Anoxisk händelse

Karta över akvatiska döda zoner, januari 2008. De röda cirklarna kartlägger storleken och platserna för döda zoner med de svarta prickarna som anger en död zon av okänd storlek. "Storleken och antalet marina döda zoner - områden där djupvattnet är så lågt i löst syre att havsdjur inte kan överleva - har vuxit explosivt under det senaste halvseklet." – NASA Earth Observatory
Detta världsperspektiv av havsströmmar visar transnationella regioners ömsesidiga beroende av cirkulerande strömmar.

Oceaniska anoxiska händelser eller anoxiska händelser ( anoxiförhållanden ) beskriver perioder då stora vidder av jordens hav tömdes på löst syre (O 2 ) , vilket skapade giftiga, euxiniska (anoxiska och sulfidiska) vatten. Även om anoxiska händelser inte har hänt på miljontals år, visar de geologiska uppgifterna att de hände många gånger tidigare. Anoxiska händelser sammanföll med flera massutrotningar och kan ha bidragit till dem. Dessa massutrotningar inkluderar några som geobiologer använder som tidsmarkörer vid biostratigrafisk datering. Å andra sidan finns det utbredda, olika svartskifferbäddar från mitten av krita som indikerar anoxiska händelser men som inte är förknippade med massutrotningar. Många geologer tror att oceaniska anoxiska händelser är starkt kopplade till en långsammare havscirkulation, klimatuppvärmning och förhöjda nivåer av växthusgaser . Forskare har föreslagit ökad vulkanism (utsläpp av CO 2 ) som den "centrala externa utlösaren för euxinia."

Den brittiske oceanologen och atmosfärsforskaren Andrew Watson förklarade att även om holocentiden uppvisar många processer som påminner om de som har bidragit till tidigare anoxiska händelser, skulle fullskalig havsanoxi ta "tusentals år att utvecklas".

Bakgrund

Konceptet med den oceaniska anoxiska händelsen (OAE) föreslogs först 1976 av Seymour Schlanger (1927–1990) och geologen Hugh Jenkyns och uppstod från upptäckter som gjorts av Deep Sea Drilling Project (DSDP) i Stilla havet. Fyndet av svarta, kolrika skiffer i krita sediment som hade ackumulerats på undervattens vulkaniska platåer (t.ex. Shatsky Rise , Manihiki Plateau ), i kombination med deras identiska ålder med liknande kärnavlagringar från Atlanten och kända hällar i Europa - särskilt i Europa det geologiska rekordet för den annars kalkstensdominerade Apenninkedjan i Italien – ledde till observationen att dessa utbredda, på liknande sätt distinkta skikt registrerade mycket ovanliga, syrefattiga förhållanden i världshaven som spänner över flera diskreta perioder av geologisk tid .

Sedimentologiska undersökningar av dessa organiskt rika sediment avslöjar vanligtvis förekomsten av fina laminat som inte störs av bottenlevande fauna, vilket tyder på anoxiska förhållanden på havsbotten som tros sammanfalla med ett lågt liggande giftigt lager av svavelväte, H 2 S . Dessutom har detaljerade organiska geokemiska studier nyligen avslöjat närvaron av molekyler (så kallade biomarkörer) som härrör från både lila svavelbakterier och gröna svavelbakterier - organismer som krävde både lätt och fritt svavelväte (H 2 S), vilket illustrerar att anoxiska förhållanden sträckte sig högt in i den fotografiska övre vattenpelaren.

Flera platser på jorden uppvisar egenskaperna hos anoxi i lokal skala, såsom alg/bakterieblomning och lokaliserade " döda zoner ". Döda zoner finns utanför USA:s östkust i Chesapeake Bay , såväl som i det skandinaviska sundet Kattegatt , Svarta havet (som dock kan ha varit anoxiskt i sina djupaste nivåer i årtusenden), i norra Adriatiska havet samt en död zon utanför Louisianas kust. Den nuvarande ökningen av maneter över hela världen betraktas ibland som den första omrörningen av en anoxisk händelse. Andra marina döda zoner har dykt upp i kustvattnen i Sydamerika , Kina, Japan och Nya Zeeland . En studie från 2008 dokumenterade 405 döda zoner över hela världen.

Detta är en ny förståelse, [ när? ] pusslet har lagts långsamt ihop under de senaste tre decennierna. En handfull kända och misstänkta anoxiska händelser har kopplats geologiskt till storskalig produktion av världens oljereserver i världsomspännande band av svart skiffer i det geologiska rekordet . [ citat behövs ]

Euxinia

Se även: Fosforcykel

Anoxiska händelser med euxiniska (anoxiska, sulfidiska) förhållanden har kopplats till extrema episoder av vulkanisk avgasning. Vulkanismen bidrog till uppbyggnaden av CO 2 i atmosfären och ökade globala temperaturer, vilket orsakade en accelererad hydrologisk cykel som introducerade näringsämnen i haven (stimulerande planktonproduktivitet). Dessa processer fungerade potentiellt som en utlösande faktor för euxinia i begränsade bassänger där skiktning av vattenpelare kunde utvecklas. Under anoxiska till euxiniska förhållanden hålls inte oceaniskt fosfat kvar i sediment och kan därför frigöras och återvinnas, vilket bidrar till en evig hög produktivitet.

Mekanism

Extern bild
image icon nature.com Ett flödesschema över spårmetaller från magma, gödsling av havet, skiktning och anoxi.

Temperaturer i hela jura och krita anses generellt ha varit relativt varma, och följaktligen var nivåerna av löst syre i havet lägre än idag, vilket gör anoxi lättare att uppnå. Det krävs dock mer specifika förhållanden för att förklara de korta (mindre än en miljon år) oceaniska anoxiska händelserna. Två hypoteser, och variationer på dem, har visat sig vara mest hållbara.

En hypotes antyder att den onormala ackumuleringen av organiskt material relaterar till dess förbättrade bevarande under begränsade och dåligt syresatta förhållanden, som i sig var en funktion av havsbassängens speciella geometri: en sådan hypotes, även om den lätt kan tillämpas på den unga och relativt smala kritatiden. Atlanten (som skulle kunna liknas vid ett storskaligt Svarta hav, endast dåligt anslutet till världshavet), misslyckas med att förklara förekomsten av samtidssvarta skiffer på öppna oceaniska Stillahavsplatåer och hyllhav runt om i världen. Det finns förslag, återigen från Atlanten, att en förändring i havscirkulationen var ansvarig, där varma, salta vatten på låga breddgrader blev hypersalt och sjönk för att bilda ett mellanskikt, på 500 till 1 000 m (1 640 till 3 281 fot) djup, med en temperatur på 20 till 25 °C (68 till 77 °F).

Den andra hypotesen antyder att oceaniska anoxiska händelser registrerar en stor förändring i havens fertilitet som resulterade i en ökning av plankton med organiskt väggar (inklusive bakterier) på bekostnad av kalkhaltigt plankton som kokkoliter och foraminifer . Ett sådant accelererat flöde av organiskt material skulle ha expanderat och intensifierat syreminimumszonen, vilket ytterligare förstärkt mängden organiskt kol som kommer in i sedimentregistret. I huvudsak förutsätter denna mekanism en stor ökning av tillgängligheten av lösta näringsämnen som nitrat, fosfat och möjligen järn för växtplanktonpopulationen som lever i havens upplysta lager.

För att en sådan ökning skulle inträffa skulle det ha krävt ett accelererat tillflöde av landbaserade näringsämnen i kombination med kraftig uppväxt , vilket kräver stora klimatförändringar på global skala. Geokemiska data från syre- isotopförhållanden i karbonatsediment och fossiler, och magnesium/kalciumförhållanden i fossiler, indikerar att alla större oceaniska anoxiska händelser var förknippade med termiska maxima, vilket gör det troligt att de globala vittringshastigheterna och näringsflödet till haven var ökade under dessa intervaller. I själva verket skulle den minskade lösligheten av syre leda till fosfatfrisättning, ytterligare näring till havet och bränsle till hög produktivitet, därav ett högt syrebehov - upprätthålla händelsen genom en positiv feedback.

Ett annat sätt att förklara anoxiska händelser är att jorden släpper ut en enorm volym koldioxid under ett intervall av intensiv vulkanism; globala temperaturer stiger på grund av växthuseffekten ; globala vittringshastigheter och fluvialt näringsflöde ökar; den organiska produktiviteten i haven ökar; organiskt kol i haven ökar (OAE börjar); koldioxid dras ner på grund av både nedgrävning av organiskt material och vittring av silikatstenar (omvänd växthuseffekt); de globala temperaturerna faller, och ocean-atmosfärsystemet återgår till jämvikt (OAE-slutar).

På detta sätt kan en oceanisk anoxisk händelse ses som jordens svar på injektionen av överskott av koldioxid i atmosfären och hydrosfären . Ett test av denna uppfattning är att titta på åldern hos stora magmatiska provinser (LIPs), vars extrudering förmodligen skulle ha åtföljts av snabb utgjutning av enorma mängder vulkanogena gaser som koldioxid. Åldern på tre läppar ( Karoo-Ferrar översvämningsbasalt, karibiska stormagmatiska provinsen , Ontong Java-platån ) korrelerar väl med åldern för den stora jura (tidig toarcien ) och krita (tidig Aptian och Cenomanian-Turonian ) oceaniska anoxiska händelser, vilket tyder på orsakssamband är möjligt.

Förekomst

Oceaniska anoxiska händelser inträffade oftast under perioder med mycket varmt klimat som kännetecknas av höga halter av koldioxid (CO 2 ) och genomsnittliga yttemperaturer troligen över 25 °C (77 °F). De kvartära nivåerna, den nuvarande perioden , är bara 13 °C (55 °F) i jämförelse. Sådana ökningar av koldioxid kan ha varit ett svar på en stor utgasning av den mycket brandfarliga naturgasen (metan) som vissa kallar en "havsrapning". Stora mängder metan är normalt inlåsta i jordskorpan på kontinentalplatåerna i en av de många avlagringarna som består av föreningar av metanhydrat , en fast utfälld kombination av metan och vatten ungefär som is. Eftersom metanhydraterna är instabila, förutom vid kalla temperaturer och höga (djupa) tryck, har forskare observerat mindre utgasningshändelser på grund av tektoniska händelser. Studier tyder på att det enorma utsläppet av naturgas kan vara en stor klimatologisk utlösande faktor, eftersom metan i sig är en växthusgas många gånger starkare än koldioxid. Men anoxi var också utbredd under Hirnantian (sen ordovicium) istid.

Oceaniska anoxiska händelser har erkänts främst från de redan varma krita- och juraperioderna , då många exempel har dokumenterats, men tidigare exempel har föreslagits ha inträffat i det sena trias , perm , devon ( Kellwasserhändelse ), ordovicium och kambrium .

Thermal Maximum (PETM) från Paleocene–Eocen, som kännetecknades av en global ökning av temperatur och avsättning av organiskt rika skiffer i vissa hyllhav, visar många likheter med oceaniska anoxiska händelser.

Vanligtvis varade oceaniska anoxiska händelser i mindre än en miljon år, innan en fullständig återhämtning.

Konsekvenser

Oceaniska anoxiska händelser har haft många viktiga konsekvenser. Man tror att de har varit ansvariga för massutrotningar av marina organismer både i paleozoikum och mesozoikum . De tidiga toarciska och Cenomanian-Turonian anoxiska händelserna korrelerar med Toarcian och Cenomanian-Turonians utrotningshändelser av mestadels marina livsformer. Bortsett från möjliga atmosfäriska effekter kunde många djupare levande marina organismer inte anpassa sig till ett hav där syre endast trängde in i ytskikten.

En ekonomiskt betydelsefull konsekvens av oceaniska anoxiska händelser är det faktum att de rådande förhållandena i så många mesozoiska hav har bidragit till att producera de flesta av världens petroleum- och naturgasreserver . Under en oceanisk anoxisk händelse var ackumuleringen och bevarandet av organiskt material mycket större än normalt, vilket möjliggjorde generering av potentiella petroleumkällor i många miljöer över hela världen. Följaktligen är cirka 70 procent av oljekällans bergarter mesozoiska i ålder, och ytterligare 15 procent härstammar från den varma paleogenen: endast sällan under kallare perioder var förhållanden gynnsamma för produktion av källbergarter i något annat än lokal skala.

Atmosfäriska effekter

En modell som lades fram av Lee Kump, Alexander Pavlov och Michael Arthur 2005 antyder att oceaniska anoxiska händelser kan ha karakteriserats av uppströmning av vatten rikt på mycket giftig vätesulfidgas, som sedan släpptes ut i atmosfären. Detta fenomen skulle troligen ha förgiftat växter och djur och orsakat massutrotningar. Dessutom har det föreslagits att vätesulfiden steg till den övre atmosfären och attackerade ozonskiktet, som normalt blockerar den dödliga ultravioletta strålningen från solen . Den ökade UV-strålningen som orsakas av denna ozonnedbrytning skulle ha förstärkt förstörelsen av växt- och djurliv. Fossila sporer från skikt som registrerar utrotningshändelsen perm-trias visar deformiteter som överensstämmer med UV-strålning. Dessa bevis, i kombination med fossila biomarkörer för gröna svavelbakterier , indikerar att denna process kunde ha spelat en roll i den massutrotningshändelsen och möjligen andra utrotningshändelser. Utlösaren för dessa massutrotningar verkar vara en uppvärmning av havet orsakad av en ökning av koldioxidnivåerna till cirka 1000 ppm.

Ocean kemiska effekter

Sänkta syrehalter förväntas leda till ökade havsvattenkoncentrationer av redoxkänsliga metaller. Den reduktiva upplösningen av järn - manganoxihydroxider i havsbottensediment under förhållanden med låg syrehalt skulle frigöra dessa metaller och tillhörande spårmetaller. Sulfatreduktion i sådana sediment kan frigöra andra metaller som barium . När tungmetallrikt anoxiskt djupvatten kom in på kontinentalsockeln och mötte ökade O 2 -nivåer, skulle utfällning av några av metallerna, samt förgiftning av den lokala biotan, ha inträffat. I det sena siluriska mitten av Pridoli -händelsen ses ökningar av Fe, Cu, As, Al, Pb, Ba, Mo och Mn-nivåer i grundvattensediment och mikroplankton; detta är associerat med en markant ökning av missbildningshastigheten hos kitinozoer och andra mikroplanktontyper, troligen på grund av metalltoxicitet. Liknande metallanrikning har rapporterats i sediment från händelsen Ireviken i mitten av Silur .

Anoxiska händelser i jordens historia

Krita

Huvudartikel: Krita
Se även: Cenomanian-Turonian gränshändelse

Sulfidiska (eller euxiniska) förhållanden, som idag existerar i många vattendrag från dammar till olika landomgivna medelhavshav som Svarta havet , var särskilt utbredda i Krita Atlanten men karakteriserade också andra delar av världshavet. I ett isfritt hav av dessa förmodade superväxthusvärldar var oceanernas vatten så mycket som 200 meter (660 fot) högre, under vissa epoker. Under de aktuella tidsrymden kontinentalplattorna ha varit väl åtskilda, och bergen som de är kända idag var (för det mesta) framtida tektoniska händelser – vilket betyder att de övergripande landskapen i allmänhet var mycket lägre – och till och med halvt superväxthusklimat skulle ha varit epoker av mycket påskyndad vattenerosion som förde med sig enorma mängder näringsämnen i världshaven som drev en övergripande explosiv population av mikroorganismer och deras rovdjursarter i de syresatta övre lagren.

Detaljerade stratigrafiska studier av svarta skiffer från krita från många delar av världen har visat att två oceaniska anoxiska händelser (OAE) var särskilt betydelsefulla när det gäller deras inverkan på havens kemi, en i det tidiga Aptian (~120 Ma) , ibland kallad Selli Event (eller OAE 1a) efter den italienske geologen Raimondo Selli (1916–1983), och en annan vid gränsen Cenomanian – Turonian (~93 Ma), ibland kallad Bonarelli Event (eller OAE 2) efter den italienske geologen Guido Bonarelli (1871–1951). OAE1a varade i ~1,0 till 1,3 Myr. Varaktigheten av OAE2 uppskattas till ~820 kyr baserat på en högupplöst studie av det avsevärt utökade OAE2-intervallet i södra Tibet, Kina.

  • I den mån Krita OAEs kan representeras av typorter, är det de slående hällarna av laminerade svarta skiffer inom de varierande lerstenarna och rosa och vita kalkstenar nära staden Gubbio i de italienska Apenninerna som är de bästa kandidaterna .
  • Den 1 meter tjocka svarta skiffern vid gränsen mellan Cenomanian och Turonia som växer ut nära Gubbio kallas "Livello Bonarelli" efter mannen som först beskrev den 1891.

Mer mindre oceaniska anoxiska händelser har föreslagits för andra intervall i kritatiden (i de valanginska , Hauterivian , Albian och Coniacian – Santonian stadierna), men deras sedimentära rekord, som representeras av organiskt rika svarta skiffer, förefaller mer parochial, och är dominerande representerad i Atlanten och närliggande områden, och vissa forskare relaterar dem till särskilda lokala förhållanden snarare än att de tvingas fram av globala förändringar.

Jurassic

Huvudartikel: Jurassic § Toarcian Oceanic Anoxic Event

Den enda oceaniska anoxiska händelsen som dokumenterats från Jurassic ägde rum under den tidiga Toarcian (~183 Ma). Eftersom inga DSDP ( Deep Sea Drilling Project ) eller ODP ( Ocean Drilling Program ) kärnor har återhämtat svarta skiffer av denna ålder – det finns lite eller ingen toarciansk havsskorpa kvar – kommer proverna av svart skiffer främst från hällar på land. Dessa hällar, tillsammans med material från några kommersiella oljekällor, finns på alla större kontinenter och denna händelse verkar likna de två stora kritaexemplen.

Paleozoikum

Huvudartikel: Paleozoikum

Perm -trias-utrotningen , utlöst av förrymd CO 2 från de sibiriska fällorna, märktes av syrebortfall i havet .

Gränsen mellan de ordoviciska och siluriska perioderna markeras av upprepade perioder av anoxi, varvat med normala, oxiska tillstånd. Dessutom finns anoxiska perioder under silur. Dessa anoxiska perioder inträffade i en tid med låga globala temperaturer (även om CO 2 -nivåerna var höga), mitt under en glaciation.

Jeppsson (1990) föreslår en mekanism där temperaturen i polära vatten bestämmer platsen för bildandet av nedströmmande vatten. Om vattnet på hög latitud är under 5 °C (41 °F), kommer det att vara tätt nog att sjunka; eftersom de är svala är syre mycket lösligt i deras vatten, och djuphavet kommer att syresättas. Om vatten på hög latitud är varmare än 5 °C (41 °F), är deras densitet för låg för att de ska sjunka under det kallare djupvattnet. Därför kan termohalin cirkulation endast drivas av saltökad densitet, som tenderar att bildas i varma vatten där avdunstningen är hög. Detta varma vatten kan lösa upp mindre syre och produceras i mindre mängder, vilket ger en trög cirkulation med lite djupvattensyre. Effekten av detta varma vatten fortplantar sig genom havet och minskar mängden CO 2 som haven kan hålla i lösning, vilket gör att haven släpper ut stora mängder CO 2 i atmosfären på geologiskt kort tid (tiotals eller tusentals år) ). Det varma vattnet initierar också frisättningen av klatrater , vilket ytterligare ökar atmosfärstemperaturen och bassänganoxin. Liknande positiva återkopplingar fungerar under episoder med kalla poler, vilket förstärker deras kyleffekter.

Perioderna med kalla poler kallas "P-episoder" (förkortning för primo ), och kännetecknas av bioturberade djuphav, en fuktig ekvator och högre vittringshastigheter, och avslutas av utrotningshändelser - till exempel händelserna Ireviken och Lau . Det omvända gäller för de varmare, oxiska "S-episoderna" ( secundo ), där djuphavssediment är typiskt graptolitiska svarta skiffer. En typisk cykel av secundo-primo- episoder och efterföljande händelse varar vanligtvis runt 3 Ma.

Varaktigheten av händelser är så lång jämfört med deras början eftersom de positiva återkopplingarna måste överväldigas. Kolinnehållet i ocean-atmosfärsystemet påverkas av förändringar i vittringshastigheter, som i sin tur dominerande styrs av nederbörd. Eftersom detta är omvänt relaterat till temperaturen under silurtiden dras kol gradvis ner under varma (högt CO 2 ) S-episoder, medan det omvända är sant under P-episoder. Ovanpå denna gradvisa trend överskrivs signalen från Milankovic-cykler , som i slutändan utlöser växlingen mellan P- och S-episoder.

Dessa händelser blir längre under devon; den växande landväxtbiotan fungerade troligen som en stor buffert för koldioxidkoncentrationer.

Den slut-ordoviciska Hirnantian-händelsen kan alternativt vara ett resultat av algblomning, orsakad av plötslig tillförsel av näringsämnen genom vinddriven uppströmning eller ett inflöde av näringsrikt smältvatten från smältande glaciärer, som på grund av sin färska natur också skulle bromsa ner oceanerna omlopp.

Arkeisk och Proterozoikum

Man har trott att under större delen av jordens historia var haven till stor del syrebrist. Under Archean var euxinia till stor del frånvarande på grund av låg tillgänglighet av sulfat i haven, men under Proterozoicum skulle det bli vanligare.

Se även

Vidare läsning

  • Kashiyama, Yuichiro; Nanako O. Ogawa; Junichiro Kuroda; Motoo Shiro; Shinya Nomoto; Ryuji Tada; Hiroshi Kitazato; Naohiko Ohkouchi (maj 2008). "Diazotrofa cyanobakterier som de viktigaste fotoautotrofer under mitten av krita oceaniska anoxiska händelser: kväve och kolisotopiska bevis från sedimentär porfyrin". Organisk geokemi . 39 (5): 532–549. doi : 10.1016/j.orggeochem.2007.11.010 .
  • Kump, LR; Pavlov, A. & Arthur, MA (2005). "Massiv frisättning av vätesulfid till ytan av havet och atmosfären under intervaller av oceanisk anoxi". Geologi . 33 (5): 397–400. Bibcode : 2005Geo....33..397K . doi : 10.1130/G21295.1 .
  •   Hallam, A. (2004). Katastrofer och mindre katastrofer: orsakerna till massutrotningar . Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. s. 91–607. ISBN 978-0-19-852497-7 .
  • Demaison GJ och Moore GT, (1980), "Anoxic environments and oil source bed genesis". American Association of Petroleum Geologists (AAPG) Bulletin, Vol.54, 1179–1209.

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Anoxic_event&oldid=1140292620 "