Rapid eruption of the Columbia River flood basalt and correlation with the mid-Miocene climate optimum

DISCUSSION

A kormodellünk mennyiségi korlátokat biztosít, amelyeknek a CRBG vulkanizmus bármely geológiai vagy geodinamikai modelljének meg kell felelnie. Különösen, a mechanizmusnak összhangban kell lennie (i) a 16,65 és 15,90 Ma közötti ~750 ka kitörési időtartammal; (ii) a 0,334 ± 0.042 km3/év, >>1 km3/év impulzusokkal; (iii) egyidejű kitörések a Steens-hegyen és a 300 km-re lévő Imnaha bazaltkibocsájtásokban; és (iv) a kitörés átlagos lineáris földrajzi terjedési sebessége 0,37 ± 0,08 m/év észak felé, figyelembe véve az Imnaha forráskibocsájtások közötti távolságokat a Wanapum kitöréseken keresztül. Ezek a kritériumok önmagukban jelenleg elégtelenek lehetnek a CRBG köpenyfúvóka vagy szubdukcióval kapcsolatos eredetének ujjlenyomatához, mindkettő lehetővé teszi, hogy a kitörések ebben az időkeretben történjenek (13, 34). A CRB vulkanizmus 0,37 ± 0,08 m/év földrajzi terjedési sebessége szintén összeegyeztethető bármelyik modellel: Egy kis plume-fejet úgy modelleztek, hogy 0,2-0,3 m/év sebességgel terjed (35), míg a javasolt födémszakadást úgy modellezték, hogy 0,45 m/év sebességgel terjed (13). Ez az északi irányú terjedési sebesség körülbelül háromszor gyorsabb, mint a Steens-hegytől délre terjedő McDermitt és High Rock gátcsomókra számítottak (0,12 és 0,14 m/év) (36), ami azt mutatja, hogy a Steens-hegyről történő potenciális sugárirányú terjedés nem azonos sugárirányú sebességgel történt. További modellezésre van szükség az új mennyiségi megkötéseinkkel, hogy jobban megértsük a CRBG kitörését lehetővé tevő folyamatot.

A CRBG vulkanizmus és az MMCO relatív időzítésének meghatározásához hasonlóan pontos, független kronológiákra van szükség. A kora- és középső-miocén azonban az egyik legproblémásabb időszak a neogénben a pontos független kronológiák felállítása szempontjából a tengeri üledékekben, mivel nehéz olyan zavartalan rétegtani szelvényeket szerezni, amelyek megbízható magnetosztratigráfiát, biosztratigráfiát, csillagászati hangolást és radiometrikus korokat adnak (20). A középső miocénre javasolt összes időskála közvetlenül vagy közvetve a GPTS-szel való korrelációtól függ, amelyre jelenleg több javaslat is létezik, a legújabb a Geologic Time Scale (GTS) 2012 (20). A GTS 2012-t az antarktiszi és ausztrál lemezek tengerfenéki anomáliaprofiljaiból származtatták, és viszonylag állandó terjedési sebességet feltételezve úgy hangolták, hogy 23,03 Ma-os kort adjon az oligocén-miocén határra (20). A GTS 2012 elutasította a szubantarktikus Atlanti-óceán déli részén található ODP (Ocean Drilling Program) 1090-es telephelyéről származó, csillagászatilag hangolt középső-miocén δ18O és magnetosztratigráfiai felvételt, amelynek felvétele az oligocén-miocén határtól ~15,9 Ma-ig terjed, mivel a hangolt felvétel olyan korokat ad az időhatárokhoz, amelyek nem felelnek meg a csendes-óceáni állandó tengerfenékterjedési sebesség feltételezésének (20). A CRBG legújabb kormodellje (4) megpróbálja összeegyeztetni a 40Ar/39Ar geokronológiát a GTS 2012-vel. Az így kapott kormodell azonban nincs összhangban a meglévő GPTS-sel, és finomításra szorul (4. ábra).

A CRBG-re vonatkozó új kormodellünk lehetővé teszi a CRBG magnetosztratigráfiájának szilárdabb korrelációját a GPTS-re vonatkozó meglévő javaslatokkal (4. ábra). Ez a feladat azonban azt is jelzi, hogy a GPTS-re vonatkozó néhány korábbi javaslat, beleértve a GTS 2012-t is, hibás. Például a CRBG legfrissebb kormodellje szerint az Imnaha-bazalt, amely teljesen normálisan polarizált, több mágneses fordulaton keresztül tört ki, és így nem megengedhető. Hasonlóképpen, a meglévő kormodell a Grande Ronde-bazaltot, amely két fordított és két normális intervallumot rögzít, egyetlen normális kronon belülre helyezi. Összehasonlításképpen, a 4. ábrán bemutatott javasolt korrelációnkban az Imnaha bazalt teljes egészében a C5Cn.3n kron alatt tört ki, míg a Grand Ronde bazalt a C5Cn.2r-C5Cn.1n kron alatt tört ki, ami összhangban van a bazaltokban megfigyelt magnetosztratigráfiával.

A GPTS-szel való ezen alapkorreláció felhasználásával négy javasolt megfordulási kort finomíthatunk (4. ábra). A Felső- és Alsó-Steensben a korok a “Steens-fordulatot” (az R0 és N0 magnetozónák, valamint a C5Cr és C5Cn.3n krónok között) zárják be, amely konzervatív módon 16,637 ± 0,079/0,089 Ma-ra korlátozható (a belső bizonytalanság/lebomlási állandó bizonytalanságára megadott 95%-os konfidenciaintervallumok). Ez a becslés kedvezően hasonlítható össze a közelmúltbeli 40Ar/39Ar szanidin-geokronológiával kapott 16,603 ± 0,028/0,36 Ma becsléssel (21). A Wapshilla Ridge tagozat aljáról és tetejéről származó mintáink korlátozzák az időzítést, és megadják a C5Cn.1r minimális időtartamát, amely nem kezdődik később, mint 16,288 ± 0,039/0,046 Ma, és nem ér véget korábban, mint 16,210 ± 0,043/0,047 Ma, mivel a Wapshilla Ridge tagozat tartalmazza a Grande Ronde bazalt második fordított magnetosztratigráfiai egységének (R2) (31) térfogatának nagy részét. A C5Cn.1n (N2) végét jól behatárolja a 15,895 ± 0,019/0,026 Ma-os korunk az átmenetileg mágnesezett Roza tagozat tetejére, amely közvetlenül a normálisan mágnesezett Frenchman Springs tagozat felett helyezkedik el, különösen a korábbi becslések alapján, amelyek szerint a Roza tagozat mindössze 14 év alatt tört ki (29). Kezdeti adataink nem azonosítanak jelentős szüneteket a kitörésekben – két mintánk között nem telik el ~200 ka-nál több idő, amely alatt a vulkanizmus köztudottan folyamatos volt, bár ezekből az intervallumokból nem mutatunk be cirkon adatokat (S3 ábra). Ezért a nagy pontosságú geokronológia felhasználható a mágnesesen jellemzett CRB-áramlások korának behatárolására és a miocén középső-miocén mágneses mezőfordulók feljegyzésének további finomítására. Az általunk javasolt GPTS szintén összhangban van a Csendes-óceán egyenlítői részén található IODP (Integrated Ocean Drilling Program) U1335 helyszínen (4. ábra) (37) a mágneses fordulat rétegsorának csillagászatilag származtatott kormodelljével, ami a GPTS-re javasolt kormodellünk független ellenőrzését jelzi.

A GPTS-re vonatkozóan fent leírt ellentmondások miatt a CRBG kitörése és az MMCO közötti kapcsolat bizonyítása megköveteli a proxy rekordok kialakításához használt kormodellek gondos értékelését az MMCO-ban. Például a pco2 δ11B proxy rekordja az ODP 761-es helyszínen azt jelzi, hogy a légköri CO2 16,5 Ma-ban növekszik (8), ami jól megfelel a Grande Ronde bazalt vulkanizmus kezdetének általunk javasolt időpontjának. A 761-es lelőhelyre vonatkozó kormodell (38) azonban a GPTS kalibrációjához (41) kötött biosztratigráfiai (39) vagy izotópos eseményektől (40) függ, amelyekről kimutattuk, hogy pontatlanok. Az U1337 IODP-helyről származó δ13C- és δ18O-felvételeket leíró legújabb munka az MMCO kezdetét 16,9 Ma-ra teszi (42), ami megelőzi az összes CRBG-kitörés időzítését. Ennek a lelőhelynek a kormodellje csillagászati megoldásból származik (43), radiometrikus korellenőrzés vagy magnetosztratigráfia nélkül, így szubjektivitást ad a hangolás kalibrálásához használt kiválasztott izotópos kötőpontokhoz (44), és megnehezíti a korrelációt a mi kitörési adatainkkal.

Az egyik megoldás a megbízható magnetosztratigráfiát tartalmazó lelőhelyekről származó proxy adatok használata (37, 45). Az 1090-es (46) és az U1335-ös (37) lelőhelyről (5. ábra) származó benti δ18O értékek – a mélytengeri hőmérséklet proxyja – azt mutatják, hogy a δ18O értékek csökkenése a C5Cr-nek értelmezett időszakban kezdődött, és a C5Cn.3n-C5Cn.1r időszakban érte el a mélypontot (az MMCO-t). Bár a C5Cr azonosítását az 1090-es lelőhelyről jelenleg nehéz igazolni, mivel a feljegyzésekben hiatuszok előfordulhatnak, az U1335 csillagászati modellje alátámasztja, és úgy értelmezzük, hogy a CRB kitörések ugyanabban a kronban kezdődtek az Alsó-Steens bazalttal. Bár az MMCO kezdetének abszolút időzítése nem erősíthető meg adatainkkal, az U1335 csillagászatilag hangolt rekordja a geokronológiánkkal összehasonlítva azt mutatja, hogy a δ18O csökkenése 100-200 ka-val megelőzte a Steens-bazalt lávafolyamok kitörését. A CRBG vulkanizmus szerepet játszhatott a globális felmelegedés előidézésében a CO2 rejtőzködő elgázosodása révén, ahogy a magma a felszíni kitörések előtt a gócrajokban vándorolt (7). A CRBG és az MMCO kezdete közötti látszólagos eltérés azt is jelezheti, hogy a két eseménynek nincs köze egymáshoz. Ettől függetlenül a δ18O-minimum egyidősnek tűnik a Grande Ronde-bazalt kitörésével, ami arra utal, hogy kapcsolat állhat fenn. További munkára van szükség, amely pontosítja az MMCO éghajlati proxy-felvételek életkor-modelljeit, és megvizsgálja a CRBG kitörési sebességét, mielőtt megállapítható lenne, hogy a CRBG okozta-e az MMCO-t. Míg munkánk korlátozza a krón C5Cr felső részének korát, addig sem a C5Cr alsó részének, sem az MMCO kezdetének abszolút kormeghatározása nem áll rendelkezésre. Mivel az U1335-ös felvételnek az U1337-es lelőhellyel (37, 42) való izotópos korrelációk által korlátozott csillagászati kormodellje van, és nincs abszolút kormeghatározás a chron C5Cr aljára, a CRBG és az MMCO szorosabb korrelációja figyelhető meg, különösen akkor, ha a chron a jelenleg javasoltnál később kezdődött. A mágneses mező megfordulásának és az MMCO kezdetének időzítésével kapcsolatos bizonytalanságokat fel kell oldani annak jobb megítéléséhez, hogy a CRBG okozó szerepet játszott-e az MMCO-ban.

A középső-miocén kormodellekben jelenlévő bizonytalanságok ellenére a globális proxy adatok (47) azt mutatják, hogy az MMCO >1 Ma-ig folytatódott a CRBG vulkanizmus nagy részének megszűnése után (5. ábra). A vulkanizmus megszűnése és a hűvösebb éghajlati viszonyokhoz való visszatérés közötti időeltolódás a globális széncikluson belül a légköri CO2-t és a Föld hőmérsékletét geológiai időskálán szabályozó negatív visszacsatolások hosszú reakcióidejének következményeként értelmezhető. Ezek a visszacsatolások magukban foglalják a hőmérséklet, a kontinentális szilikátásványok kémiai időjárása és a CO2 tengeri karbonátos üledékekben való eltemetése közötti kölcsönhatásokat (48). Bár a szilikátos időjárási visszacsatolás érzékenysége továbbra is kevéssé ismert, a reakcióidőre vonatkozó legújabb becslések ~200 és 500 ka között mozognak (49), és összhangban vannak a légköri CO2 stabilizálódásával (azaz az alapállapotokhoz való visszatéréssel) ~1 millió éves időskálán.

A CRBG kiemelkedésének kormodellje a vulkanizmus időtartamát 1,9 Ma-ról (4) 750 ka-ra rövidíti, és a CRBG vulkanizmus kezdetét és az MMCO kezdetét ~100 ka-n belülre hozza. A CRBG vulkanizmus rövidebb időtartama magasabb átlagos CO2-kibocsátást és magasabb csúcs CO2-koncentrációt feltételez a vulkanizmus alatt, amit össze kell vetni a tengeri proxy-feljegyzésekkel. Az MMCO idején a légköri CO2-re vonatkozó jelenlegi proxy-felvételek azonban túl durvák ahhoz, hogy a CRBG kitörési történetével szorosan össze lehessen hasonlítani, ami tovább gátolja annak értékelését, hogy a CRBG okozta-e az MMCO-t vagy sem. Továbbá, a CRBG vulkanizmus és a globális szénciklus és a légköri CO2 változásai közötti mennyiségi kapcsolat megállapítását nehezíti az árvízi bazaltok által kibocsátott CO2 mennyiségének bizonytalansága, amely a köpenyben oldott szénből származik, valamint a “titkos” forrásokból, mint például a bazaltfolyamokkal vagy -csúcsokkal érintkezve elpárolgó szerves vagy szervetlen üledékekből (7). Armstrong McKay és munkatársai (7) 900 ka főfázisú CRBG kitörési időtartamot használva azt modellezik, hogy 4090-5670 Pg kibocsátott szén adhatja a benti δ13C és a légköri CO2 megfigyelt változásait, bár ez a mennyiség a szubaerikus bazaltfolyások várható illóanyag-kibocsátásán túl a kriptikus gáztalanítás jelentős összetevőjét is tartalmazza. A jövőbeni vizsgálatoknak a középső-miocén időskála további felülvizsgálatára és a CRBG vulkanizmus 700-ka időtartamára kiterjedő, nagy felbontású éghajlati proxy-felvételekre kell összpontosítaniuk annak feltárása érdekében, hogy a CRBG vulkanizmus időzítése milyen mértékben egyezik meg a légköri CO2-változásokkal. Ezek a vizsgálatok az MMCO jobb megértéséhez és a vulkanizmust az éghajlatváltozással összekapcsoló általánosabb modellekhez vezetnek, és döntő fontosságúak lehetnek annak megértésében, hogy miért vezetnek egyes árvízi bazaltok tömeges kihalásokhoz, míg mások nem.