy záznamů z lokalit, které obsahují spolehlivou magnetostratigrafii (37, 45). Hodnoty bentického δ18O – proxy pro teplotu hlubokého oceánu – z lokalit 1090 (46) a U1335 (37) (obr. 5) ukazují, že pokles hodnot δ18O začal během období, které je interpretováno jako C5Cr, a dosáhl nadiru (MMCO) během C5Cn.3n-C5Cn.1r. Ačkoli je v současné době obtížné potvrdit identifikaci C5Cr z lokality 1090 vzhledem k možnému výskytu hiátů v záznamu, je potvrzena astronomickým modelem U1335 a je interpretována jako stejný chron, ve kterém začaly erupce CRB s dolnostěnským bazaltem. Ačkoli absolutní načasování nástupu MMCO nelze našimi daty potvrdit, astronomicky laděný záznam z U1335 ve srovnání s naší geochronologií ukazuje, že pokles δ18O předcházel erupci lávových proudů Steensova bazaltu o 100 až 200 ka. Vulkanismus CRBG mohl hrát roli při vyvolávání globálního oteplování prostřednictvím kryptického odplyňování CO2 při migraci magmatu přes dikové roje před povrchovými erupcemi (7). Alternativně může zjevný nesoulad mezi nástupem CRBG a MMCO naznačovat, že tyto dvě události spolu nesouvisejí. Bez ohledu na to se minimum δ18O zdá být současné s erupcí čediče Grande Ronde, což naznačuje, že souvislost může existovat. Než bude možné určit, zda CRBG způsobila MMCO, je třeba provést další práce, které zpřesní modely stáří klimatických proxy záznamů napříč MMCO a prozkoumají rychlost erupcí CRBG. Zatímco naše práce omezuje stáří vrcholu chronu C5Cr, zatím neexistují absolutní věková omezení ani pro spodní část C5Cr, ani pro počátek MMCO. Vzhledem k tomu, že záznam pro lokalitu U1335 má model astronomického stáří omezený izotopovými korelacemi s lokalitou U1337 (37, 42) a nemá absolutní stáří definující spodní část chronu C5Cr, mohla by být pozorována těsnější korelace CRBG a MMCO, zejména pokud chron začal později, než se v současnosti navrhuje. Tyto nejistoty v načasování tohoto zvratu magnetického pole a počátku MMCO je třeba vyřešit, aby bylo možné lépe posoudit, zda CRBG hrála příčinnou roli v MMCO.
(A) Kompilace proxy záznamů vykazujících MMCO (47), s věkovým omezením, jak je uvedeno v jednotlivých studiích. Ačkoli stáří je náchylné k nejistotám v časové škále středního miocénu, velikost izotopových signálů nikoli. (B) Pro porovnání výsledků zirkonové geochronologie pro erupce CRBG s paleoklimatickými proxy záznamy MMCO je nutné obejít věkové modely vázané na zastaralé kalibrace GPTS. Robustní magnetostratigrafie lokalit 1090 (45, 46) a U1335 (37) umožňuje korelaci těchto izotopových záznamů s naší chronologií erupcí CRBG a zpřesněnou GPTS. Plocha každého barevného obdélníku odpovídá objemu jednotlivých útvarů (1) (S, Steensův čedič; I, čedič Imnaha; GR, čedič Grande Ronde; W, čedič Wanapum), přičemž šířka je omezena stářím zirkonů (šikmá hranice znamená, že počátek vulkanismu Steensova čediče zatím není omezen); polarita čedičových proudů je převzata z Reidela (1) a odkazů v něm. Žluté stínování porovnává globální proxy data v období 17 až 16 mil. let (chybí model stáří založený na absolutní geochronologii) s vulkanickými událostmi probíhajícími 17 až 16 mil. let, zatímco světle modré stínování zvýrazňuje nástup MMCO v obou záznamech s poklesem δ18O.
Přes nejistoty přítomné v modelech stáří středního miocénu globální proxy data (47) naznačují, že MMCO pokračoval po dobu >1 Ma po ukončení většiny vulkanismu CRBG (obr. 5). Časovou prodlevu mezi ukončením vulkanismu a návratem k chladnějším klimatickým podmínkám lze chápat jako důsledek dlouhé doby odezvy negativních zpětných vazeb v rámci globálního cyklu uhlíku, které regulují atmosférický CO2 a teplotu Země na geologických časových škálách. Tyto zpětné vazby zahrnují interakce mezi teplotou, chemickým zvětráváním kontinentálních silikátových minerálů a pohřbíváním CO2 v mořských karbonátových sedimentech (48). Zatímco citlivost zpětné vazby silikátového zvětrávání zůstává nedostatečně pochopena, nedávné odhady doby odezvy se pohybují od ~200 do 500 ka (49) a odpovídají stabilizaci atmosférického CO2 (tj. návratu k výchozím podmínkám) v časovém měřítku ~1 milion let.
Náš model stáří vyvržení CRBG zkracuje dobu trvání vulkanismu z 1,9 mil. let (4) na 750 ka a koreluje počátek vulkanismu CRBG a počátek MMCO v rozmezí ~100 ka. Kratší trvání vulkanismu CRBG znamená vyšší průměrné emise CO2 a vyšší vrcholové koncentrace CO2 během vulkanismu, které je třeba porovnat s mořskými proxy záznamy. Současné proxy záznamy atmosférického CO2 během MMCO jsou však příliš hrubé pro blízké srovnání s erupční historií CRBG, což dále brání možnosti posoudit, zda CRBG způsobila MMCO, či nikoli. Stanovení kvantitativní vazby mezi vulkanismem CRBG a změnami v globálním cyklu uhlíku a atmosférického CO2 navíc brání nejistoty v množství CO2 emitovaného povodňovými bazalty z rozpuštěného uhlíku v plášti vedle „kryptických“ zdrojů, jako jsou organické nebo anorganické sedimenty odpařené při kontaktu s bazaltovými proudy nebo prahy (7). Armstrong McKay et al. (7) za použití hlavní fáze erupce CRBG trvající 900 ka modelují, že 4090 až 5670 Pg emitovaného uhlíku může dát pozorované změny bentického δ13C a atmosférického CO2, ačkoli toto množství zahrnuje podstatnou složku kryptické degazace nad rámec očekávaného uvolňování těkavých látek ze subaerálních čedičových proudů. Budoucí studie by se měly zaměřit na další revizi časové škály středního miocénu a na klimatický proxy záznam s vysokým rozlišením zahrnující 700-ka trvání vulkanismu CRBG, aby se prozkoumalo, do jaké míry souhlasí načasování vulkanismu CRBG se změnami atmosférického CO2. Takové studie povedou k lepšímu pochopení MMCO a obecnějších modelů spojujících vulkanismus se změnami klimatu a mohly by mít zásadní význam pro pochopení toho, proč některé povodňové bazalty zřejmě vedou k masovým vymíráním a jiné ne.