Erupția rapidă a bazaltului de inundație al fluviului Columbia și corelația cu optimul climatic de la mijlocul Miocenului

DISCUȚII

Modelul nostru de vârstă oferă constrângeri cantitative care trebuie să fie îndeplinite de orice model geologic sau geodinamic pentru vulcanismul CRBG. În special, mecanismul trebuie să fie în concordanță cu: (i) durata erupției de ~750 ka de la 16,65 la 15,90 Ma; (ii) o rată medie de efuziune de 0,334 ± 0,334 ± 0.042 km3/an, cu impulsuri de >>1 km3/an; (iii) erupții simultane la Steens Mountain și în gurile de vărsare din bazaltul Imnaha, la 300 km distanță; și (iv) o rată medie de propagare geografică liniară liniară a erupției de 0,37 ± 0,08 m/an spre nord, având în vedere distanțele dintre gurile de vărsare care alimentează Imnaha prin erupțiile Wanapum. Este posibil ca aceste criterii singure să fie în prezent insuficiente pentru a identifica o coloană de manta sau o origine a CRBG legată de subducție, ambele permițând erupții în acest interval de timp (13, 34). Rata de propagare geografică de 0,37 ± 0,08 m/an pentru vulcanismul CRB este, de asemenea, compatibilă cu oricare dintre modele: Un mic cap de penaj a fost modelat să se răspândească cu 0,2 până la 0,3 m/an (35), în timp ce ruptura de placă propusă este modelată să se propage cu 0,45 m/an (13). Această rată de propagare spre nord este de aproximativ trei ori mai rapidă decât cele calculate pentru roiurile de diguri McDermitt și High Rock care se propagă la sud de Steens Mountain (0,12 și, respectiv, 0,14 m/an) (36), ceea ce arată că potențiala propagare radială de la Steens Mountain nu a avut loc cu aceeași viteză radială. Este necesară o modelare suplimentară cu noile noastre constrângeri cantitative pentru a înțelege mai bine procesul care a permis erupția CRBG.

Determinarea momentului relativ al vulcanismului CRBG și al MMCO necesită cronologii independente care sunt la fel de precise. Cu toate acestea, începutul și mijlocul Miocenului este una dintre cele mai problematice perioade din Neogen pentru stabilirea unor cronologii independente precise în sedimentele marine, din cauza dificultății de a obține secțiuni stratigrafice nedisturbate care să producă magnetostratigrafie, biostratigrafie, acordaj astronomic și vârste radiometrice fiabile (20). Toate scalele de timp propuse pentru mijlocul Miocenului depind direct sau indirect de corelația cu GPTS, pentru care există în prezent mai multe propuneri, cea mai recentă fiind Geologic Time Scale (GTS) 2012 (20). GTS 2012 a fost derivată din profilurile anomaliilor de pe fundul mării ale plăcilor antarctică și australiană și, presupunând o rată de răspândire relativ constantă, a fost ajustată pentru a da o vârstă de 23,03-Ma pentru granița Oligocen-Miocen (20). GTS 2012 a respins o înregistrare ajustată din punct de vedere astronomic a δ18O și magnetostratigrafiei de la situl ODP (Ocean Drilling Program) 1090 din Atlanticul de Sud subantarctic, a cărui înregistrare se întinde de la granița Oligocen-Miocen până la ~15,9 Ma, deoarece înregistrarea ajustată oferă vârste pentru granițele cron care nu respectă ipoteza unor rate constante de răspândire a fundului mării în Pacific (20). Cel mai recent model de vârstă pentru CRBG (4) încearcă să reconcilieze geocronologia 40Ar/39Ar cu GTS 2012. Cu toate acestea, modelul de vârstă rezultat nu este în concordanță cu GPTS existent și are nevoie de rafinare (Fig. 4).

Noul nostru model de vârstă pentru CRBG permite o corelație mai robustă a magnetostratigrafiei CRBG cu propunerile existente pentru GPTS (Fig. 4). Cu toate acestea, acest exercițiu indică, de asemenea, că unele propuneri anterioare pentru GPTS, inclusiv GTS 2012, sunt eronate. De exemplu, cel mai recent model de vârstă pentru CRBG are bazaltul Imnaha, care este în întregime polarizat normal, care a erupt prin mai multe inversări magnetice și, prin urmare, nu este admisibil. În mod similar, modelul de vârstă existent plasează bazaltul Grande Ronde, care înregistrează două intervale inversate și două normale, în cadrul unui singur cron normal. Prin comparație, în corelația propusă de noi, ilustrată în Fig. 4, bazaltul Imnaha a erupt în întregime în timpul cron C5Cn.3n, în timp ce bazaltul Grand Ronde a erupt în timpul C5Cn.2r-C5Cn.1n, în concordanță cu magnetostratigrafia observată în bazalte.

Utilizând această corelație de bază cu GPTS, putem rafina patru vârste de inversare propuse (Fig. 4). Vârstele noastre din Steens Superior și Inferior cuprind „Inversiunea Steens” (între magnetozonele R0 și N0, și chronii C5Cr și C5Cn.3n), care poate fi constrânsă în mod conservator la 16,637 ± 0,079/0,089 Ma (intervale de încredere de 95% date pentru incertitudinea internă/incertitudinea constantei de dezintegrare). Această estimare se compară favorabil cu estimarea de 16,603 ± 0,028/0,36 Ma obținută prin geocronologia recentă a sanidinei 40Ar/39Ar (21). Eșantioanele noastre de la baza și partea superioară a membrului Wapshilla Ridge Member constrâng momentul și oferă o durată minimă pentru C5Cn.1r, pentru a începe nu mai târziu de 16,288 ± 0,039/0,046 Ma și pentru a se termina nu mai devreme de 16,210 ± 0,043/0,047 Ma, deoarece membrul Wapshilla Ridge Member cuprinde majoritatea volumului celei de-a doua unități magnetostratigrafice inversate a bazaltului Grande Ronde (R2) (31). Sfârșitul C5Cn.1n (N2) este bine constrâns de vârsta noastră de 15,895 ± 0,019/0,026 Ma pentru vârful membrului Roza magnetizat tranzitoriu, care se află imediat deasupra membrului Frenchman Springs magnetizat în mod normal, mai ales având în vedere estimările anterioare conform cărora membrul Roza a erupt în doar 14 ani (29). Datele noastre inițiale nu identifică hiatusuri semnificative în erupții – nu trec mai mult de ~200 ka între oricare două dintre eșantioanele noastre, timp în care se știe că vulcanismul este în curs de desfășurare, deși nu prezentăm date de zirconiu din aceste intervale (fig. S3). Prin urmare, geocronologia de înaltă precizie poate fi utilizată pentru a lega vârstele fluxurilor CRB caracterizate magnetic și pentru a rafina în continuare înregistrarea inversărilor câmpului magnetic din mijlocul Miocenului. GPTS propus de noi este, de asemenea, în concordanță cu modelul de vârstă derivat astronomic pentru stratigrafia de inversiune magnetică de la situl U1335 al IODP (Integrated Ocean Drilling Program) din Pacificul ecuatorial (fig. 4) (37), indicând o verificare independentă pentru modelul de vârstă propus de noi pentru GPTS.

Datorită neconcordanțelor descrise mai sus pentru GPTS, demonstrarea unei legături între erupția CRBG și MMCO necesită o evaluare atentă a modelelor de vârstă utilizate pentru a dezvolta înregistrări proxy în întreaga MMCO. De exemplu, înregistrarea proxy δ11B pentru pco2 de la situl ODP 761 indică faptul că CO2 atmosferic crește la 16,5 Ma (8), ceea ce concordă bine cu momentul sugerat de noi pentru debutul vulcanismului voluminos al bazaltului Grande Ronde Basalt. Cu toate acestea, modelul de vârstă pentru situl 761 (38) depinde de evenimente biostratigrafice (39) sau izotopice (40) legate de calibrări ale GPTS (41) despre care am arătat că sunt inexacte. Lucrările recente care descriu înregistrările δ13C și δ18O din situl IODP U1337 identifică debutul MMCO la 16,9 Ma (42), care precede calendarul nostru pentru toate erupțiile CRBG. Acest sit are un model de vârstă derivat dintr-o soluție astronomică (43) fără un control radiometric al vârstei sau o magnetostratigrafie, adăugând astfel subiectivitate la punctele de legătură izotopice alese folosite pentru a calibra reglajul (44) și făcând dificilă corelarea cu înregistrarea noastră eruptivă.

O cale de urmat este utilizarea înregistrărilor proxy din situri care conțin magnetostratigrafie fiabilă (37, 45). Valorile δ18O bentonice – un proxy pentru temperatura din adâncul oceanului – din siturile 1090 (46) și U1335 (37) (Fig. 5) indică faptul că declinul valorilor δ18O a început în timpul a ceea ce este interpretat ca fiind C5Cr, atingând un nadir (MMCO) în timpul C5Cn.3n-C5Cn.1r. Deși în prezent este dificil de validat identificarea C5Cr din situl 1090, având în vedere potențialul de hiatusuri în înregistrare, acesta este coroborat de modelul astronomic din U1335 și este interpretat ca fiind același cron în care au început erupțiile CRB cu Basaltul Steens inferior. Deși momentul absolut al debutului MMCO nu poate fi confirmat de datele noastre, înregistrarea ajustată astronomic din U1335 în comparație cu geocronologia noastră arată că scăderea δ18O a precedat erupția fluxurilor de lavă din bazaltul Steens cu 100 până la 200 ka. Este posibil ca vulcanismul CRBG să fi jucat un rol în declanșarea încălzirii globale prin degazarea criptică a CO2 pe măsură ce magma a migrat prin roiurile de diguri înainte de erupțiile de suprafață (7). Alternativ, nepotrivirea aparentă dintre debutul CRBG și MMCO poate indica faptul că cele două evenimente nu au legătură între ele. În orice caz, minimul δ18O pare a fi coerent cu erupția bazaltului Grande Ronde, sugerând că ar putea exista o legătură. Înainte de a se putea stabili dacă CRBG a cauzat MMCO, sunt necesare lucrări suplimentare care să rafineze modelele de vârstă pentru înregistrările proxy climatice din MMCO și să investigheze ratele de erupție pentru CRBG. În timp ce munca noastră constrânge vârsta părții superioare a cron C5Cr, nu există încă constrângeri absolute de vârstă nici pentru partea inferioară a C5Cr, nici pentru debutul MMCO. Deoarece înregistrarea pentru U1335 are un model de vârstă astronomică constrâns de corelațiile izotopice cu situl U1337 (37, 42) și nu are o vârstă absolută care să definească baza cron C5Cr, ar putea fi observată o corelație mai strânsă a CRBG și MMCO, în special dacă cron a început mai târziu în timp decât se propune în prezent. Aceste incertitudini în ceea ce privește momentul acestei inversări a câmpului magnetic și începutul MMCO trebuie să fie rezolvate pentru a evalua mai bine dacă CRBG a jucat un rol cauzal în MMCO.

În ciuda incertitudinilor prezente în modelele de vârstă din mijlocul Miocenului, datele proxy globale (47) indică faptul că MMCO a continuat timp de >1 Ma după încetarea majorității vulcanismului CRBG (Fig. 5). Decalajul de timp dintre încetarea vulcanismului și revenirea la condiții climatice mai reci ar putea fi înțeles ca o consecință a timpului lung de răspuns al reacțiilor negative din cadrul ciclului global al carbonului care reglează CO2 atmosferic și temperatura Pământului pe scări de timp geologic. Aceste reacții includ interacțiuni între temperatură, alterarea chimică a mineralelor silicatice continentale și îngroparea CO2 în sedimentele carbonatice marine (48). În timp ce sensibilitatea retroacțiunii de alterare a silicatului rămâne slab înțeleasă, estimările recente ale timpilor de răspuns variază de la ~200 la 500 ka (49) și sunt în concordanță cu stabilizarea CO2 atmosferic (adică revenirea la condițiile de bază) pe scări de timp de ~1 milion de ani.

Modelul nostru de vârstă al amplasării CRBG scurtează durata vulcanismului de la 1,9 Ma (4) la 750 ka și corelează debutul vulcanismului CRBG și debutul MMCO la un interval de ~100 ka. O durată mai scurtă a vulcanismului CRBG implică emisii medii de CO2 mai mari și concentrații maxime de CO2 mai mari în timpul vulcanismului, care trebuie comparate cu înregistrările proxy marine. Cu toate acestea, înregistrările proxy actuale pentru CO2 atmosferic în timpul MMCO sunt prea grosiere pentru o comparație strânsă cu istoria eruptivă a CRBG, inhibând și mai mult capacitatea de a evalua dacă CRBG a cauzat sau nu MMCO. Mai mult, stabilirea unei legături cantitative între vulcanismul CRBG și schimbările în ciclul global al carbonului și CO2 atmosferic este îngreunată de incertitudinile privind cantitatea de CO2 emisă de bazaltele de inundație din carbonul dizolvat din manta, în plus față de sursele „criptice”, cum ar fi sedimentele organice sau anorganice volatilizate prin contactul cu fluxurile sau pragurile bazaltice (7). Armstrong McKay et al. (7), folosind o durată eruptivă a fazei principale a CRBG de 900 ka, modelează că 4090 până la 5670 Pg de carbon emis pot produce schimbările observate în δ13C bentice și CO2 atmosferic, deși această cantitate include o componentă substanțială de degazare criptică dincolo de eliberarea volatilă așteptată a fluxurilor bazaltice subaeriene. Studiile viitoare ar trebui să se concentreze pe o revizuire suplimentară a scării temporale din mijlocul medio-Miocenului și pe o înregistrare de înaltă rezoluție a proxy-ului climatic care să acopere durata de 700 de ani a vulcanismului CRBG pentru a explora măsura în care momentul vulcanismului CRBG este în concordanță cu schimbările în CO2 atmosferic. Astfel de studii vor duce la o mai bună înțelegere a MMCO și a unor modele mai generale care leagă vulcanismul de schimbările climatice și ar putea fi cruciale pentru a înțelege de ce unele bazalte de inundație par să ducă la extincții în masă, iar altele nu.

.