Fra krystaller til klima:Guldstandardens tidslinje forbinder oversvømmelsesbasalter med klimaændringer

Forestil dig en enorm vulkan i udbrud i det nordvestlige Stillehav, hælder lava ud over Washington, Oregon og Idaho. Forestil dig, at lavaen strømmer ud, indtil floddale er fyldt ud. Indtil buske og buske er begravet i flydende sten. Indtil de højeste træer er helt dækket.

For omkring 16 millioner år siden, det her skete.

Lava brød ud i pulser, i sidste ende begrave regionen til højden af ​​en 30-etagers bygning. Hvis lavaen var blevet spredt jævnt over de nederste 48 stater i stedet for at forblive koncentreret i nordvest, det ville dække landet til en dybde på omkring 80 fod.

Før nu, de fleste geologer troede, at det tog næsten 2 millioner år at bryde al den lava ud, kollektivt kendt som "Columbia River Flood Basalts." Men Princeton-forskere udgiver resultater i dag, der viser, at det skete mere end dobbelt så hurtigt som tidligere antaget, med 95 procent i udbrud inden for 750, 000-års vindue.

Oversvømmelsesbasalter har fascineret geologer i århundreder. Som de største vulkanske begivenheder på Jorden, de er blevet impliceret i masseudryddelser, såsom den største udryddelsesbegivenhed i Jordens historie, 252 millioner år siden. Der var ingen masseudryddelse for 16 millioner år siden, men der var en større klimabegivenhed på det tidspunkt, kendt som Mid-Miocene Climate Optimum (MMCO), en global opvarmningsbegivenhed med høje temperaturer og forhøjede atmosfæriske kuldioxidniveauer.

De samme vulkaner, der bryder ud i flydende sten, udbryder også drivhusgasser, så geologer har spekuleret på, om der var en sammenhæng mellem oversvømmelsen af ​​basalter og MMCOs globale opvarmning. Bare et problem:Før nu, ingen var helt sikker på tidspunktet for Columbia River-flodens basalter.

"For at besvare spørgsmålet om Columbia River-flodens basalter forårsagede MMCO, vi skal kende tidspunktet for udbrud og klimaændringer så præcist som muligt, " sagde Blair Schoene, lektor i geovidenskab.

"For at sige det enkelt, folk vidste ikke præcist hvornår eller hvor længe Columbia River Basalt Group brød ud, hvilket gjorde det vanskeligt at udforske en årsagssammenhæng med MMCO, sagde Jennifer Kasbohm, en kandidatstuderende og hovedforfatter til det papir, der i dag vises i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

For at hjælpe med at forklare omfanget af udbruddene, Kasbohm trak en parallel til Eyjafjallajökull-udbruddet i 2010 på Island. "Det islandske udbrud lukkede lufthavne i Europa i en uge, påvirker 10 millioner rejsende, og der var periodiske flyselskabsafbrydelser i den følgende måned, " sagde hun. "Forestil dig nu at have et af de islandske udbrud hver 8. måned for 750, 000 år i træk, og det ville give dig vores forudsagte udbrudsrate for Columbia River-basalterne."

Tre studerende fulgte Kasbohm og Schoene i laboratoriet og i marken, bidrager til deres forskning, mens de gennemfører deres egne projekter:Josh Murray fra klassen i 2018, Sam Bartusek '20 og Kyle Duffey '19. "Projektet involverede syv ugers feltarbejde, med mange dage over 100 grader Fahrenheit, " sagde Kasbohm. "Vi stødte på en håndfuld klapperslanger, talrige edderkopper, venlige og hjælpsomme lokale, og det lykkedes os at være et skridt foran skovbrandene i regionen."

De ledte efter zirkoner, små mineraler indeholdende spormængder af uran. Over tid, det naturligt radioaktive materiale henfalder til bly, så geologer kan bruge forholdet mellem uran til bly til at beregne præcis, hvor gammel zirkonen er. Desværre for geologer, basaltiske lavastrømme som Columbia River-flodbasalterne har ikke den rette kemi til at lave zirkoner, så indtil nu, geologer har måttet nøjes med datoer med usikkerhed på over en million år, produceret gennem andre dateringsmetoder.

"For at teste for en årsagssammenhæng mellem klima og udbrud, en million år er ikke godt nok, sagde Schoene.

Forskerne kom uden om manglen på zirkoner i lavastenene ved at se på lag af vulkansk aske mellem basaltlagene. Asken kom fra de nærliggende Cascade-vulkaner (inklusive Mount Saint Helens), som indeholder zirkon og brød ud omtrent samtidig med de massive lavaer.

I deres laboratorium i Princeton, Kasbohm og Schoene adskilte 0,1 mm store zirkoner fra de 16 millioner år gamle sten, målte isotopforholdet mellem uran og bly, og fastholdt alderen for individuelle lavastrømme til inden for et par titusinder af år. "Den præcision er dybest set den bedste, du kan gøre med et hvilket som helst kronometer for prøver på denne alder - selvom 10, 000 år lyder af meget - så vores metode er guldstandarden, " hun sagde.

"This is the most significant paper to come out about the Columbia River flood basalts in a decade or two, " said Stephen Reidel, a research professor of geology at Washington State University-Tri-Cities, who has studied these lava flows since 1972 and contributed to the analysis of this research. "Jenn and Blair deserve a lot of compliments for thinking to look at the zircons in the ash beds between the flows.... Of course, now we're going to have to go back and re-calculate everything that used the old timeline or eruption rate. That's okay—that's part of the fun."

With their more precise timeline, Kasbohm and Schoene have now shown that the prehistoric climate change did start very close in time to the beginning of the eruptions, but further work is needed to pin down the connection between them.

This 16-million-year-old climate change event is the last time that carbon dioxide concentrations in the atmosphere shot above 400 parts per million—until the last decade.

"The MMCO could be a parallel to our current climate, and further work investigating the timing and duration of that event will tell us more about how we can expect Earth to recover from anthropogenic climate change, " Kasbohm said. For instance, if the climate stayed warm for a million years after the volcanoes stopped erupting, as now looks possible, that could have significant implications for predicting how long the atmosphere will respond to human-caused global warming.

"Time matters, " said Kasbohm, "whether we're trying to learn about Earth's past or its future. It's very empowering to use tiny minerals to tell the story of these voluminous rocks."

Artiklen, "Rapid eruption of the Columbia River flood basalt and correlation with the mid-Miocene climate optimum, " is published in the Sept. 19 issue of Videnskabens fremskridt .