Shurtig udbrud af Columbia River-floden basalt og korrelation med det optimale klima i midten af miocæn

DISCUSSION

Vores aldersmodel giver kvantitative begrænsninger, som enhver geologisk eller geodynamisk model for CRBG-vulkanisme skal opfylde. Især skal mekanismen være i overensstemmelse med (i) en udbrudsvarighed på ~750 ka fra 16,65 til 15,90 Ma; (ii) en gennemsnitlig udbrudshastighed på 0,334 ± 0,334 ± 0,3 %.042 km3/år, med pulser på >>1 km3/år; (iii) samtidige udbrud ved Steens Mountain og i Imnaha basaltudløbene 300 km væk; og (iv) en gennemsnitlig lineær geografisk udbredelseshastighed af udbruddet på 0,37 ± 0,08 m/år mod nord, i betragtning af afstandene mellem de udløb, der forårsager Imnaha gennem Wanapum-udbruddene. Disse kriterier alene kan på nuværende tidspunkt være utilstrækkelige til at give fingeraftryk på en kappeplume eller en subduktionsrelateret oprindelse af CRBG, som begge gør det muligt for udbrud at forekomme i denne tidsramme (13, 34). Den geografiske udbredelseshastighed på 0,37 ± 0,08 m/år for CRB-vulkanisme er også forenelig med begge modeller: En lille plumekop er blevet modelleret til at sprede sig med 0,2 til 0,3 m/år (35), mens den foreslåede pladetåre er blevet modelleret til at sprede sig med 0,45 m/år (13). Denne nordgående udbredelseshastighed er ca. tre gange hurtigere end den hastighed, der er beregnet for McDermitt- og High Rock-digetsværmene, der breder sig syd for Steens Mountain (henholdsvis 0,12 og 0,14 m/år) (36), hvilket viser, at den potentielle radiale udbredelse fra Steens Mountain ikke fandt sted med samme hastighed radialt set. Yderligere modellering med vores nye kvantitative begrænsninger er nødvendig for bedre at forstå den proces, der muliggjorde CRBG-udbruddet.

Der kræves uafhængige kronologier, der er lige præcise, for at bestemme den relative timing af CRBG-vulkanismen og MMCO. Imidlertid er det tidlige og midterste miocæn en af de mest problematiske perioder i det neogene for etablering af præcise uafhængige kronologier i marine sedimenter på grund af vanskelighederne med at opnå uforstyrrede stratigrafiske sektioner, der giver pålidelig magnetostratigrafi, biostratigrafi, astronomisk tuning og radiometriske aldre (20). Alle de tidsskalaer, der er foreslået for midten af miocæn, afhænger direkte eller indirekte af korrelation med GPTS, som der i øjeblikket er flere forslag til, hvoraf det seneste er Geologic Time Scale (GTS) 2012 (20). GTS 2012 blev udledt af havbundens anomaliprofiler for de antarktiske og australske plader og under antagelse af en relativt konstant spredningshastighed afstemt til at give en 23,03-Ma alder for grænsen mellem Oligocæn og Miocæn (20). GTS 2012 afviste en astronomisk afstemt registrering af δ18O og magnetostratigrafi fra midten af miocæn fra ODP (Ocean Drilling Program)-sted 1090 i det subantarktiske sydlige Atlanterhav, hvis registrering strækker sig fra grænsen mellem Oligocæn og Miocæn til ~15,9 Ma, fordi den afstemt registrering giver aldre for krongrænser, der ikke opfylder antagelsen om konstante spredningshastigheder på havbunden i Stillehavet (20). Den seneste aldersmodel for CRBG (4) forsøger at forene 40Ar/39Ar-geokronologien med GTS 2012. Den resulterende aldersmodel er imidlertid inkonsekvent med den eksisterende GPTS og har behov for at blive forfinet (Fig. 4).

Vores nye aldersmodel for CRBG tillader en mere robust korrelation af CRBG magnetostratigrafi med eksisterende forslag for GPTS (Fig. 4). Denne øvelse viser imidlertid også, at nogle tidligere forslag til GPTS, herunder GTS 2012, er fejlbehæftede. For eksempel har den seneste aldersmodel for CRBG Imnaha Basalt, som er helt normalt polariseret, udbruddet gennem flere magnetiske omvendinger og er derfor ikke tilladt. På samme måde placerer den eksisterende aldersmodel Grande Ronde Basalt, som registrerer to omvendte og to normale intervaller, inden for en enkelt normal chron. Til sammenligning, i vores foreslåede korrelation illustreret i Fig. 4, udbrød Imnaha Basalt helt i løbet af chron C5Cn.3n, mens Grand Ronde Basalt udbrød i løbet af C5Cn.2r-C5Cn.1n, hvilket er i overensstemmelse med den observerede magnetostratigrafi i basalterne.

Ved hjælp af denne baselinekorrelation med GPTS kan vi forfine fire foreslåede omvendingsaldre (Fig. 4). Vores aldre i den øvre og nedre Steens sætter “Steens-omvendingen” i parentes (mellem magnetozoner R0 og N0 og krone C5Cr og C5Cn.3n), som konservativt kan begrænses til 16,637 ± 0,079/0,089 Ma (95% konfidensintervaller angivet for intern usikkerhed/nedbrydningskonstantusikkerhed). Dette estimat kan godt sammenlignes med estimatet på 16,603 ± 0,028/0,36 Ma, der er opnået gennem nyere 40Ar/39Ar sanidin-geokronologi (21). Vores prøver fra basen og toppen af Wapshilla Ridge Member begrænser timingen og giver en minimumsvarighed for C5Cn.1r, som ikke begynder senere end 16.288 ± 0.039/0.046 Ma og ikke slutter tidligere end 16.210 ± 0.043/0.047 Ma, fordi Wapshilla Ridge Member omfatter størstedelen af volumenet af den anden omvendte magnetostratigrafiske enhed i Grande Ronde Basalt (R2) (31). Slutningen af C5Cn.1n (N2) er godt begrænset af vores alder på 15,895 ± 0,019/0,026 Ma for toppen af det overgangs-magnetiserede Roza-medlem, som umiddelbart overlejrer det normalt magnetiserede Frenchman Springs-medlem, især i betragtning af tidligere skøn, at Roza-leddet er brudt ud på så lidt som 14 år (29). Vores indledende data identificerer ikke nogen væsentlige hiatuses i udbruddene – der går ikke mere end ~200 ka mellem to af vores prøver, hvor vulkanisme vides at være i gang, selv om vi ikke præsenterer zirkondata fra disse intervaller (fig. S3). Derfor kan geokronologi med høj præcision bruges til at binde alderen af magnetisk karakteriserede CRB-strømme og til yderligere at forfine optegnelsen af magnetiske feltomvendinger i midten af Miocæn. Vores foreslåede GPTS er også i overensstemmelse med den astronomisk afledte aldersmodel for den magnetiske omvendelsesstratigrafi på IODP (Integrated Ocean Drilling Program)-sted U1335 i det ækvatoriale Stillehav (fig. 4) (37), hvilket indikerer en uafhængig verifikation af vores foreslåede aldersmodel for GPTS.

I betragtning af de inkonsekvenser, der er beskrevet ovenfor for GPTS, kræver påvisning af en forbindelse mellem CRBG’s udbrud og MMCO en omhyggelig vurdering af de aldersmodeller, der er anvendt til at udvikle proxyoptegnelser på tværs af MMCO. For eksempel viser δ11B-proxyoptegnelsen for pco2 på ODP-sted 761, at atmosfærisk CO2 stiger ved 16,5 Ma (8), hvilket stemmer godt overens med vores foreslåede tidspunkt for begyndelsen af den voluminøse Grande Ronde Basalt-vulkanisme. Men aldersmodellen for lokalitet 761 (38) afhænger af biostratigrafiske (39) eller isotopiske hændelser (40), der er knyttet til kalibreringer af GPTS (41), som vi har vist er unøjagtige. Nyere arbejde, der beskriver δ13C- og δ18O-registreringer fra IODP-stedet U1337, identificerer MMCO’s begyndelse ved 16,9 Ma (42), hvilket går forud for vores tidsangivelse for alle CRBG-udbrud. Dette sted har en aldersmodel, der er afledt af en astronomisk løsning (43) uden radiometrisk alderskontrol eller en magnetostratigrafi, hvilket tilføjer subjektivitet til de valgte isotopiske bindingspunkter, der bruges til at kalibrere afstemningen (44), og gør korrelation med vores eruptive optegnelser vanskelig.

En vej frem er at bruge proxyoptegnelser fra steder, der indeholder pålidelig magnetostratigrafi (37, 45). Bentiske δ18O-værdier – en proxy for temperaturen i dybhavshavet – fra lokaliteterne 1090 (46) og U1335 (37) (Fig. 5) viser, at faldet i δ18O-værdierne begyndte i løbet af det, der fortolkes som C5Cr, og nåede et lavpunkt (MMCO) i løbet af C5Cn.3n-C5Cn.1r. Selv om det i øjeblikket er vanskeligt at validere identifikationen af C5Cr fra lokalitet 1090 på grund af muligheden for hiatuses i optegnelserne, bekræftes den af den astronomiske model af U1335 og fortolkes som værende den samme kronik, hvor CRB-udbruddene begyndte med Lower Steens Basalt. Selv om den absolutte timing for MMCO’s begyndelse ikke kan bekræftes af vores data, viser den astronomisk afstemte optegnelse fra U1335 sammenlignet med vores geokronologi, at faldet i δ18O gik 100 til 200 ka forud for udbruddet af Steens Basalt-lavastrømmene. CRBG-vulkanisme kan have spillet en rolle i forbindelse med at fremkalde global opvarmning gennem kryptisk afgasning af CO2, da magma vandrede gennem dige-sværme før overfladeudbrud (7). Alternativt kan den tilsyneladende uoverensstemmelse mellem CRBG’s og MMCO’s indtræden tyde på, at de to begivenheder ikke er relateret til hinanden. Uanset hvad synes δ18O-minimummet at være samtidig med udbruddet af Grande Ronde-basalten, hvilket tyder på, at der kan være en forbindelse. Der er behov for yderligere arbejde, der forfiner aldersmodeller for klimaproxyoptegnelser på tværs af MMCO og undersøger CRBG’s udbrudshastigheder, før det kan afgøres, om CRBG forårsagede MMCO. Mens vores arbejde begrænser alderen af toppen af kron C5Cr, er der endnu ikke absolutte aldersbegrænsninger hverken for bunden af C5Cr eller for MMCO’s begyndelse. Da optegnelsen for U1335 har en astronomisk aldersmodel begrænset af isotopiske korrelationer med lokalitet U1337 (37, 42) og ikke har en absolut alder, der definerer bunden af kron C5Cr, kunne man observere en tættere korrelation mellem CRBG og MMCO, især hvis kronen begyndte senere i tiden, end det i øjeblikket er foreslået. Disse usikkerheder i timingen af denne magnetiske feltomvending og begyndelsen af MMCO skal løses for bedre at kunne vurdere, om CRBG spillede en årsagsskabende rolle i MMCO.

Trods de usikkerheder, der er til stede i aldersmodellerne for midten af miocæn, viser globale proxydata (47), at MMCO fortsatte i >1 Ma efter ophøret af størstedelen af CRBG-vulkanismen (Fig. 5). Tidsforsinkelsen mellem vulkanismens ophør og en tilbagevenden til køligere klimatiske forhold kan forstås som en konsekvens af den lange responstid for negative feedbacks inden for det globale kulstofkredsløb, der regulerer atmosfærisk CO2 og Jordens temperatur på geologiske tidsskalaer. Disse feedbacks omfatter interaktioner mellem temperatur, den kemiske forvitring af kontinentale silikatmineraler og begravelsen af CO2 i marine karbonatsedimenter (48). Mens følsomheden af silikat forvitringens feedback stadig er dårligt forstået, varierer de seneste estimater for responstider fra ~200 til 500 ka (49) og er i overensstemmelse med stabilisering af atmosfærisk CO2 (dvs. tilbagevenden til grundforholdene) på en tidsskala på ~1 million år.

Vores aldersmodel for CRBG placering forkorter vulkanismens varighed fra 1,9 Ma (4) til 750 ka og korrelerer begyndelsen af CRBG vulkanisme og begyndelsen af MMCO til inden for ~100 ka. En kortere varighed af CRBG-vulkanismen indebærer højere gennemsnitlige CO2-emissioner og højere maksimale CO2-koncentrationer under vulkanismen, hvilket skal sammenlignes med marine proxyoptegnelser. De nuværende proxyoptegnelser for atmosfærisk CO2 under MMCO er imidlertid for grove til en tæt sammenligning med CRBG’s eruptive historie, hvilket yderligere hæmmer muligheden for at vurdere, om CRBG forårsagede MMCO eller ej. Desuden vanskeliggøres etableringen af en kvantitativ forbindelse mellem CRBG-vulkanisme og ændringer i det globale kulstofkredsløb og atmosfærisk CO2 af usikkerheder i mængden af CO2, der udledes af oversvømmelsesbasalter fra opløst kappekulstof ud over “kryptiske” kilder, såsom organiske eller uorganiske sedimenter, der er fordampet ved kontakt med basaltiske strømme eller sills (7). Armstrong McKay et al. (7), der anvender en CRBG-eruptionsvarighed i hovedfasen på 900 ka, modellerer, at 4090 til 5670 Pg udledt kulstof kan give de observerede ændringer i bentisk δ13C og atmosfærisk CO2, selv om denne mængde omfatter en betydelig komponent af kryptisk afgasning ud over den forventede flygtige frigivelse fra subaeriale basaltstrømme. Fremtidige undersøgelser bør fokusere på en yderligere revision af tidsskalaen fra midten af miocæn og en højopløst klimaproxyoptegnelse, der dækker CRBG-vulkanismens 700-ka varighed, for at undersøge, i hvilket omfang CRBG-vulkanismens timing stemmer overens med ændringer i atmosfærisk CO2. Sådanne undersøgelser vil føre til en bedre forståelse af MMCO og mere generelle modeller, der forbinder vulkanisme med klimaændringer, og kunne være afgørende for at forstå, hvorfor nogle oversvømmelsesbasalter tilsyneladende resulterer i masseudryddelser, mens andre ikke gør det.