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

DISCUSSION

Nasz model wiekowy dostarcza ograniczeń ilościowych, które muszą być spełnione przez każdy geologiczny lub geodynamiczny model dla wulkanizmu CRBG. W szczególności, mechanizm musi być zgodny z (i) czasem trwania erupcji ~750 ka od 16,65 do 15,90 Ma; (ii) średnim tempem wypływu 0,334 ± 0.(ii) średnie tempo erupcji 0,334 ± 0,042 km3/rok, z pulsami >>1 km3/rok; (iii) jednoczesne erupcje na Górze Steensa i w bazaltowych otworach Imnaha oddalonych o 300 km; oraz (iv) średnie liniowe geograficzne tempo propagacji erupcji 0,37 ± 0,08 m/rok w kierunku północnym, biorąc pod uwagę odległości między otworami zasilającymi Imnaha poprzez erupcje Wanapum. Same te kryteria mogą być obecnie niewystarczające do wskazania pochodzenia CRBG z pióropusza płaszczowego lub subdukcji, z których oba pozwalają na występowanie erupcji w tych ramach czasowych (13, 34). Geograficzne tempo propagacji wulkanizmu CRB wynoszące 0,37 ± 0,08 m/rok jest również zgodne z każdym z tych modeli: Mała głowa pióropusza była modelowana jako rozprzestrzeniająca się z prędkością 0,2 do 0,3 m/rok (35), podczas gdy proponowane rozdarcie płyty jest modelowane jako rozprzestrzeniające się z prędkością 0,45 m/rok (13). To tempo propagacji w kierunku północnym jest około trzy razy szybsze niż obliczone dla rojów wałów McDermitt i High Rock, które rozprzestrzeniają się na południe od Góry Steensa (odpowiednio 0.12 i 0.14 m/rok) (36), co pokazuje, że potencjalna propagacja radialna z Góry Steensa nie zachodzi z tą samą prędkością w kierunku promieniowym. Dalsze modelowanie z naszymi nowymi ograniczeniami ilościowymi jest wymagane, aby lepiej zrozumieć proces, który umożliwił erupcję CRBG.

Określenie względnego czasu wulkanizmu CRBG i MMCO wymaga niezależnych chronologii, które są równie precyzyjne. Jednakże wczesny i środkowy miocen jest jednym z najbardziej problematycznych okresów neogenu dla ustalenia precyzyjnych niezależnych chronologii w osadach morskich ze względu na trudności w uzyskaniu niezakłóconych sekcji stratygraficznych dających wiarygodne wyniki magnetostratygrafii, biostratygrafii, strojenia astronomicznego i wieków radiometrycznych (20). Wszystkie skale czasowe proponowane dla środkowego miocenu zależą bezpośrednio lub pośrednio od korelacji z GPTS, dla którego istnieje obecnie kilka propozycji, z których najnowsza to Geologic Time Scale (GTS) 2012 (20). GTS 2012 została wyprowadzona na podstawie profili anomalii dna morskiego płyt antarktycznej i australijskiej i przy założeniu względnie stałego tempa rozprzestrzeniania się została dostrojona tak, by dać wiek 23,03-Ma dla granicy oligoceńsko-mioceńskiej (20). GTS 2012 odrzucił astronomicznie dostrojony zapis środkowo-mioceńskiego δ18O i magnetostratygrafii ze stanowiska ODP (Ocean Drilling Program) 1090 w subantarktycznym południowym Atlantyku, którego zapis rozciąga się od granicy oligoceńsko-mioceńskiej do ~15,9 Ma, ponieważ dostrojony zapis daje wiek dla granic chronologicznych, który nie spełnia założenia o stałym tempie rozprzestrzeniania się dna morskiego w Pacyfiku (20). Najnowszy model wiekowy dla CRBG (4) próbuje pogodzić geochronologię 40Ar/39Ar z GTS 2012. Jednakże uzyskany model wieku jest niespójny z istniejącymi GPTS i wymaga dopracowania (Fig. 4).

Nasz nowy model wiekowy dla CRBG pozwala na solidniejszą korelację magnetostratygrafii CRBG z istniejącymi propozycjami dla GPTS (Fig. 4). Jednak to ćwiczenie wskazuje również, że niektóre wcześniejsze propozycje dla GPTS, w tym GTS 2012, są błędne. Na przykład, najnowszy model wiekowy dla CRBG zakłada, że bazalt Imnaha, który jest całkowicie normalnie spolaryzowany, wybuchał przez kilka odwróceń magnetycznych, a zatem nie jest dopuszczalny. Podobnie, istniejący model wiekowy umieszcza bazalt Grande Ronde, który rejestruje dwa odwrócone i dwa normalne interwały, w ramach pojedynczego normalnego chronometrażu. Dla porównania, w proponowanej przez nas korelacji, przedstawionej na Fig. 4, erupcja Imnaha Basalt miała miejsce w całości w okresie C5Cn.3n, podczas gdy erupcja Grande Ronde Basalt miała miejsce w okresie C5Cn.2r-C5Cn.1n, co jest zgodne z obserwowaną magnetostratygrafią bazaltów.

Używając tej bazowej korelacji z GPTS, możemy doprecyzować cztery proponowane wieku odwrócenia (Fig. 4). Nasz wiek w górnym i dolnym Steensie wyznacza „Steens Reversal” (pomiędzy magnetozonami R0 i N0 oraz chronotypami C5Cr i C5Cn.3n), który może być konserwatywnie ograniczony do 16,637 ± 0,079/0,089 Ma (95% przedziały ufności podane dla niepewności wewnętrznej/niepewności stałej rozpadu). Oszacowanie to wypada korzystnie w porównaniu z oszacowaniem 16,603 ± 0,028/0,36 Ma uzyskanym dzięki niedawnej geochronologii sanidynu 40Ar/39Ar (21). Nasze próbki z podstawy i wierzchołka elementu Wapshilla Ridge ograniczają czas i zapewniają minimalny czas trwania C5Cn.1r, który ma się rozpocząć nie później niż 16.288 ± 0.039/0.046 Ma, a zakończyć nie wcześniej niż 16.210 ± 0.043/0.047 Ma, ponieważ element Wapshilla Ridge obejmuje większość objętości drugiej odwróconej jednostki magnetostratygraficznej bazaltu Grande Ronde (R2) (31). Koniec C5Cn.1n (N2) jest dobrze określony przez nasz wiek 15,895 ± 0,019/0,026 Ma dla wierzchołka przejściowo namagnesowanego elementu Roza, który bezpośrednio pokrywa się z normalnie namagnesowanym elementem Frenchman Springs, szczególnie biorąc pod uwagę wcześniejsze szacunki, że element Roza uległ erupcji w ciągu zaledwie 14 lat (29). Nasze wstępne dane nie identyfikują żadnych znaczących przerw w erupcji – pomiędzy dwoma próbkami nie upływa więcej niż ~200 ka, podczas których wulkanizm jest znany jako trwający, choć nie prezentujemy danych cyrkonowych z tych interwałów (Fig. S3). Dlatego też, wysoce precyzyjna geochronologia może być użyta do określenia wieku magnetycznie scharakteryzowanych przepływów CRB i dalszego dopracowania zapisu środkowo-mioceńskich odwróceń pola magnetycznego. Proponowany przez nas GPTS jest również spójny z astronomicznie wyprowadzonym modelem wieku dla stratygrafii odwrócenia magnetycznego na stanowisku IODP (Integrated Ocean Drilling Program) U1335 na równikowym Pacyfiku (Fig. 4) (37), wskazując na niezależną weryfikację proponowanego przez nas modelu wieku dla GPTS.

Zważywszy na niespójności opisane powyżej dla GPTS, wykazanie związku między erupcją CRBG a MMCO wymaga starannej oceny modeli wieku stosowanych do opracowania zapisów proxy w całym MMCO. Na przykład, zapis proxy δ11B dla pco2 na stanowisku ODP 761 wskazuje, że atmosferyczny CO2 wzrasta o 16,5 Ma (8), co jest zgodne z sugerowanym przez nas czasem rozpoczęcia wulkanizacji Grande Ronde Basalt. Jednakże model wieku dla stanowiska 761 (38) zależy od wydarzeń biostratygraficznych (39) lub izotopowych (40) związanych z kalibracjami GPTS (41), które, jak wykazaliśmy, są niedokładne. Ostatnia praca opisująca zapisy δ13C i δ18O ze stanowiska IODP U1337 identyfikuje początek MMCO na 16,9 Ma (42), co poprzedza nasz czas dla wszystkich erupcji CRBG. Stanowisko to ma model wieku wyprowadzony z rozwiązania astronomicznego (43) bez radiometrycznej kontroli wieku lub magnetostratygrafii, dodając w ten sposób subiektywność do wybranych izotopowych punktów wiązania używanych do kalibracji strojenia (44) i utrudniając korelację z naszym zapisem erupcyjnym.

Jedną z dróg naprzód jest użycie zapisów proxy ze stanowisk, które zawierają wiarygodną magnetostratygrafię (37, 45). Wartości bentosowe δ18O – proxy dla temperatury głębokiego oceanu – z miejsc 1090 (46) i U1335 (37) (Fig. 5) wskazują, że spadek wartości δ18O rozpoczął się podczas tego, co jest interpretowane jako C5Cr, osiągając nadir (MMCO) podczas C5Cn.3n-C5Cn.1r. Chociaż obecnie trudno jest potwierdzić identyfikację C5Cr z obiektu 1090, biorąc pod uwagę możliwość hiatusów w zapisie, jest to potwierdzone przez model astronomiczny U1335 i jest interpretowane jako ten sam okres, w którym erupcje CRB rozpoczęły się od dolnego bazaltu Steens. Chociaż absolutny czas początku MMCO nie może być potwierdzony przez nasze dane, astronomicznie dostrojony zapis z U1335 w porównaniu do naszej geochronologii pokazuje, że spadek δ18O poprzedzał erupcję law Steens Basalt o 100 do 200 ka. Wulkanizm CRBG mógł odegrać rolę w wywołaniu globalnego ocieplenia poprzez kryptyczne odgazowanie CO2, gdy magma migrowała przez roje wałów przed erupcjami powierzchniowymi (7). Alternatywnie, pozorna rozbieżność między początkiem CRBG i MMCO może wskazywać, że te dwa wydarzenia nie są powiązane. Niezależnie od tego, minimum δ18O wydaje się być zbieżne z erupcją bazaltu Grande Ronde, co sugeruje, że związek może istnieć. Zanim będzie można stwierdzić, czy CRBG spowodował MMCO, konieczne są dalsze prace, które udoskonalą modele wiekowe dla zapisów przybliżonych dla klimatu w całym MMCO i zbadają tempo erupcji CRBG. Podczas gdy nasza praca ogranicza wiek górnej części chronionego C5Cr, nie ma jeszcze bezwzględnych ograniczeń wiekowych ani dla dolnej części C5Cr, ani dla początku MMCO. Ponieważ zapis dla U1335 ma astronomiczny model wieku ograniczony przez korelacje izotopowe ze stanowiskiem U1337 (37, 42) i nie ma bezwzględnego wieku określającego podstawę chron C5Cr, można by zaobserwować ściślejszą korelację CRBG i MMCO, zwłaszcza jeśli chron rozpoczął się później niż się obecnie proponuje. Te niepewności co do czasu odwrócenia pola magnetycznego i początku MMCO muszą zostać rozwiązane, aby lepiej ocenić, czy CRBG odegrał rolę sprawczą w MMCO.

Pomimo niepewności obecnych w modelach wieku środkowego miocenu, globalne dane proxy (47) wskazują, że MMCO trwała przez >1 Ma po ustaniu większości wulkanizmu CRBG (Fig. 5). Opóźnienie czasowe między ustaniem wulkanizmu a powrotem do chłodniejszych warunków klimatycznych może być rozumiane jako konsekwencja długiego czasu reakcji ujemnych sprzężeń zwrotnych w globalnym cyklu węglowym, które regulują atmosferyczny CO2 i temperaturę Ziemi w geologicznych skalach czasowych. Te sprzężenia zwrotne obejmują interakcje między temperaturą, chemicznym wietrzeniem kontynentalnych minerałów krzemianowych i zakopywaniem CO2 w morskich osadach węglanowych (48). Podczas gdy czułość sprzężenia zwrotnego związanego z wietrzeniem krzemianów pozostaje słabo poznana, ostatnie szacunki dotyczące czasów odpowiedzi wahają się od ~200 do 500 ka (49) i są zgodne ze stabilizacją atmosferycznego CO2 (czyli powrotem do warunków wyjściowych) w skali czasowej ~1 miliona lat.

Nasz model wiekowy wynoszenia CRBG skraca czas trwania wulkanizmu z 1,9 Ma (4) do 750 ka i koreluje początek wulkanizmu CRBG z początkiem MMCO w granicach ~100 ka. Krótszy czas trwania wulkanizmu CRBG implikuje wyższe średnie emisje CO2 i wyższe szczytowe stężenia CO2 podczas wulkanizmu, co należy porównać z morskimi zapisami proksemicznymi. Jednakże obecne zapisy proksymów dla atmosferycznego CO2 podczas MMCO są zbyt zgrubne, by można je było porównać z erupcyjną historią CRBG, co dodatkowo ogranicza możliwość oceny, czy CRBG spowodował MMCO, czy też nie. Co więcej, ustalenie ilościowego związku między wulkanizmem CRBG a zmianami w globalnym cyklu węglowym i atmosferycznym CO2 jest utrudnione przez niepewność co do ilości CO2 emitowanego przez bazalty powodziowe z rozpuszczonego węgla z płaszcza, a także ze źródeł „kryptycznych”, takich jak osady organiczne lub nieorganiczne wyemitowane w wyniku kontaktu z przepływami bazaltowymi lub żużlami (7). Armstrong McKay et al. (7), używając czasu trwania erupcji głównej fazy CRBG 900 ka, modelują, że 4090 do 5670 Pg wyemitowanego węgla może przynieść obserwowane zmiany w bentosowym δ13C i atmosferycznym CO2, chociaż ta ilość zawiera znaczny składnik kryptycznego odgazowania poza oczekiwanym lotnym uwalnianiem subaerialnych przepływów bazaltowych. Przyszłe badania powinny skupić się na dalszej rewizji skali czasowej środkowego miocenu oraz na wysokiej rozdzielczości zapisie proxy klimatycznego obejmującego 700-ka czasu trwania wulkanizmu CRBG w celu zbadania zakresu, w jakim czas wulkanizmu CRBG zgadza się ze zmianami w atmosferycznym CO2. Takie badania doprowadzą do lepszego zrozumienia MMCO i bardziej ogólnych modeli łączących wulkanizm ze zmianami klimatycznymi i mogą być kluczowe dla zrozumienia, dlaczego niektóre bazalty powodziowe najwyraźniej powodują masowe wymierania, a inne nie.

.