DISKUSSION
Unser Altersmodell liefert quantitative Einschränkungen, die jedes geologische oder geodynamische Modell für CRBG-Vulkanismus erfüllen muss. Insbesondere muss der Mechanismus übereinstimmen mit (i) einer Eruptionsdauer von ~750 ka von 16,65 bis 15,90 Ma; (ii) einer durchschnittlichen Effusionsrate von 0,334 ± 0.042 km3/Jahr, mit Impulsen von >>1 km3/Jahr; (iii) gleichzeitige Eruptionen am Steens Mountain und in den 300 km entfernten Imnaha-Basaltschloten; und (iv) eine durchschnittliche lineare geografische Ausbreitungsrate der Eruption von 0,37 ± 0,08 m/Jahr nach Norden, angesichts der Entfernungen zwischen den Schloten, aus denen Imnaha- und Wanapum-Eruptionen stammen. Diese Kriterien allein reichen derzeit möglicherweise nicht aus, um einen Mantelplume oder einen subduktionsbedingten Ursprung des CRBG festzustellen, die beide das Auftreten von Eruptionen in diesem Zeitrahmen ermöglichen (13, 34). Die geographische Ausbreitungsrate von 0,37 ± 0,08 m/Jahr für den CRB-Vulkanismus ist ebenfalls mit beiden Modellen vereinbar: Ein kleiner Plumekopf wurde mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von 0,2 bis 0,3 m/Jahr modelliert (35), während der vorgeschlagene Plattenriss mit 0,45 m/Jahr modelliert wurde (13). Diese Ausbreitungsgeschwindigkeit in Richtung Norden ist etwa dreimal so hoch wie die für die Deichschwärme McDermitt und High Rock berechneten Werte (0,12 bzw. 0,14 m/Jahr) (36), was zeigt, dass die potenzielle radiale Ausbreitung vom Steens Mountain aus nicht mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgt. Weitere Modellierungen mit unseren neuen quantitativen Einschränkungen sind erforderlich, um den Prozess besser zu verstehen, der die Eruption des CRBG ermöglichte.
Die Bestimmung des relativen Zeitpunkts des CRBG-Vulkanismus und des MMCO erfordert unabhängige Chronologien, die gleichermaßen präzise sind. Das frühe und mittlere Miozän ist jedoch eine der problematischsten Perioden im Neogen, wenn es um die Erstellung präziser unabhängiger Chronologien in marinen Sedimenten geht, da es schwierig ist, ungestörte stratigraphische Abschnitte zu erhalten, die eine zuverlässige Magnetostratigraphie, Biostratigraphie, astronomische Abstimmung und radiometrische Altersbestimmungen ermöglichen (20). Alle für das Mittel-Miozän vorgeschlagenen Zeitskalen hängen direkt oder indirekt von der Korrelation mit der GPTS ab, für die es derzeit mehrere Vorschläge gibt, der jüngste ist die Geologische Zeitskala (GTS) 2012 (20). Die GTS 2012 wurde aus den Anomalieprofilen des Meeresbodens der antarktischen und australischen Platte abgeleitet und unter der Annahme einer relativ konstanten Spreizungsrate auf ein Alter von 23,03 Ma für die Grenze zwischen Oligozän und Miozän abgestimmt (20). GTS 2012 lehnte eine astronomisch abgestimmte Aufzeichnung von δ18O und Magnetostratigraphie aus dem mittleren Miozän von der ODP (Ocean Drilling Program)-Stelle 1090 im subantarktischen Südatlantik ab, deren Aufzeichnung sich von der Oligozän-Miozän-Grenze bis ~15,9 Ma erstreckt, weil die abgestimmte Aufzeichnung Altersangaben für chronische Grenzen liefert, die nicht der Annahme konstanter Spreizungsraten des Meeresbodens im Pazifik entsprechen (20). Das jüngste Altersmodell für das CRBG (4) versucht, die 40Ar/39Ar-Geochronologie mit der GTS 2012 in Einklang zu bringen. Das daraus resultierende Altersmodell stimmt jedoch nicht mit der bestehenden GPTS überein und muss verfeinert werden (Abb. 4).
Die U-Pb-Geochronologie schlägt eine Zeitlinie der Eruption für jede Formation (aus Abb. 3) sowie eine revidierte GPTS vor, die mit der Magnetostratigraphie des CRBG übereinstimmt. Diese werden mit der aus der 40Ar/39Ar-Geochronologie (4) und verschiedenen GPTS-Kalibrierungen (20, 37, 46) abgeleiteten Eruptionschronologie verglichen. In Anbetracht der magnetischen Polarität verschiedener stratigraphischer Glieder bestimmt die U-Pb-Geochronologie das Alter von vier verschiedenen Zeitgrenzen (gerade Linien), die mit Pfeilen und Altersangaben mit internen und Zerfallskonstanten-Unsicherheiten gekennzeichnet sind. Geschätzte chronologische Grenzen werden mit Zickzacklinien dargestellt und sind noch nicht durch die Geochronologie gesichert. Hellere Farbtöne in der stratigraphischen Spalte stellen Intervalle mit umgekehrter Polarität in der CRBG-Magnetostratigraphie dar, die auch durch die angrenzende Umkehrstratigraphie rechts von jedem CRBG-Altersmodell angezeigt werden. Sterne kennzeichnen das jüngste Zirkonalter, das für jede Probe in der Studie ermittelt wurde, und Buchstaben bezeichnen jede Formation (S, Steens Basalt; I, Imnaha Basalt; GR, Grande Ronde Basalt; W, Wanapum Basalt). Die blaue Raute stellt das Alter der Steens-Umkehr dar, das von Mahood und Benson (21) ermittelt und mit dem Fish Canyon Sanidine-Alter von Kuiper et al. (22) neu berechnet wurde und 16,603 ± 0,028/0,36 Ma beträgt, was mit unseren Ergebnissen übereinstimmt.
Unser neues Altersmodell für den CRBG ermöglicht eine robustere Korrelation der CRBG-Magnetostratigraphie mit bestehenden Vorschlägen für die GPTS (Abb. 4). Allerdings zeigt diese Untersuchung auch, dass einige frühere Vorschläge für die GPTS, einschließlich der GTS 2012, fehlerhaft sind. So sieht das jüngste Altersmodell für das CRBG vor, dass der Imnaha-Basalt, der vollständig normal polarisiert ist, mehrere magnetische Umkehrungen durchlaufen hat und daher nicht zulässig ist. In ähnlicher Weise ordnet das bestehende Altersmodell den Grande-Ronde-Basalt, der zwei umgekehrte und zwei normale Intervalle aufweist, in eine einzige normale Chronologie ein. Im Vergleich dazu brach der Imnaha-Basalt in der von uns vorgeschlagenen Korrelation, die in Abb. 4 dargestellt ist, vollständig während des Zeitraums C5Cn.3n aus, während der Grande Ronde-Basalt während der Zeiträume C5Cn.2r-C5Cn.1n ausbrach, was mit der beobachteten Magnetostratigraphie in den Basalten übereinstimmt.
Unter Verwendung dieser Basiskorrelation mit der GPTS können wir vier vorgeschlagene Umkehralter verfeinern (Abb. 4). Unsere Zeitalter im Oberen und Unteren Steens klammern die „Steens-Umkehr“ ein (zwischen den Magnetozonen R0 und N0 und den Chren C5Cr und C5Cn.3n), die konservativ auf 16,637 ± 0,079/0,089 Ma (95 % Konfidenzintervalle für die interne Unsicherheit/Zerfallskonstantenunsicherheit angegeben) eingegrenzt werden kann. Diese Schätzung stimmt gut mit der Schätzung von 16,603 ± 0,028/0,36 Ma überein, die durch die jüngste 40Ar/39Ar-Sanidin-Geochronologie erhalten wurde (21). Unsere Proben von der Basis und dem oberen Teil des Wapshilla Ridge Member schränken den Zeitpunkt ein und liefern eine Mindestdauer für C5Cn.1r, die nicht später als 16,288 ± 0,039/0,046 Ma beginnt und nicht früher als 16,210 ± 0,043/0,047 Ma endet, da das Wapshilla Ridge Member den größten Teil des Volumens der zweiten umgekehrten magnetostratigraphischen Einheit des Grande Ronde Basalt (R2) (31) umfasst. Das Ende von C5Cn.1n (N2) wird durch unser Alter von 15,895 ± 0,019/0,026 Ma für die Spitze des vorübergehend magnetisierten Roza-Members, das unmittelbar über dem normal magnetisierten Frenchman Springs-Member liegt, gut eingegrenzt, insbesondere angesichts früherer Schätzungen, dass das Roza-Member in nur 14 Jahren ausgebrochen ist (29). Unsere anfänglichen Daten lassen keine signifikanten Lücken in den Eruptionen erkennen – zwischen zwei unserer Proben vergehen nicht mehr als ~200 ka, während derer bekanntermaßen Vulkanismus stattfand, obwohl wir keine Zirkondaten aus diesen Intervallen präsentieren (Abb. S3). Daher kann die hochpräzise Geochronologie verwendet werden, um das Alter der magnetisch charakterisierten CRB-Ströme zu bestimmen und die Aufzeichnung der Magnetfeldumkehrungen im mittleren Miozän weiter zu verfeinern. Das von uns vorgeschlagene GPTS stimmt auch mit dem astronomisch abgeleiteten Altersmodell für die Magnetfeldumkehr-Stratigraphie an der IODP (Integrated Ocean Drilling Program)-Stelle U1335 im äquatorialen Pazifik (Abb. 4) (37) überein, was auf eine unabhängige Überprüfung unseres vorgeschlagenen Altersmodells für das GPTS hinweist.
Angesichts der oben beschriebenen Unstimmigkeiten für das GPTS erfordert der Nachweis einer Verbindung zwischen dem Ausbruch des CRBG und dem MMCO eine sorgfältige Bewertung der Altersmodelle, die zur Entwicklung von Proxy-Aufzeichnungen im MMCO verwendet wurden. So zeigt beispielsweise der δ11B-Proxy-Datensatz für pco2 an der ODP-Stelle 761, dass das atmosphärische CO2 um 16,5 Ma zunimmt (8), was gut mit dem von uns vorgeschlagenen Zeitpunkt des Beginns des voluminösen Grande-Ronde-Basalt-Vulkanismus übereinstimmt. Das Altersmodell für die Fundstelle 761 (38) hängt jedoch von biostratigraphischen (39) oder isotopischen Ereignissen (40) ab, die mit Kalibrierungen der GPTS (41) verbunden sind, die sich als ungenau erwiesen haben. Neuere Arbeiten, die die δ13C- und δ18O-Aufzeichnungen der IODP-Stelle U1337 beschreiben, identifizieren den Beginn des MMCO bei 16,9 Ma (42), was unserem Zeitplan für alle CRBG-Eruptionen vorausgeht. Diese Fundstelle verfügt über ein Altersmodell, das aus einer astronomischen Lösung (43) ohne radiometrische Alterskontrolle oder Magnetostratigraphie abgeleitet wurde, was die gewählten isotopischen Anknüpfungspunkte, die zur Kalibrierung der Abstimmung verwendet wurden, subjektiv macht (44) und die Korrelation mit unserer eruptiven Aufzeichnung erschwert.
Eine Möglichkeit besteht darin, Proxy-Aufzeichnungen von Fundstellen zu verwenden, die eine zuverlässige Magnetostratigraphie enthalten (37, 45). Die benthischen δ18O-Werte – ein Näherungswert für die Temperatur in der Tiefsee – von den Fundstellen 1090 (46) und U1335 (37) (Abb. 5) deuten darauf hin, dass der Rückgang der δ18O-Werte in der Zeit begann, die als C5Cr interpretiert wird, und einen Tiefpunkt (den MMCO) während C5Cn.3n-C5Cn.1r erreichte. Obwohl es derzeit schwierig ist, die Identifizierung von C5Cr an der Fundstelle 1090 zu validieren, da es zu Lücken in der Aufzeichnung kommen kann, wird sie durch das astronomische Modell von U1335 bestätigt und als derselbe Zeitraum interpretiert, in dem die CRB-Eruptionen mit dem Lower Steens Basalt begannen. Obwohl der absolute Zeitpunkt des Beginns der MMCO durch unsere Daten nicht bestätigt werden kann, zeigt die astronomisch abgestimmte Aufzeichnung von U1335 im Vergleich zu unserer Geochronologie, dass die Abnahme von δ18O der Eruption der Steens-Basalt-Lavaströme um 100 bis 200 ka vorausging. Der CRBG-Vulkanismus könnte eine Rolle bei der Auslösung der globalen Erwärmung durch kryptische Entgasung von CO2 gespielt haben, als das Magma vor den Eruptionen an der Oberfläche durch Deichschwärme wanderte (7). Alternativ könnte die offensichtliche Diskrepanz zwischen dem Beginn des CRBG und des MMCO darauf hindeuten, dass die beiden Ereignisse nicht miteinander verbunden sind. Unabhängig davon scheint das δ18O-Minimum zeitgleich mit der Eruption des Grande-Ronde-Basalts aufzutreten, was darauf hindeutet, dass eine Verbindung bestehen könnte. Weitere Arbeiten zur Verfeinerung von Altersmodellen für Klima-Proxy-Datensätze während des MMCO und zur Untersuchung der Ausbruchsraten des CRBG sind erforderlich, bevor festgestellt werden kann, ob der CRBG das MMCO verursacht hat. Während unsere Arbeit das Alter des oberen Teils von chron C5Cr eingrenzt, gibt es noch keine absoluten Altersangaben für den unteren Teil von C5Cr oder für den Beginn des MMCO. Da der Datensatz für U1335 ein astronomisches Altersmodell hat, das durch isotopische Korrelationen mit der Fundstelle U1337 (37, 42) eingeschränkt ist, und kein absolutes Alter hat, das die Basis von chron C5Cr definiert, könnte eine engere Korrelation von CRBG und MMCO beobachtet werden, vor allem, wenn das chron später begann, als derzeit angenommen wird. Diese Unsicherheiten hinsichtlich des Zeitpunkts dieser Magnetfeldumkehr und des Beginns der MMCO müssen geklärt werden, um besser beurteilen zu können, ob die CRBG eine ursächliche Rolle bei der MMCO gespielt hat.
(A) Eine Zusammenstellung von Proxy-Datensätzen, die die MMCO zeigen (47), mit Altersbeschränkungen, wie in jeder Studie angegeben. Obwohl die Altersangaben auf der Zeitskala des Mittel-Miozäns mit Unsicherheiten behaftet sind, ist die Größe der Isotopensignale davon nicht betroffen. (B) Um die Ergebnisse der Zirkon-Geochronologie für CRBG-Ausbrüche mit den Paläoklima-Proxy-Aufzeichnungen des MMCO zu vergleichen, müssen Altersmodelle umgangen werden, die an veraltete Kalibrierungen der GPTS gebunden sind. Die robuste Magnetostratigraphie der Fundstellen 1090 (45, 46) und U1335 (37) ermöglicht die Korrelation dieser Isotopenaufzeichnungen mit unserer CRBG-Eruptionschronologie und der verfeinerten GPTS. Die Fläche jedes farbigen Rechtecks entspricht dem Volumen der jeweiligen Formation (1) (S, Steens-Basalt; I, Imnaha-Basalt; GR, Grande Ronde-Basalt; W, Wanapum-Basalt), wobei die Breite durch Zirkonalter bestimmt wird (die schräge Grenze zeigt an, dass der Beginn des Steens-Basalt-Vulkanismus noch nicht bestimmt ist); die Polarität der Basaltströme ist Reidel (1) und den darin enthaltenen Referenzen entnommen. Die gelbe Schattierung vergleicht globale Proxydaten bei 17 bis 16 Ma (ohne ein auf absoluter Geochronologie basierendes Altersmodell) mit vulkanischen Ereignissen bei 17 bis 16 Ma, während die hellblaue Schattierung den Beginn des MMCO in beiden Aufzeichnungen mit dem Abfall von δ18O hervorhebt.
Trotz der Unsicherheiten in den Altersmodellen für das mittlere Miozän deuten die globalen Proxydaten (47) darauf hin, dass die MMCO für >1 Ma nach dem Ende des größten Teils des CRBG-Vulkanismus anhielt (Abb. 5). Die zeitliche Verzögerung zwischen dem Ende des Vulkanismus und der Rückkehr zu kühleren Klimabedingungen könnte als Folge der langen Reaktionszeit negativer Rückkopplungen innerhalb des globalen Kohlenstoffkreislaufs verstanden werden, die das atmosphärische CO2 und die Temperatur der Erde auf geologischen Zeitskalen regulieren. Zu diesen Rückkopplungen gehören Wechselwirkungen zwischen der Temperatur, der chemischen Verwitterung kontinentaler Silikatminerale und der Einlagerung von CO2 in marinen Karbonatsedimenten (48). Während die Empfindlichkeit der Silikatverwitterungs-Rückkopplung nach wie vor schlecht verstanden wird, variieren die jüngsten Schätzungen für die Reaktionszeiten von ~200 bis 500 ka (49) und stehen im Einklang mit der Stabilisierung des atmosphärischen CO2 (d. h. der Rückkehr zu den Ausgangsbedingungen) auf Zeitskalen von ~1 Million Jahren.
Unser Altersmodell der CRBG-Entstehung verkürzt die Dauer des Vulkanismus von 1,9 Ma (4) auf 750 ka und korreliert den Beginn des CRBG-Vulkanismus und den Beginn der MMCO auf ~100 ka. Eine kürzere Dauer des CRBG-Vulkanismus impliziert höhere durchschnittliche CO2-Emissionen und höhere CO2-Spitzenkonzentrationen während des Vulkanismus, die mit den marinen Proxy-Aufzeichnungen zu vergleichen sind. Die derzeitigen Proxy-Daten für atmosphärisches CO2 während des MMCO sind jedoch zu grob für einen genauen Vergleich mit der Eruptionsgeschichte des CRBG, was die Beurteilung der Frage, ob der CRBG das MMCO verursacht hat oder nicht, weiter erschwert. Darüber hinaus wird die Herstellung eines quantitativen Zusammenhangs zwischen dem Vulkanismus des CRBG und den Veränderungen im globalen Kohlenstoffkreislauf und dem atmosphärischen CO2 durch Unsicherheiten in Bezug auf die CO2-Menge erschwert, die von Flutbasalten aus gelöstem Mantelkohlenstoff sowie aus „kryptischen“ Quellen wie organischen oder anorganischen Sedimenten emittiert wird, die sich durch den Kontakt mit basaltischen Strömen oder Schwellen verflüchtigen (7). Armstrong McKay et al. (7) modellieren unter Verwendung einer CRBG-Hauptausbruchsdauer von 900 ka, dass 4090 bis 5670 Pg emittierten Kohlenstoffs die beobachteten Veränderungen des benthischen δ13C und des atmosphärischen CO2 ergeben können, obwohl diese Menge eine wesentliche Komponente kryptischer Entgasung über die erwartete flüchtige Freisetzung subaerischer Basaltströme hinaus enthält. Zukünftige Studien sollten sich auf eine weitere Revision der Zeitskala des mittleren Miozäns und eine hochauflösende Klimaproxy-Aufzeichnung konzentrieren, die die 700-ka-Dauer des CRBG-Vulkanismus abdeckt, um zu untersuchen, inwieweit der Zeitpunkt des CRBG-Vulkanismus mit den Veränderungen des atmosphärischen CO2 übereinstimmt. Solche Studien werden zu einem besseren Verständnis des MMCO und zu allgemeineren Modellen führen, die den Vulkanismus mit dem Klimawandel in Verbindung bringen, und könnten entscheidend sein, um zu verstehen, warum einige Flutbasalte offenbar zu Massenaussterben führen und andere nicht.