Snabbt utbrott av Columbia River-flödesbasalten och korrelation med det optimala klimatet i mitten av miocen

DISCUSSION

Vår åldersmodell ger oss kvantitativa begränsningar som måste uppfyllas av alla geologiska och geodynamiska modeller för CRBG-vulkanism. 042 km3/år, med pulser på >>1 km3/år, (iii) samtidiga utbrott vid Steens Mountain och i Imnahabasaltskällorna 300 km bort, och (iv) en genomsnittlig linjär geografisk utbredningshastighet för utbrottet på 0,37 ± 0,08 m/år mot norr, med tanke på avstånden mellan de källor som ger upphov till Imnaha- och Wanapum-utbrotten. Dessa kriterier kan i sig vara otillräckliga för närvarande för att ge fingeravtryck av en mantelplym eller ett subduktionsrelaterat ursprung för CRBG, som båda gör det möjligt för eruptioner att inträffa under denna tidsram (13, 34). Den geografiska spridningshastigheten på 0,37 ± 0,08 m/år för CRB-vulkanism är också förenlig med båda modellerna: Ett litet plymhuvud har modellerats sprida sig med 0,2-0,3 m/år (35), medan den föreslagna plåtrisken har modellerats sprida sig med 0,45 m/år (13). Denna spridningshastighet norrut är ungefär tre gånger snabbare än de som beräknats för McDermitt- och High Rock-dikesvärmarna som sprider sig söder om Steens Mountain (0,12 respektive 0,14 m/år) (36), vilket visar att den potentiella radiella spridningen från Steens Mountain inte skedde med samma hastighet radiellt. Ytterligare modellering med våra nya kvantitativa begränsningar krävs för att bättre förstå den process som möjliggjorde CRBG-utbrottet.

För att bestämma den relativa tidpunkten för CRBG-vulkanismen och MMCO krävs oberoende kronologier som är lika exakta. Den tidiga och mellersta miocen är dock en av de mest problematiska perioderna i Neogen för att fastställa exakta oberoende kronologier i marina sediment på grund av svårigheten att få fram ostörda stratigrafiska sektioner som ger tillförlitlig magnetostratigrafi, biostratigrafi, astronomisk avstämning och radiometriska åldrar (20). Alla tidsskalor som föreslås för mitten av miocen beror direkt eller indirekt på korrelation med GPTS, för vilken det för närvarande finns flera förslag, varav det senaste är Geologic Time Scale (GTS) 2012 (20). GTS 2012 härleddes från anomaliprofilerna på havsbotten för de antarktiska och australiensiska plattorna och med utgångspunkt i en relativt konstant spridningshastighet som anpassats för att ge en ålder på 23,03-Ma för gränsen mellan Oligocen och Miocen (20). GTS 2012 avvisade en astronomiskt avstämd registrering av δ18O och magnetostratigrafi från mitten av miocen från ODP (Ocean Drilling Program) plats 1090 i den subantarktiska södra Atlanten, vars registrering sträcker sig från gränsen mellan oligocen och miocen till ~15,9 Ma, eftersom den avstämda registreringen ger åldrar för kroniska gränser som inte uppfyller antagandet om en konstant spridningshastighet av havsbottnen i Stilla havet (20). I den senaste åldersmodellen för CRBG (4) försöker man förena 40Ar/39Ar-geokronologin med GTS 2012. Den resulterande åldersmodellen är dock inkonsekvent med den befintliga GPTS och behöver förfinas (fig. 4).

Vår nya åldersmodell för CRBG tillåter en mer robust korrelation mellan CRBG:s magnetostratigrafi och existerande förslag för GPTS (fig. 4). Denna övning visar dock också att vissa tidigare förslag för GPTS, inklusive GTS 2012, är felaktiga. Till exempel har den senaste åldersmodellen för CRBG Imnaha-basalten, som är helt normalt polariserad, ett utbrott genom flera magnetiska omkastningar, vilket inte är tillåtet. På samma sätt placerar den befintliga åldersmodellen Grande Ronde-basalten, som registrerar två omvända och två normala intervaller, inom en enda normal krona. Som jämförelse kan nämnas att i vår föreslagna korrelation som illustreras i fig. 4, så bröt Imnaha-basalten ut helt och hållet under krona C5Cn.3n, medan Grand Ronde-basalten bröt ut under C5Cn.2r-C5Cn.1n, vilket stämmer överens med den observerade magnetostratigrafin i basalterna.

Med hjälp av denna baslinjekorrelation med GPTS kan vi förfina fyra föreslagna omvändningsåldrar (fig. 4). Våra åldrar i övre och nedre Steens sätter ”Steens omvändning” inom parentes (mellan magnetozoner R0 och N0, och kroner C5Cr och C5Cn.3n), som konservativt kan begränsas till 16,637 ± 0,079/0,089 Ma (95 % konfidensintervall anges för intern osäkerhet/osäkerhet om sönderfallskonstanten). Denna uppskattning kan jämföras väl med uppskattningen av 16,603 ± 0,028/0,36 Ma som erhållits genom nyligen genomförd 40Ar/39Ar sanidin-geokronologi (21). Våra prover från basen och toppen av Wapshilla Ridge Member begränsar tidpunkten och ger en minsta varaktighet för C5Cn.1r, som börjar senast 16,288 ± 0,039/0,046 Ma och slutar tidigast 16,210 ± 0,043/0,047 Ma, eftersom Wapshilla Ridge Member omfattar majoriteten av volymen av den andra omvända magnetostratigrafiska enheten i Grande Ronde Basalt (R2) (31). Slutet av C5Cn.1n (N2) begränsas väl av vår ålder på 15,895 ± 0,019/0,026 Ma för toppen av den övergångsmagnetiserade Roza-medlemmen, som omedelbart överlagrar den normalt magnetiserade Frenchman Springs-medlemmen, särskilt med tanke på tidigare uppskattningar om att Roza-medlemmen bröt ut på så lite som 14 år (29). Våra initiala data identifierar inga betydande uppehåll i utbrotten – det går inte mer än ~200 ka mellan två av våra prover, under vilka vulkanism är känd för att vara pågående, även om vi inte presenterar zirkondata från dessa intervaller (fig. S3). Därför kan geokronologi med hög precision användas för att binda åldrarna på magnetiskt karakteriserade CRB-flöden och för att ytterligare förfina dokumentationen av omkastningar av det magnetiska fältet i mitten av miocen. Vår föreslagna GPTS överensstämmer också med den astronomiskt härledda åldersmodellen för den magnetiska omvändningsstratigrafin vid IODP:s (Integrated Ocean Drilling Program) plats U1335 i ekvatoriala Stilla havet (fig. 4) (37), vilket indikerar en oberoende verifiering av vår föreslagna åldersmodell för GPTS.

Med tanke på de inkonsekvenser som beskrivits ovan för GPTS kräver påvisandet av en koppling mellan CRBG:s utbrott och MMCO en noggrann bedömning av de åldersmodeller som används för att utveckla proxyregistreringar över MMCO. Till exempel visar δ11B-proxyregistret för pco2 vid ODP-plats 761 att koldioxid i atmosfären ökar vid 16,5 Ma (8), vilket stämmer väl överens med vår föreslagna tidpunkt för början av voluminös vulkanism i Grande Ronde Basalt. Åldersmodellen för plats 761 (38) är dock beroende av biostratigrafiska (39) eller isotopiska händelser (40) som är knutna till kalibreringar av GPTS (41) som vi har visat är felaktiga. Nyligen utförda arbeten som beskriver δ13C- och δ18O-registreringarna från IODP-plats U1337 identifierar MMCO:s början vid 16,9 Ma (42), vilket föregår vår tidsangivelse för alla CRBG-utbrott. Denna plats har en åldersmodell som härrör från en astronomisk lösning (43) utan radiometrisk ålderskontroll eller en magnetostratigrafi, vilket ger subjektivitet åt de valda isotopiska kopplingspunkterna som används för att kalibrera avstämningen (44) och gör det svårt att korrelera med vårt utbrottsregister.

En väg framåt är att använda proxyregistreringar från platser som innehåller tillförlitlig magnetostratigrafi (37, 45). Bentiska δ18O-värden – en proxy för djuphavstemperatur – från platserna 1090 (46) och U1335 (37) (fig. 5) visar att nedgången i δ18O-värden började under det som tolkas som C5Cr och nådde en nadir (MMCO) under C5Cn.3n-C5Cn.1r. Även om det för närvarande är svårt att validera identifieringen av C5Cr från plats 1090 med tanke på risken för hiatuses i registret, bekräftas den av den astronomiska modellen för U1335 och tolkas vara samma krona under vilken CRB-utbrotten började med Lower Steens Basalt. Även om den absoluta tidpunkten för MMCO:s början inte kan bekräftas av våra data, visar den astronomiskt avstämda registreringen från U1335 jämfört med vår geokronologi att minskningen av δ18O föregick utbrottet av lavaströmmarna från Steens Basalt med 100 till 200 ka. CRBG-vulkanism kan ha spelat en roll för att framkalla den globala uppvärmningen genom kryptisk avgasning av koldioxid när magma migrerade genom dikesvärmar före utbrott på ytan (7). Alternativt kan den uppenbara missmatchningen mellan CRBG:s och MMCO:s startpunkt tyda på att de två händelserna inte har något samband med varandra. Oavsett detta verkar δ18O-minimumet samtida med utbrottet av Grande Ronde-basalten, vilket tyder på att det kan finnas ett samband. Ytterligare arbete som förfinar åldersmodellerna för klimatproxyrester över MMCO och undersöker utbrottshastigheterna för CRBG krävs innan man kan avgöra om CRBG orsakade MMCO. Medan vårt arbete begränsar åldern på toppen av kron C5Cr, finns det ännu inga absoluta åldersbegränsningar vare sig för botten av C5Cr eller för MMCO:s början. Eftersom registret för U1335 har en astronomisk åldersmodell som begränsas av isotopiska korrelationer med plats U1337 (37, 42) och inte har en absolut ålder som definierar basen av kron C5Cr, skulle en snävare korrelation mellan CRBG och MMCO kunna observeras, särskilt om kronen började senare i tiden än vad som för närvarande föreslås. Dessa osäkerheter i tidpunkten för denna magnetfältsomvändning och MMCO:s början måste lösas för att bättre kunna bedöma om CRBG spelade en orsakande roll i MMCO.

Trots de osäkerheter som finns i åldersmodeller för mitten av miocen tyder globala proxydata (47) på att MMCO fortsatte under >1 Ma efter att majoriteten av CRBG-vulkanismen upphörde (fig. 5). Tidsfördröjningen mellan vulkanismens upphörande och en återgång till svalare klimatförhållanden kan förstås som en konsekvens av den långa svarstiden för negativa återkopplingar inom den globala kolcykeln som reglerar atmosfärisk CO2 och jordens temperatur på geologiska tidsskalor. Dessa återkopplingar omfattar interaktioner mellan temperatur, kemisk vittring av kontinentala silikatmineraler och nedgrävning av koldioxid i marina karbonatsediment (48). Även om känsligheten hos återkopplingen från silikatförvittring fortfarande är dåligt förstådd, varierar de senaste uppskattningarna av responstiderna från ~200 till 500 ka (49) och stämmer överens med stabiliseringen av atmosfärisk CO2 (dvs. återgång till grundförhållandena) på en tidsskala på ~1 miljon år.

Vår åldersmodell för CRBG-placering förkortar vulkanismens varaktighet från 1,9 Ma (4) till 750 ka och korrelerar CRBG-vulkanismens början och MMCO:s början med varandra till en tidsrymd på ~100 ka. En kortare varaktighet för CRBG-vulkanismen innebär högre genomsnittliga koldioxidutsläpp och högre toppkoncentrationer av koldioxid under vulkanismen, vilket ska jämföras med marina proxyregister. De nuvarande proxyregistreringarna för CO2 i atmosfären under MMCO är dock för grova för en nära jämförelse med CRBG:s eruptiva historia, vilket ytterligare försvårar möjligheten att bedöma om CRBG orsakade MMCO eller inte. Dessutom hindras upprättandet av en kvantitativ koppling mellan CRBG-vulkanism och förändringar i den globala kolcykeln och koldioxid i atmosfären av osäkerheter i mängden koldioxid som avges av översvämningsbasalter från löst mantelkol utöver ”kryptiska” källor, t.ex. organiska eller oorganiska sediment som förflyktigats genom kontakt med basaltiska flöden eller sills (7). Armstrong McKay et al. (7), som använder sig av ett CRBG-utbrott i huvudfasen med en varaktighet på 900 ka, modellerar att 4090 till 5670 Pg av avgivet kol kan ge de observerade förändringarna i bentiska δ13C och atmosfärisk CO2, även om denna mängd innefattar en betydande komponent av kryptisk avgasning utöver den förväntade flyktiga frigörelsen från subaeriska basaltflöden. Framtida studier bör fokusera på ytterligare revidering av tidsskalan för mitten av miocen och ett högupplöst klimatproxyregister som sträcker sig över CRBG-vulkanismens 700-ka varaktighet för att utforska i vilken utsträckning tidpunkten för CRBG-vulkanism stämmer överens med förändringar i atmosfärisk CO2. Sådana studier kommer att leda till en förbättrad förståelse av MMCO och mer allmänna modeller som kopplar vulkanism till klimatförändringar och kan vara avgörande för att förstå varför vissa översvämningsbasalter uppenbarligen resulterar i massutdöenden och andra inte.