Kolumbiajoen tulvabasaltin nopea purkautuminen ja korrelaatio mioseenin puolivälin ilmasto-optimin kanssa

KESKUSTELU

Ikämallimme tarjoaa kvantitatiivisia rajoitteita, jotka minkä tahansa geologisen tai geodynaamisen mallin on täytettävä CRBG:n vulkanismille. Erityisesti mekanismin on oltava sopusoinnussa seuraavien tekijöiden kanssa: (i) purkauksen kesto ~750 ka 16,65-15,90 Ma välillä; (ii) keskimääräinen effuusionopeus 0,334 ± 0.042 km3/vuosi, ja pulssit ovat >>1 km3/vuosi; (iii) samanaikaiset purkaukset Steens-vuorella ja 300 km:n päässä sijaitsevissa Imnaha-basalttipurkauksissa; ja (iv) purkauksen keskimääräinen lineaarinen maantieteellinen etenemisnopeus 0,37 ± 0,08 m/vuosi pohjoiseen, kun otetaan huomioon Imnahan lähteenä toimivien purkausten Imnaha Wanapumin purkausten kautta muodostuvien purkausten väliset etäisyydet. Nämä kriteerit eivät ehkä yksinään riitä tällä hetkellä osoittamaan, että CRBG on peräisin vaippapilvestä tai subduktioon liittyvästä alkuperästä, sillä molemmissa tapauksissa purkauksia voi tapahtua tällä ajanjaksolla (13, 34). CRB-vulkanismin maantieteellinen etenemisnopeus 0,37 ± 0,08 m/vuosi on myös yhteensopiva kummankin mallin kanssa: Pienen plumenin pään on mallinnettu leviävän 0,2-0,3 m/vuosi (35), kun taas ehdotetun laatan repeämän on mallinnettu etenevän 0,45 m/vuosi (13). Tämä pohjoiseen suuntautuva leviämisnopeus on noin kolme kertaa nopeampi kuin Steens-vuoren eteläpuolella eteneville McDermittin ja High Rockin dike-parville lasketut nopeudet (0,12 ja 0,14 m/vuosi) (36), mikä osoittaa, että mahdollinen säteittäinen eteneminen Steens-vuorelta ei tapahdu samalla nopeudella säteittäisesti. Tarvitaan lisämallinnusta uusilla kvantitatiivisilla rajoituksillamme, jotta ymmärrettäisiin paremmin prosessia, joka mahdollisti CRBG:n purkautumisen.

CRBG:n vulkanismin ja MMCO:n suhteellisen ajoituksen määrittäminen vaatii riippumattomia kronologioita, jotka ovat yhtä tarkkoja. Varhais- ja keskimiocene on kuitenkin yksi neogeenin ongelmallisimmista ajanjaksoista tarkkojen riippumattomien kronologioiden laatimisessa merisedimenteistä, koska on vaikea saada häiriintymättömiä stratigrafisia jaksoja, joista saadaan luotettavaa magnetostratigrafiaa, biostratigrafiaa, tähtitieteellistä viritystä ja radiometrisiä aikoja (20). Kaikki mioseenin puolivälille ehdotetut aikaskaalat riippuvat suoraan tai epäsuorasti korrelaatiosta GPTS:n kanssa, josta on tällä hetkellä useita ehdotuksia, joista viimeisin on Geologic Time Scale (GTS) 2012 (20). GTS 2012 on johdettu Etelämantereen ja Australian mannerlaattojen merenpohjan anomaliaprofiileista ja oletettu suhteellisen vakioksi leviämisnopeudeksi, joka on viritetty niin, että se antaa Oligoseenin ja Mioseenin rajalle iäksi 23,03 Ma (20). GTS 2012 hylkäsi tähtitieteellisesti viritetyn, Etelä-Atlantin subantarktisen alueen ODP:n (Ocean Drilling Program) havaintopaikalta 1090 peräisin olevan keskimioenin δ18O:n ja magnetostratigrafian mittaustuloksen, jonka mittaustulos ulottuu oligoseenin ja mioseenin väliseltä rajalta ~15,9 Ma:iin, koska viritetyn mittaustuloksen perusteella saatiin kronologisten rajojen ikäarvoja, jotka eivät täytä Tyynellämerellä vallitsevan merenpohjan tasaisen leviämisnopeuden olettamuksen oletusta (20). CRBG:n uusimmassa ikämallissa (4) yritetään sovittaa yhteen 40Ar/39Ar-geokronologia ja GTS 2012. Tuloksena syntynyt ikämalli on kuitenkin ristiriidassa olemassa olevan GPTS:n kanssa ja kaipaa tarkennusta (Kuva 4).

Uusi iänmääritysmallimme CRBG:n osalta sallii vankemman korrelaation CRBG:n magnetostratigrafiasta nykyisten ehdotusten kanssa, jotka koskevat GPTS:aa (Kuva 4). Tämä harjoitus osoittaa kuitenkin myös, että jotkin aiemmat ehdotukset GPTS:stä, mukaan lukien GTS 2012, ovat virheellisiä. Esimerkiksi CRBG:n viimeisimmässä ikämallissa Imnaha-basaltti, joka on täysin normaalipolarisoitunut, purkautuu useiden magneettisten käänteiden kautta, mikä ei ole sallittua. Vastaavasti nykyisessä ikämallissa Grande Ronde -basaltti, joka tallentaa kaksi käänteistä ja kaksi normaalia jaksoa, sijoittuu yhden normaalin ajanjakson sisään. Vertailun vuoksi kuvassa 4 esitetyssä ehdotetussa korrelaatiossamme Imnaha-basaltti purkautui kokonaan ajanjakson C5Cn.3n aikana, kun taas Grande Ronde-basaltti purkautui ajanjakson C5Cn.2r-C5Cn.1n aikana, mikä on sopusoinnussa basalttien havaitun magnetostratigrafian kanssa.

Käyttämällä tätä GPTS:n kanssa tehtyä peruskorrelaatiota voimme tarkentaa neljää ehdotettua käänteisajankohtaa (kuva 4). Ylemmän ja alemman Steensin iät sulkevat sisäänsä ”Steensin käänteen” (magnetotsonien R0 ja N0 sekä kronien C5Cr ja C5Cn.3n välillä), joka voidaan konservatiivisesti rajoittaa 16,637 ± 0,079/0,089 Ma:iin (95 %:n luottamusväli on annettu sisäisen epävarmuuden/hajoamisvakion epävarmuuden vuoksi). Tätä arviota voidaan verrata edullisesti arvioon 16,603 ± 0,028/0,36 ma, joka on saatu viimeaikaisen 40Ar/39Ar-sanidiinigeokronologian avulla (21). Wapshilla Ridge -jäsenen pohjasta ja yläosasta otetut näytteemme rajoittavat ajoitusta ja antavat C5Cn.1r:lle vähimmäiskeston, jonka on alettava viimeistään 16,288 ± 0,039/0,046 ma ja päätyttävä aikaisintaan 16,210 ± 0,043/0,047 ma, koska Wapshilla Ridge -jäsen käsittää suurimman osan Grande Ronde Basaltin (R2) toisen käänteisen magnetostratigrafisen yksikön (31) tilavuudesta. C5Cn.1n:n (N2) loppua rajoittaa hyvin se ikä 15,895 ± 0,019/0,026 Ma, jonka olemme määritelleet siirtymämagnetisoituneen Roza-jäsennyksen yläosalle, joka on välittömästi normaalisti magnetisoituneen Frenchman Springs -jäsennyksen yläpuolella, varsinkin kun otetaan huomioon aiemmat arviot, joiden mukaan Roza-jäsennyksen purkautuminen kesti vain 14 vuotta (29). Alkuperäisissä tiedoissamme ei havaita merkittäviä taukoja purkauksissa – minkään kahden näytteemme välillä ei ole enempää kuin ~200 ka, jonka aikana vulkanismin tiedetään jatkuneen, vaikka emme esitä zirkonitietoja näiltä ajanjaksoilta (kuva S3). Näin ollen korkean tarkkuuden geokronologiaa voidaan käyttää rajaamaan magneettisesti luonnehdittujen CRB-virtojen iät ja tarkentamaan entisestään mioseenin puolivälin magneettikentän kääntymisten tietoja. Ehdottamamme GPTS on myös sopusoinnussa IODP:n (Integrated Ocean Drilling Program) näytteenottopaikan U1335 (Kuva 4) (37) magneettisen käänteen stratigrafian tähtitieteellisesti johdetun ikämallin kanssa päiväntasaajan Tyynellämerellä (Kuva 4), mikä osoittaa ehdotetun GPTS:n ikämallimme riippumattoman todentamisen.

Kun otetaan huomioon edellä kuvatut ristiriitaisuudet GPTS:n kohdalla, CRBG:n purkautumisen ja MMCO:n välisen linkin osoittaminen edellyttää huolellista arviota ikämalleista, joita on käytetty proksiraporttien laatimiseen MMCO:n alueella. Esimerkiksi ODP-paikan 761 pco2:n δ11B-proxy-tietue osoittaa, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuus kasvaa 16,5 Ma:ssa (8), mikä sopii hyvin ehdottamaamme Grande Ronde Basalt -vulkanismin alkamisajankohtaan. Kohteen 761 ikämalli (38) riippuu kuitenkin biostratigrafisista (39) tai isotooppisista tapahtumista (40), jotka on sidottu GPTS:n kalibrointeihin (41), joiden olemme osoittaneet olevan epätarkkoja. IODP-paikan U1337 δ13C- ja δ18O-rekistereitä kuvaavassa viimeaikaisessa työssä MMCO:n alkamisajankohdaksi on määritetty 16,9 ma (42), mikä edeltää meidän ajoitustamme kaikkien CRBG:n purkausten osalta. Tämän paikan ikämalli on johdettu tähtitieteellisestä ratkaisusta (43) ilman radiometristä ikäkontrollia tai magnetostratigrafiaa, mikä lisää subjektiivisuutta valittuihin isotooppisiin sidospisteisiin, joita käytetään virityksen kalibrointiin (44), ja vaikeuttaa korrelaatiota purkautumismuistiinpanojemme kanssa.

Yksi etenemistavaksi voidaan ottaa sellaisten paikkojen proksitietueet, jotka sisältävät luotettavaa magnetostratigrafiaa (37, 45). Merenpohjan δ18O-arvot – syvän valtameren lämpötilan proxy-arvo – paikoilta 1090 (46) ja U1335 (37) (kuva 5) osoittavat, että δ18O-arvojen lasku alkoi C5Cr:ksi tulkitun ajanjakson aikana ja saavutti nollapisteen (MMCO) C5Cn.3n-C5Cn.1r aikana. Vaikka C5Cr:n tunnistamista paikasta 1090 on tällä hetkellä vaikea validoida, koska tallenteissa voi esiintyä katkoksia, U1335:n tähtitieteellinen malli vahvistaa sen, ja sen tulkitaan olevan sama aikakausi, jolloin CRB:n purkaukset alkoivat Lower Steens Basaltin kanssa. Vaikka MMCO:n alkamisen absoluuttista ajoitusta ei voida vahvistaa tiedoillamme, U1335:n astronomisesti viritetty ennätys verrattuna geokronologiaamme osoittaa, että δ18O:n lasku edelsi Steens Basaltin laavavirtojen purkautumista 100-200 ka:lla. CRBG-vulkanismi on saattanut vaikuttaa ilmaston lämpenemiseen hiilidioksidin kryptisen kaasunpoiston kautta, kun magma kulkeutui dike-parvien läpi ennen pintapurkauksia (7). Vaihtoehtoisesti CRBG:n ja MMCO:n alkamisen ilmeinen epäsuhta voi osoittaa, että nämä kaksi tapahtumaa eivät liity toisiinsa. Joka tapauksessa δ18O-minimi näyttää ajoittuvan samaan aikaan Grande Ronde Basaltin purkautumisen kanssa, mikä viittaa siihen, että yhteys voi olla olemassa. Ennen kuin voidaan päätellä, aiheuttiko CRBG MMCO:n MMCO:n, tarvitaan lisätyötä, jossa tarkennetaan ilmastoproxytietueiden ikämalleja koko MMCO:n ajalta ja tutkitaan CRBG:n purkautumisnopeuksia. Vaikka työmme rajoittaa chronic C5Cr:n yläosan ikää, absoluuttisia ikärajoituksia ei ole vielä olemassa sen enempää C5Cr:n alaosalle kuin MMCO:n alkamisellekaan. Koska U1335:n tietueella on tähtitieteellinen ikämalli, jota rajoittavat isotooppikorrelaatiot löytöpaikan U1337 kanssa (37, 42), ja koska siinä ei ole absoluuttista ikää, joka määrittäisi chron C5Cr:n pohjan, CRBG:n ja MMCO:n välinen korrelaatio voisi olla tiukempi, erityisesti jos chron alkaisi myöhäisemmässä ajassa kuin tällä hetkellä ehdotetaan. Nämä epävarmuustekijät tämän magneettikentän kääntymisen ja MMCO:n alkamisen ajoituksessa on selvitettävä, jotta voidaan paremmin arvioida, oliko CRBG:llä syy-yhteys MMCO:n syntyyn.

Mioseenin puolivälin ikämalleissa esiintyvistä epävarmuustekijöistä huolimatta globaalit proksiaineistot (47) osoittavat, että MMCO jatkui >1 Ma:n ajan sen jälkeen, kun suurin osa CRBG:n vulkanismista oli loppunut (kuva 5). Vulkanismin loppumisen ja viileämpiin ilmasto-olosuhteisiin palaamisen välinen viive voidaan ymmärtää seuraukseksi globaalin hiilenkierron negatiivisten takaisinkytkentöjen pitkästä vasteajasta, sillä ne säätelevät ilmakehän hiilidioksidia ja maapallon lämpötilaa geologisella aikaskaalalla. Näihin takaisinkytkentöihin kuuluvat lämpötilan, mantereen silikaattimineraalien kemiallisen kulumisen ja hiilidioksidin hautautumisen meren karbonaattisedimentteihin väliset vuorovaikutukset (48). Vaikka silikaattisyöpymisen palautteen herkkyys tunnetaan edelleen huonosti, viimeaikaiset arviot vasteajoista vaihtelevat ~200-500 ka:n välillä (49) ja ovat sopusoinnussa ilmakehän hiilidioksidin vakiintumisen (eli paluun perusolosuhteisiin) kanssa ~1 miljoonan vuoden aikajänteellä.

CRBG:n synnyn ikämallimme lyhentää vulkanismin kestoa 1,9 ma:sta (4) 750 ka:iin (750 ka:iin), ja se korreloi CRBG:n synnyn alun vulkanismia ja MMCO:n alkua ~100 ka:n sisällä. CRBG-vulkanismin lyhyempi kesto merkitsee suurempia keskimääräisiä hiilidioksidipäästöjä ja suurempia hiilidioksidipitoisuushuippuja vulkanismin aikana, mitä voidaan verrata merellisten proksitietojen perusteella. Nykyiset proksitiedot ilmakehän hiilidioksidista MMCO:n aikana ovat kuitenkin liian karkeat, jotta niitä voitaisiin verrata läheisesti CRBG:n purkaushistoriaan, mikä vaikeuttaa entisestään sen arvioimista, aiheuttiko CRBG MMCO:n vai ei. Lisäksi määrällisen yhteyden luomista CRBG:n vulkanismin ja globaalin hiilenkierron ja ilmakehän hiilidioksidipäästöjen muutosten välille vaikeuttaa epävarmuus tulvabasalteista peräisin olevan hiilidioksidin määrästä, joka on peräisin vaippaan liuenneesta hiilestä sekä ”salaisista” lähteistä, kuten orgaanisista tai epäorgaanisista sedimenteistä, jotka ovat haihtuneet kosketuksessa basalttivirtausten tai -kuoppien kanssa (7). Armstrong McKay et al. (7), jotka käyttivät CRBG:n päävaiheen purkauksen kestoksi 900 ka, mallintavat, että 4090-5670 Pg vapautunutta hiiltä voi johtaa havaittuihin muutoksiin pohjaeläinten δ13C:ssä ja ilmakehän hiilidioksidipitoisuudessa, vaikka tähän määrään sisältyykin huomattava osa kryptistä kaasunpoistoa, joka ylittää subaeriaalisten basalttivirtausten odotetun haihtuvien aineiden vapautumisen. Tulevissa tutkimuksissa olisi keskityttävä mioseenin puolivälin aikaskaalan tarkempaan tarkistamiseen ja CRBG-vulkanismin 700 ka:n pituisen ajan kattavaan korkean resoluution ilmastoennustetietoon, jotta voitaisiin tutkia, missä määrin CRBG-vulkanismin ajoitus vastaa ilmakehän hiilidioksidimuutoksia. Tällaiset tutkimukset johtavat parempaan ymmärrykseen MMCO:sta ja yleisempiin malleihin, jotka yhdistävät vulkanismin ja ilmastonmuutoksen, ja ne voivat olla ratkaisevassa asemassa sen ymmärtämisessä, miksi jotkin tulvabasaltit ilmeisesti johtavat massasukupuuttoon ja toiset eivät.