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

DISCUSSION

Ons leeftijdsmodel levert kwantitatieve beperkingen op waaraan elk geologisch of geodynamisch model voor CRBG-vulkanisme moet voldoen. In het bijzonder moet het mechanisme consistent zijn met (i) een uitbarstingsduur van ~750 ka van 16,65 tot 15,90 Ma; (ii) een gemiddelde uitbarstingssnelheid van 0,334 ± 0.042 km3/jaar, met pulsen van >>1 km3/jaar; (iii) gelijktijdige uitbarstingen op Steens Mountain en in de 300 km verderop gelegen Imnaha-basaltopeningen; en (iv) een gemiddelde lineaire geografische voortplantingssnelheid van de eruptie van 0,37 ± 0,08 m/jaar naar het noorden, gezien de afstanden tussen de openingen die de Imnaha- en Wanapum-uitbarstingen voeden. Deze criteria alleen kunnen op dit moment onvoldoende zijn om een mantelpluim of subductie-gerelateerde oorsprong van de CRBG aan te tonen, die beide erupties in dit tijdsbestek mogelijk maken (13, 34). De geografische voortplantingssnelheid van 0,37 ± 0,08 m/jaar voor CRB vulkanisme is ook compatibel met beide modellen: Een kleine pluim verspreidt zich volgens het model met 0,2 tot 0,3 m/jaar (35), terwijl de voorgestelde scheur in de plaat zich volgens het model voortplant met 0,45 m/jaar (13). Deze noordwaartse voortplantingssnelheid is ongeveer drie keer zo hoog als die berekend voor de McDermitt en High Rock dijkzwermen die zich ten zuiden van Steens Mountain voortplanten (respectievelijk 0,12 en 0,14 m/jaar) (36), waaruit blijkt dat de potentiële radiale voortplanting vanaf Steens Mountain niet met dezelfde snelheid radiaal plaatsvond. Verdere modellering met onze nieuwe kwantitatieve constraints is nodig om het proces dat de CRBG eruptie mogelijk maakte beter te begrijpen.

Om de relatieve timing van het CRBG vulkanisme en de MMCO te bepalen zijn onafhankelijke chronologieën nodig die even nauwkeurig zijn. Het vroege en midden Mioceen is echter een van de meest problematische perioden in het Neogeen voor het vaststellen van nauwkeurige onafhankelijke chronologieën in mariene sedimenten vanwege de moeilijkheid om ongestoorde stratigrafische secties te verkrijgen die betrouwbare magnetostratigrafie, biostratigrafie, astronomische afstemming, en radiometrische ouderdommen opleveren (20). Alle voorgestelde tijdschalen voor het midden Mioceen zijn direct of indirect afhankelijk van correlatie met de GPTS, waarvoor momenteel verschillende voorstellen bestaan, waarvan de meest recente de Geologic Time Scale (GTS) 2012 is (20). De GTS 2012 is afgeleid van de anomalieprofielen van de zeebodem van de Antarctische en Australische platen en is, uitgaande van een relatief constante verspreidingssnelheid, afgestemd om een leeftijd van 23,03-Ma te geven voor de Oligoceen-Miocene grens (20). GTS 2012 verwierp een astronomisch afgestemd record van midden-Mioceen δ18O en magnetostratigrafie van ODP (Ocean Drilling Program) site 1090 in het subantarctische zuiden van de Atlantische Oceaan, waarvan het record zich uitstrekt van de Oligoceen-Mioceen grens tot ~15,9 Ma, omdat het afgestemde record leeftijden oplevert voor chronologische grenzen die niet voldoen aan de aanname van constante zeebodem verspreidingssnelheden in de Stille Oceaan (20). Het meest recente leeftijdsmodel voor de CRBG (4) probeert de 40Ar/39Ar geochronologie te verenigen met de GTS 2012. Het resulterende leeftijdsmodel is echter inconsistent met de bestaande GPTS en moet worden verfijnd (Fig. 4).

Met ons nieuwe leeftijdsmodel voor de CRBG is een robuustere correlatie mogelijk van de CRBG magnetostratigrafie met bestaande voorstellen voor de GPTS (Fig. 4). Deze exercitie geeft echter ook aan dat sommige eerdere voorstellen voor de GPTS, waaronder GTS 2012, onjuist zijn. Bijvoorbeeld, het meest recente leeftijdsmodel voor de CRBG laat het Imnaha Basalt, dat volledig normaal gepolariseerd is, uitbarsten door verschillende magnetische omkeringen en is dus niet toelaatbaar. Evenzo plaatst het bestaande ouderdomsmodel de Grande Ronde Basalt, die twee omgekeerde en twee normale intervallen registreert, binnen een enkele normale chron. Ter vergelijking, in de door ons voorgestelde correlatie in Fig. 4 barstte het Imnaha Basalt geheel uit tijdens chron C5Cn.3n, terwijl het Grand Ronde Basalt uitbarstte tijdens C5Cn.2r-C5Cn.1n, in overeenstemming met de waargenomen magnetostratigrafie in de basalten.

Met behulp van deze basiscorrelatie met de GPTS kunnen we vier voorgestelde omkeringsleeftijden verfijnen (Fig. 4). Onze ouderdommen in de Bovenste en de Onderste Steens ondersteunen de “Steens Omkering” (tussen magnetozones R0 en N0, en chrons C5Cr en C5Cn.3n), die conservatief kan worden beperkt tot 16,637 ± 0,079/0,089 Ma (95% betrouwbaarheidsintervallen gegeven voor interne onzekerheid/afbraakconstante onzekerheid). Deze schatting steekt gunstig af bij de schatting van 16,603 ± 0,028/0,36 Ma verkregen door recente 40Ar/39Ar sanidine geochronologie (21). Onze monsters van de basis en de top van het Wapshilla Ridge Lid beperken de timing en geven een minimale duur voor C5Cn.1r, die niet later begint dan 16,288 ± 0,039/0,046 Ma, en niet eerder eindigt dan 16,210 ± 0,043/0,047 Ma, omdat het Wapshilla Ridge Lid het grootste deel van het volume van de tweede omgekeerde magnetostratigrafische eenheid van het Grande Ronde Basalt (R2) bevat (31). Het einde van C5Cn.1n (N2) wordt goed beperkt door onze leeftijd van 15,895 ± 0,019/0,026 Ma voor de top van het overgangsmagnetiserende Roza Lid, dat onmiddellijk ligt boven het normaal gemagnetiseerde Frenchman Springs Lid, vooral gezien eerdere schattingen dat het Roza Lid in zo weinig als 14 jaar tot uitbarsting kwam (29). Onze eerste gegevens identificeren geen significante hiatussen in erupties – niet meer dan ~200 ka verstrijken tussen twee van onze monsters, gedurende welke vulkanisme bekend is, hoewel we geen zirkoon gegevens presenteren van deze intervallen (fig. S3). Daarom kan hoge-precisie geochronologie gebruikt worden om de ouderdom van magnetisch gekarakteriseerde CRB stromen te bepalen en om het verslag van de magnetische veldomkeringen in het midden van het Mioceen verder te verfijnen. Ons voorgestelde GPTS is ook consistent met het astronomisch afgeleide leeftijdsmodel voor de magnetische omkeerstratigrafie op IODP (Integrated Ocean Drilling Program) site U1335 in de equatoriale Stille Oceaan (Fig. 4) (37), wat duidt op een onafhankelijke verificatie voor ons voorgestelde leeftijdsmodel voor het GPTS.

Gezien de hierboven beschreven inconsistenties voor het GPTS, vereist het aantonen van een verband tussen de uitbarsting van de CRBG en de MMCO een zorgvuldige beoordeling van de leeftijdsmodellen die zijn gebruikt om proxy-records over de MMCO te ontwikkelen. Bijvoorbeeld, het δ11B proxy record voor pco2 op ODP site 761 geeft aan dat atmosferische CO2 toeneemt om 16,5 Ma (8), wat goed overeenkomt met de door ons voorgestelde timing van het begin van volumineus Grande Ronde Basalt vulkanisme. Het ouderdomsmodel voor vindplaats 761 (38) is echter afhankelijk van biostratigrafische (39) of isotopische gebeurtenissen (40) gekoppeld aan kalibraties van de GPTS (41) waarvan wij hebben aangetoond dat ze onnauwkeurig zijn. Recent werk dat de δ13C en δ18O gegevens van IODP site U1337 beschrijft identificeert het begin van de MMCO bij 16,9 Ma (42), hetgeen voorafgaat aan onze timing voor alle CRBG erupties. Deze vindplaats heeft een ouderdomsmodel dat is afgeleid van een astronomische oplossing (43) zonder radiometrische ouderdomscontrole of een magnetostratigrafie, waardoor de gekozen isotopische bindingspunten die zijn gebruikt om de afstemming te ijken subjectief worden (44) en correlatie met ons eruptieve record moeilijk wordt.

Een manier om verder te komen is het gebruik van proxy-records van vindplaatsen die een betrouwbare magnetostratigrafie bevatten (37, 45). Benthische δ18O waarden – een proxy voor de temperatuur van de diepe oceaan – van de sites 1090 (46) en U1335 (37) (Fig. 5) geven aan dat de daling van de δ18O waarden begon tijdens wat geïnterpreteerd wordt als C5Cr, en een dieptepunt bereikte (de MMCO) tijdens C5Cn.3n-C5Cn.1r. Hoewel het momenteel moeilijk is om de identificatie van C5Cr van site 1090 te valideren gezien de mogelijkheid van hiatussen in het record, wordt het bevestigd door het astronomische model van U1335 en wordt het geïnterpreteerd als dezelfde chron waarin de CRB erupties begonnen met het Lower Steens Basalt. Hoewel de absolute timing van het begin van de MMCO niet door onze gegevens kan worden bevestigd, toont het astronomisch afgestemde record van U1335 vergeleken met onze geochronologie aan dat de daling in δ18O de uitbarsting van de Steens Basalt lavastromen met 100 tot 200 ka voorafging. CRBG vulkanisme kan een rol hebben gespeeld in het veroorzaken van de opwarming van de aarde door cryptische ontgassing van CO2 toen magma door dijkzwermen migreerde voor erupties aan de oppervlakte (7). Een andere mogelijkheid is dat de ogenschijnlijke discrepantie tussen het begin van de CRBG en de MMCO erop wijst dat de twee gebeurtenissen geen verband met elkaar houden. Hoe dan ook, het δ18O minimum lijkt samen te vallen met de eruptie van het Grande Ronde Basalt, wat suggereert dat er een verband zou kunnen bestaan. Verder werk dat de leeftijdsmodellen voor klimaatproxy-records over de MMCO verfijnt en de eruptiesnelheden voor de CRBG onderzoekt, is nodig voordat kan worden vastgesteld of de CRBG de MMCO heeft veroorzaakt. Hoewel ons werk de leeftijd van de top van chron C5Cr beperkt, zijn er nog geen absolute leeftijdsbeperkingen voor de bodem van C5Cr of voor het begin van de MMCO. Omdat het record voor U1335 een astronomisch leeftijdsmodel heeft dat wordt beperkt door isotopische correlaties met site U1337 (37, 42) en geen absolute leeftijd heeft die de basis van chron C5Cr bepaalt, zou een nauwere correlatie van de CRBG en MMCO kunnen worden waargenomen, vooral als de chron later in de tijd begon dan nu wordt voorgesteld. Deze onzekerheden in de timing van deze magnetische veldomkering en het begin van de MMCO moeten worden opgelost om beter te kunnen beoordelen of de CRBG een oorzakelijke rol heeft gespeeld in de MMCO.

Ondanks de onzekerheden die aanwezig zijn in de leeftijdsmodellen voor het midden-Mioceen, geven wereldwijde proxy gegevens (47) aan dat de MMCO nog >1 Ma voortduurde na de beëindiging van het grootste deel van het vulkanisme van de CRBG (Fig. 5). Het tijdsverloop tussen het ophouden van het vulkanisme en de terugkeer naar koelere klimaatomstandigheden zou kunnen worden begrepen als een gevolg van de lange reactietijd van negatieve terugkoppelingen binnen de mondiale koolstofcyclus die op geologische tijdschalen de atmosferische CO2 en de temperatuur van de aarde reguleren. Deze terugkoppelingen omvatten interacties tussen temperatuur, de chemische verwering van continentale silicaatmineralen en de begraving van CO2 in mariene carbonaatsedimenten (48). Hoewel de gevoeligheid van de silicaat verwering terugkoppeling slecht begrepen blijft, variëren recente schattingen voor reactietijden van ~200 tot 500 ka (49) en zijn consistent met de stabilisatie van atmosferische CO2 (dat wil zeggen, terugkeer naar de basisomstandigheden) op ~1 miljoen jaar tijdschalen.

Onze leeftijd model van CRBG emplacement verkort de duur van het vulkanisme van 1,9 Ma (4) tot 750 ka en correleert het begin van CRBG vulkanisme en het begin van de MMCO tot binnen ~100 ka. Een kortere duur van het CRBG-vulkanisme impliceert een hogere gemiddelde CO2-uitstoot en hogere CO2-piekconcentraties tijdens het vulkanisme, te vergelijken met mariene proxy-records. De huidige proxy-records voor atmosferische CO2 tijdens de MMCO zijn echter te grof om een goede vergelijking te kunnen maken met de eruptieve geschiedenis van de CRBG, waardoor het moeilijker wordt om te beoordelen of de CRBG de MMCO al dan niet heeft veroorzaakt. Bovendien wordt het leggen van een kwantitatief verband tussen het vulkanisme van de CRBG en veranderingen in de mondiale koolstofcyclus en CO2 in de atmosfeer bemoeilijkt door onzekerheden in de hoeveelheid CO2 die door vloedbasalten wordt uitgestoten uit opgeloste mantelkoolstof naast “cryptische” bronnen, zoals organische of anorganische sedimenten die vervluchtigen door contact met basaltstromen of sills (7). Armstrong McKay et al. (7), die een CRBG eruptieve hoofdfase van 900 ka gebruiken, stellen dat 4090 tot 5670 Pg uitgestoten koolstof de waargenomen veranderingen in benthische δ13C en atmosferische CO2 kan opleveren, hoewel deze hoeveelheid een substantiële component van cryptische ontgassing omvat naast de verwachte vluchtige uitstoot van subaeriale basaltstromen. Toekomstige studies moeten zich richten op een verdere herziening van de tijdschaal van het midden-Mioceen en een hoge-resolutie klimaat proxy record die de 700-ka duur van het CRBG vulkanisme bestrijkt, om te onderzoeken in hoeverre de timing van het CRBG vulkanisme overeenkomt met veranderingen in atmosferische CO2. Dergelijke studies zullen leiden tot een beter begrip van de MMCO en meer algemene modellen die een verband leggen tussen vulkanisme en klimaatverandering, en kunnen van cruciaal belang zijn om te begrijpen waarom sommige vloedbasalten blijkbaar resulteren in massa-extincties en andere niet.