Anoksisk hendelse - Anoxic event

Kart over akvatiske dødsoner, januar 2008. De røde sirklene kartlegger størrelser og steder for døde soner med de svarte prikkene som angir en død sone med ukjent størrelse. Størrelsen og antallet marine døde soner-områder der dypt vann er så lavt i oppløst oksygen at sjødyr ikke kan overleve-har vokst eksplosivt det siste halve århundret. - NASA Earth Observatory
Dette verdensperspektivet for havstrømmer demonstrerer gjensidige avhengigheter mellom transnasjonale regioner på sirkulerende strømmer.

Oceaniske anoksiske hendelser eller anoksiske hendelser ( anoksi -tilstander ) beskriver perioder der store vidder av jordens hav ble oppbrukt av oppløst oksygen (O 2 ) , noe som skapte giftige, euxiniske (anoksiske og sulfidiske) farvann. Selv om anoksiske hendelser ikke har skjedd på millioner av år, viser den geologiske rekorden at de har skjedd mange ganger tidligere. Anoksiske hendelser falt sammen med flere masseutryddelser og kan ha bidratt til dem. Disse masseutryddelsene inkluderer noen som geobiologer bruker som tidsmarkører i biostratigrafisk datering. På den annen side er det utbredt, forskjellige svartskiferbed fra midten av kritt som indikerer anoksiske hendelser, men som ikke er forbundet med masseutryddelse. Mange geologer tror at oseaniske anoksiske hendelser er sterkt knyttet til redusert havsirkulasjon, klimatisk oppvarming og forhøyede nivåer av klimagasser . Forskere har foreslått forbedret vulkanisme (frigjøring av CO 2 ) som den "sentrale eksterne utløseren for euxinia."

Britisk oseanolog og atmosfærisk forsker , Andrew Watson, forklarte at mens Holocene-epoken viser mange prosesser som minner om de som har bidratt til tidligere anoksiske hendelser, vil det ta "tusenvis av år" å utvikle havanoksi i full skala.

Bakgrunn

Konseptet med den oceaniske anoksiske hendelsen (OAE) ble først foreslått i 1976 av Seymour Schlanger (1927–1990) og geologen Hugh Jenkyns og kom fra funn gjort av Deep Sea Drilling Project (DSDP) i Stillehavet. Funnet av svarte, karbonrike skifre i kritt-sedimenter som hadde samlet seg på undersjøiske vulkanske platåer (f.eks. Shatsky Rise , Manihiki Plateau ), kombinert med deres identiske alder til lignende, kjerneformede forekomster fra Atlanterhavet og kjente utmarker i Europa-spesielt i den geologiske oversikten over den ellers kalksteinsdominerte Apenninekjeden i Italia-førte til observasjonen at disse utbredte, like forskjellige lagene registrerte svært uvanlige, oksygenforarmede forhold i verdenshavene som spenner over flere diskrete perioder med geologisk tid .

Fortsetter i dag, sedimentologiske undersøkelser av disse organiske rike sedimenter vanligvis avsløre tilstedeværelsen av fine lameller uforstyrret av bunnlevende fauna, noe som indikerer anoksiske betingelser på havbunnen antas å sammenfalle med et lavtliggende giftig lag av hydrogensulfid, H 2 S . Videre detaljerte organiske geokjemiske studier har nylig viste nærvær av molekyler (såkalte biomarkører) som stammer fra begge lilla svovelbakterier og grønne svovelbakterier -organisms som kreves for både lett og fri hydrogensulfid (H 2 S), noe som illustrerer at anoksiske betingelser forlenget høyt inn i den fotiske øvre vannsøylen.

For tiden er det flere steder på jorden som viser funksjonene til anoksi i lokal skala, for eksempel alge-/bakterieblomstring og lokaliserte " dødsoner ". Døde soner eksisterer utenfor østkysten av USA i Chesapeake Bay , så vel som i det skandinaviske sundet Kattegat , Svartehavet (som imidlertid kan ha vært anoksisk i sine dypeste nivåer i årtusener), i det nordlige Adriaterhavet samt en død sone utenfor kysten av Louisiana. Den nåværende bølgen av maneter over hele verden blir noen ganger sett på som den første omrøring av en anoksisk hendelse. Andre marine dødsoner har dukket opp i kystvannet i Sør -Amerika , Kina, Japan og New Zealand . En studie fra 2008 dokumenterte 405 dødssoner over hele verden.

Dette er en nylig forståelse, og puslespillet har blitt brakt sakte sammen de siste tre tiårene. Den håndfull kjente og mistenkte anoksiske hendelser har vært knyttet geologisk til storskala produksjon av verdens oljereserver i verdensomspennende bånd av svart skifer i den geologiske rekorden .

Euxinia

Se også: Fosforsyklus

Anoksiske hendelser med euxiniske (anoksiske, sulfidiske) tilstander har vært knyttet til ekstreme episoder av vulkansk avgassing. Vulkanisme bidro til oppbygging av CO 2 i atmosfæren og økte globale temperaturer, noe som forårsaket en akselerert hydrologisk syklus som introduserte næringsstoffer i havene (stimulerer planktonisk produktivitet). Disse prosessene fungerte potensielt som en utløser for euxinia i begrensede bassenger der vannsøyle-stratifisering kan utvikle seg. Under anoksiske til euxiniske forhold beholdes oseanisk fosfat ikke i sediment og kan derfor frigjøres og resirkuleres, noe som bidrar til evig høy produktivitet.

Mekanisme

Eksternt bilde
bildeikon nature.com Et flytskjema over magma som anskaffer spormetaller, havgjødsling , stratifisering og anoksi.

Temperaturer i hele Jurassic og Critaceous antas generelt å ha vært relativt varme, og følgelig var oppløste oksygennivåer i havet lavere enn i dag - noe som gjorde anoksi lettere å oppnå. Imidlertid er det mer spesifikke forhold som kreves for å forklare den korte perioden (mindre enn en million år) oceaniske anoksiske hendelser. To hypoteser og variasjoner på dem har vist seg å være mest holdbare.

En hypotese antyder at den uregelmessige akkumuleringen av organisk materiale relaterer seg til forbedret bevaring under begrensede og dårlig oksygenrike forhold, som selv var en funksjon av havbassengets spesielle geometri: en slik hypotese, selv om den lett kan brukes på den unge og relativt smale kritt. Atlanterhavet (som kan sammenlignes med et storstilt Svartehav, som bare er dårlig knyttet til verdenshavet), klarer ikke å forklare forekomsten av coeval black shale på åpnehavsplatåer og sokkelhav rundt om i verden. Det er forslag, igjen fra Atlanterhavet, om at et skifte i havsirkulasjonen var ansvarlig, hvor varmt, salt vann på lave breddegrader ble hypersalin og sank for å danne et mellomlag, på 500 til 1.000 m (1.640 til 3.281 fot) dybde, med en temperatur på 20 til 25 ° C (68 til 77 ° F).

Den andre hypotesen antyder at oseaniske anoksiske hendelser registrerer en stor endring i havets fruktbarhet som resulterte i en økning i organisk vegget plankton (inkludert bakterier) på bekostning av kalkholdig plankton som kokolitter og foraminifera . En slik akselerert strøm av organisk materiale ville ha utvidet og intensivert oksygenminimumssonen , og ytterligere forbedret mengden organisk karbon som kommer inn i sedimentære rekord. I hovedsak forutsetter denne mekanismen en stor økning i tilgjengeligheten av oppløste næringsstoffer som nitrat, fosfat og muligens jern for planteplanktonbefolkningen som lever i de opplyste lagene i havene.

For at en slik økning skulle skje, ville det ha krevd en akselerert tilstrømning av landavledede næringsstoffer kombinert med kraftig oppvelling , noe som krever store klimaendringer på global skala. Geokjemiske data fra oksygen- isotopforhold i karbonatsedimenter og fossiler, og magnesium/kalsiumforhold i fossiler, indikerer at alle store oseaniske anoksiske hendelser var forbundet med termiske maksima, noe som gjør det sannsynlig at globale forvitringshastigheter og næringsstrøm til havene var økt i løpet av disse intervallene. Den reduserte løseligheten av oksygen vil faktisk føre til fosfatfrigjøring, ytterligere næring av havet og drivstoff til høy produktivitet, derav et høyt oksygenbehov - opprettholde hendelsen gjennom en positiv tilbakemelding.

En annen måte å forklare anoksiske hendelser på er at jorden frigjør et stort volum karbondioksid i et intervall med intens vulkanisme; globale temperaturer stiger på grunn av drivhuseffekten ; globale forvitringshastigheter og fluvial næringsfluxøkning; organisk produktivitet i havene øker; begravelsen av organisk karbon i havene øker (OAE begynner); karbondioksid trekkes ned på grunn av både nedgravning av organisk materiale og forvitring av silikatbergarter (invers drivhuseffekt); globale temperaturer faller, og havatmosfæresystemet går tilbake til likevekt (OAE slutter).

På denne måten kan en oceanisk anoksisk hendelse ses på som Jordens reaksjon på injeksjon av overflødig karbondioksid i atmosfæren og hydrosfæren . En test av denne oppfatningen er å se på alderen til store vulkanske provinser (LIP -er), hvis ekstrudering antagelig ville ha blitt ledsaget av rask effusjon av store mengder vulkanogene gasser som karbondioksid. Alderen på tre LIP ( Karoo-Ferrar flodbasalt , Karibia store vulkanske provinsen , Ontong Java Plateau ) korrelerer godt med den for de store jurassiske (tidlige Toarcian ) og kritt (tidlige aptiske og cenomanian-turoniske ) oceaniske anoksiske hendelser, noe som indikerer at en årsakssammenheng er mulig.

Hendelse

Oceaniske anoksiske hendelser skjedde oftest i perioder med et veldig varmt klima preget av høye nivåer av karbondioksid (CO 2 ) og gjennomsnittlige overflatetemperaturer sannsynligvis over 25 ° C (77 ° F). De kvartære nivåene, den nåværende perioden , er bare 13 ° C (55 ° F) i sammenligning. Slike økninger i karbondioksid kan ha vært et svar på en stor utslipp av den svært brannfarlige naturgassen (metan) som noen kaller en "oceanisk burp". Store mengder metan er normalt låst i jordskorpen på de kontinentale platåene i en av de mange forekomstene som består av forbindelser av metanhydrat , en fast utfelt kombinasjon av metan og vann som is. Fordi metanhydratene er ustabile, bortsett fra ved kjølige temperaturer og høyt (dypt) trykk, har forskere observert mindre utslippshendelser på grunn av tektoniske hendelser. Studier tyder på at den enorme frigjøringen av naturgass kan være en stor klimatologisk trigger, idet metan i seg selv er en klimagass som er mange ganger kraftigere enn karbondioksid. Imidlertid var anoksi også vanlig under Hirnantian (sen Ordovicium) istid.

Oceanic anoksiske hendelser har blitt anerkjent først og fremst fra den allerede varme kritt og jura perioder , når mange eksempler er dokumentert, men tidligere eksempler har blitt foreslått å ha skjedd i slutten av trias , perm , Devon ( Kellwasser hendelse ), ordovicium og kambrium .

Den Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM), som ble karakterisert ved en global økning i temperatur og avleiringen av organiske rike skifere i enkelte hylle sjø, viser mange likhets oceanic anoksiske hendelser.

Vanligvis varte oseaniske anoksiske hendelser i mindre enn en million år, før en fullstendig gjenoppretting.

Konsekvenser

Oceaniske anoksiske hendelser har hatt mange viktige konsekvenser. Det antas at de har vært ansvarlig for masseutryddelse av marine organismer både i paleozoikum og mesozoikum . De tidlige toarkiske og cenomansk-turoniske anoksiske hendelsene korrelerer med de toarkiske og cenomansk-turoniske utryddelseshendelsene for det meste marine livsformer. Bortsett fra mulige atmosfæriske effekter, kunne mange dypere marine organismer ikke tilpasse seg et hav hvor oksygen bare trengte inn i overflatelagene.

En økonomisk signifikant konsekvens av oseaniske anoksiske hendelser er det faktum at de rådende forholdene i så mange mesozoiske hav har bidratt til å produsere det meste av verdens petroleums- og naturgassreserver . Under en oseanisk anoksisk hendelsen, oppbygging og bevaring av organisk materiale var mye større enn normalt, slik at generering av potensielle petroleum kildebergarter i mange miljøer over hele verden. Følgelig er rundt 70 prosent av oljekildebergartene mesozoiske i alderen, og ytterligere 15 prosent stammer fra den varme paleogenen: bare sjelden i kaldere perioder var forhold gunstige for produksjon av kildebergarter på annet enn lokal skala.

Atmosfæriske effekter

En modell som ble presentert av Lee Kump, Alexander Pavlov og Michael Arthur i 2005 antyder at oseaniske anoksiske hendelser kan ha vært preget av oppvelling av vann som er rikt på svært giftig hydrogensulfidgass, som deretter ble sluppet ut i atmosfæren. Dette fenomenet ville trolig ha forgiftet planter og dyr og forårsaket masseutryddelse. Videre har det blitt foreslått at hydrogensulfidet steg til den øvre atmosfæren og angrep ozonlaget , som normalt blokkerer den dødelige ultrafiolette strålingen fra solen . Den økte UV -strålingen forårsaket av denne ozonnedbrytningen ville ha forsterket ødeleggelsen av plante- og dyreliv. Fossile sporer fra lag som registrerer det perm-triasiske utryddelsesarrangementet viser deformiteter som er i samsvar med UV-stråling. Dette beviset, kombinert med fossile biomarkører for grønne svovelbakterier , indikerer at denne prosessen kunne ha spilt en rolle i den masseutryddelseshendelsen , og muligens andre utryddelseshendelser. Utløseren for disse masseutryddelsene ser ut til å være en oppvarming av havet forårsaket av en økning av karbondioksidnivåer til omtrent 1000 deler per million.

Havkjemiske effekter

Redusert oksygennivå forventes å føre til økte sjøvannskonsentrasjoner av redoksfølsomme metaller. Den reduktive oppløsningen av jern - manganoksyhydroksider i havbunnssedimenter under lavt oksygen vil frigjøre disse metallene og tilhørende spormetaller. Sulfatreduksjon i slike sedimenter kan frigjøre andre metaller som barium . Når tungmetallrikt, anoksisk dypt vann kom inn på kontinentalsokkelen og møtte økte O 2 -nivåer, ville det ha skjedd nedbør av noen av metallene, samt forgiftning av den lokale biotaen. I den sene siluriske midten av Pridoli- hendelsen ses økninger i Fe, Cu, As, Al, Pb, Ba, Mo og Mn nivåene i grunt vann sediment og mikroplankton; dette er forbundet med en markant økning i misdannelseshastigheten i kitinozoaner og andre mikroplanktontyper, sannsynligvis på grunn av metalltoksisitet. Lignende metallberikelse er rapportert i sedimenter fra hendelsen midt i Silurian Ireviken .

Anoksiske hendelser i jordas historie

Kritt

Hovedartikkel: kritt
Se også: Cenomanian-Turonian grensehendelse

Sulfidiske (eller euxiniske) forhold, som eksisterer i dag i mange vannforekomster fra dammer til forskjellige land omgitt Middelhav som Svartehavet , var spesielt utbredt i krittatlanten, men preget også andre deler av verdenshavet. I et isfritt hav av disse antatte superdrivhusverdenene var havvannet så mye som 200 meter høyere, i noen epoker. I løpet av de aktuelle tidsromene antas de kontinentale platene å ha vært godt atskilt, og fjellene som de er kjent i dag var (for det meste) fremtidige tektoniske hendelser-noe som betyr at de generelle landskapene generelt var mye lavere-og til og med det halve super-drivhusklimaet ville ha vært epoker med svært fremskyndet vannerosjon som fraktet enorme mengder næringsstoffer til verdenshavene som drev en samlet eksplosiv populasjon av mikroorganismer og deres rovdyrarter i de oksygenrike øvre lagene.

Detaljerte stratigrafiske studier av krittskjell fra mange deler av verden har indikert at to oseaniske anoksiske hendelser (OAE) var spesielt betydningsfulle når det gjelder deres innvirkning på havets kjemi, den ene i den tidlige aptiske tiden (~ 120 Ma), noen ganger kalt Selli Event (eller OAE 1a) etter den italienske geologen Raimondo Selli (1916–1983), og en annen ved den cenomansk - turoniske grensen (~ 93 Ma), noen ganger kalt Bonarelli Event (eller OAE 2) etter den italienske geologen Guido Bonarelli (1871–1951). OAE1a varte i ~ 1,0 til 1,3 Myr. Varigheten av OAE2 anslås å være ~ 820 kyr basert på en høyoppløselig studie av det betydelig utvidede OAE2-intervallet i Sør-Tibet, Kina.

  • I den utstrekning kritt-OAE-ene kan representeres av typelokaliteter, er det de slående utslagene av laminerte sorte skifre i de fargede leirsteinene og rosa og hvite kalksteinene i nærheten av byen Gubbio i de italienske apenninene som er de beste kandidatene.
  • Den 1 meter tykke sorte skiferen ved grensen til cenomansk-turonien som dukker opp nær Gubbio kalles 'Livello Bonarelli' etter mannen som først beskrev den i 1891.

Flere mindre oseaniske anoksiske hendelser har blitt foreslått for andre intervaller i kritt (i stadiene Valanginian , Hauterivian , Albian og Coniacian - Santonian ), men deres sedimentære rekord, som representert av organisk svarte skifre, fremstår mer parochial, blir dominert representert i Atlanterhavet og nærområder, og noen forskere relaterer dem til bestemte lokale forhold i stedet for å bli tvunget av globale endringer.

Jurassic

Hovedartikkel: Jurassic § Toarcian Oceanic Anoxic Event

Den eneste oseaniske anoksiske hendelsen som ble dokumentert fra Jurassic fant sted under den tidlige Toarcian (~ 183 Ma). Siden ingen DSDP ( Deep Sea Drilling Project ) eller ODP ( Ocean Drilling Program ) kjerner har gjenopprettet svarte skifre i denne alderen - det er lite eller ingen toarkisk havskorpe igjen - kommer prøvene av svart skifer først og fremst fra utmark på land. Disse utmarkene, sammen med materiale fra noen kommersielle oljebrønner, finnes på alle de store kontinentene, og denne hendelsen virker lignende i natur til de to store kritt -eksemplene.

Paleozoisk

Hovedartikkel: Paleozoikum

Den Perm-Trias-Utdøingen , utløst av runaway CO2 fra sibirsk feller, ble merket ved Ocean deoksygenering .

Grensen mellom ordovisiske og siluriske perioder er preget av gjentatte perioder med anoksi, ispedd normale, oksiske forhold. I tillegg finnes det anoksiske perioder under siluren. Disse anoksiske periodene skjedde i en tid med lave globale temperaturer (selv om CO
2 nivåene var høye), midt i istiden.

Jeppsson (1990) foreslår en mekanisme der temperaturen på polare farvann bestemmer stedet for dannelse av nedvannende vann. Hvis vannet på høy breddegrad er under 5 ° C (41 ° F), vil det være tett nok til å synke; ettersom de er svale, er oksygen svært løselig i vannet, og dyphavet vil bli oksygenert. Hvis vannet på høy breddegrad er varmere enn 5 ° C (41 ° F), er dens tetthet for lav til at de kan synke under det kjøligere dype vannet. Derfor kan termohalin sirkulasjon bare drives av salt-økt tetthet, som har en tendens til å dannes i varmt vann der fordampningen er høy. Dette varme vannet kan oppløse mindre oksygen, og produseres i mindre mengder, noe som gir en treg sirkulasjon med lite dypvannsoksygen. Effekten av dette varme vannet forplanter seg gjennom havet og reduserer mengden CO
2som havene kan holde i løsning, noe som får havene til å frigjøre store mengder CO
2ut i atmosfæren på en geologisk kort tid (titalls eller tusenvis av år). Det varme vannet starter også frigjøring av klatrater , noe som ytterligere øker atmosfærisk temperatur og bassenganoksi. Lignende positive tilbakemeldinger fungerer under kaldepolepisoder, og forsterker deres kjøleeffekter.

Perioden med kalde poler kalles "P-episoder" (forkortelse for primo ), og er preget av bioturerte dype hav, en fuktig ekvator og høyere forvitringshastigheter, og avsluttet med utryddelseshendelser-for eksempel hendelsene Ireviken og Lau . Det omvendte er sant for de varmere, oksiske "S-episodene" ( secundo ), der dype havsedimenter vanligvis er graptolitiske sorte skifre. En typisk syklus av secundo-primo- episoder og påfølgende hendelse varer vanligvis rundt 3 Ma.

Hendelsens varighet er så lang sammenlignet med begynnelsen fordi de positive tilbakemeldingene må være overveldet. Kullinnholdet i havatmosfæresystemet påvirkes av endringer i forvitringshastighetene, som igjen er dominerende kontrollert av nedbør. Fordi dette er omvendt relatert til temperaturen i silurisk tid, trekkes karbon gradvis ned under varm (høy CO
2) S-episoder, mens det motsatte er sant under P-episoder. På toppen av denne gradvise trenden er signalet fra Milankovic-sykluser overtrykket , som til slutt utløser vekslingen mellom P- og S-episoder.

Disse hendelsene blir lengre i løpet av Devonian; den forstørrende landanleggets biota fungerte sannsynligvis som en stor buffer for karbondioksidkonsentrasjoner.

Den end-ordoviciske Hirnantian-hendelsen kan alternativt være et resultat av algeoppblomstring, forårsaket av plutselig tilførsel av næringsstoffer gjennom vinddrevet oppvelling eller en tilstrømning av næringsrikt smeltevann fra smeltende isbreer, som i kraft av sin friske natur også ville bremse hav sirkulasjon.

Arkeisk og proterozoisk

Det har blitt antatt at gjennom det meste av jordens historie var havene stort sett oksygenmangel. Under Archean , euxinia var i stor grad fraværende på grunn av lav tilgjengelighet av sulfat i havet, men i løpet av proterozoikum, ville det blitt mer vanlig.

Se også

Referanser

Videre lesning

  • Kashiyama, Yuichiro; Nanako O. Ogawa; Junichiro Kuroda; Motoo Shiro; Shinya Nomoto; Ryuji Tada; Hiroshi Kitazato; Naohiko Ohkouchi (mai 2008). "Diazotrofiske cyanobakterier som de viktigste fotoautotrofene under hav-anoksiske hendelser i midten av kritt: Nitrogen- og karbonisotopiske bevis fra sedimentær porfyrin". Organisk geokjemi . 39 (5): 532–549. doi : 10.1016/j.orggeochem.2007.11.010 .
  • Kump, LR; Pavlov, A. & Arthur, MA (2005). "Massiv frigjøring av hydrogensulfid til overflaten av havet og atmosfæren i intervaller med oceanisk anoksi". Geologi . 33 (5): 397–400. Bibcode : 2005Geo .... 33..397K . doi : 10.1130/G21295.1 .
  • Hallam, A. (2004). Katastrofer og mindre ulykker: årsakene til masseutryddelse . Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. s. 91–607. ISBN 978-0-19-852497-7.
  • Demaison GJ og Moore GT, (1980), "Anoksiske miljøer og olje kildebedgenese". American Association of Petroleum Geologists (AAPG) Bulletin, Vol.54, 1179–1209.

Eksterne linker