Permian Palaeotemperature and Ice Volumes History: Evidence from Carbon and Oxygen isotopes

Die Temperatur- und Vereisungsgeschichte des Perms: Rekonstruktion anhand von Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenverhältnissen

  • High-resolution oxygen isotope record based on 356 measurements of conodont apatite from several low latitudinal sections in South China, USA and Iran was composed in order to unravel Permian palaeotemperature and ice volume history. Oxygen isotope analyses of different conodont taxa suggest that Streptognathodus and Hindeodus lived in near-surface seawater and recorded surface waters temperature, whereas the habitat of gondolellid genera was variable depending on sea level, with both near-surface and deeper waters as potential life habitat. The results of this study document that oxygen isotope studies on Permian conodonts should be performed on mono-generic conodont samples and that oxygenHigh-resolution oxygen isotope record based on 356 measurements of conodont apatite from several low latitudinal sections in South China, USA and Iran was composed in order to unravel Permian palaeotemperature and ice volume history. Oxygen isotope analyses of different conodont taxa suggest that Streptognathodus and Hindeodus lived in near-surface seawater and recorded surface waters temperature, whereas the habitat of gondolellid genera was variable depending on sea level, with both near-surface and deeper waters as potential life habitat. The results of this study document that oxygen isotope studies on Permian conodonts should be performed on mono-generic conodont samples and that oxygen isotopes not only provide valuable palaeoclimatic information but also may help to constrain the life habitat of conodonts. The oxygen isotope record measured on Early Permian conodonts from South China exhibits relative high values between 22 and 23‰ VSMOW during the glaciated Early Permian, translating into warm seawater temperature between 26 and 30 °C, assuming that Early Permian ice volumes were comparable to the Pleistocene glacial maxima. In contrast to the earlier view that the Late Palaeozoic Ice Age (LPIA) terminated in the late Sakmarian, the South China conodont apatite oxygen isotope record suggests waning of the ice sheets in the Kungurian. Ice melting is indicated by a pronounced decrease in δ18O of 2‰ VSMOW, which is interpreted as reflecting the combined effect of climatic warming and glacial ice melting. Oxygen isotopes of conodont apatite as well as carbon isotopes of whole rock carbonates were studied in the G–L boundary sections Penglaitan and Tieqiao (Southwest China). Carbon isotopes of whole rock samples were studied in order to document changes in the carbon cycle. In contrast to earlier studies, no major negative excursion in δ13C is observed in the middle Capitanian. Instead, a positive δ13C excursion is observed in the latest Capitanian with a 1.5‰ increase registered in the J. xuanhanensis Zone to C. postbitteri hongshuiensis Subzone, followed by a decrease of 1‰ within the C. postbitteri postbitteri Subzone and a 2‰ decrease in the C. dukouensis to C. asymmetrica Zone. The oxygen isotope record reconstructed from gondollelid conodonts suggests warming of water temperatures of about 4 °C in the late Capitanian (J. postserrata to J. granti Zone), cooling of about 6 to 8 °C across the G–L boundary and in the earliest Wuchiapingian, and again significant warming in the Wuchiapingian (C. dukouensis to C. liangshanensis Zone). The temperature increase in the late Capitanian can be correlated with the main phase of Emeishan volcanism suggesting that climatic warming may have resulted in an intensified hydrological cycle, fertilization of the oceans and enhanced primary productivity, the latter documented in the positive late Capitanian carbon isotope excursion. However, changes in sea-level seem to parallel reconstructed water temperatures suggesting that changes in water depth in combination with superimposed climatic changes may have been responsible for the observed temperature changes. Oxygen isotope record measured on Late Permian conodonts from South China show a significant increase to 22‰ VSMOW in the Changhsingian. This increase is interpreted as a consequence of climate cooling and Clarkina moving to deeper waters as consequence of the Changhsingian sea level rise. High-resolution oxygen isotope records from the Permian–¬Triassic boundary interval in the Meishan and Shangsi sections (South China) show a decrease by 2‰ in the latest Permian translating into warming of low latitudinal surface waters of 8 °C. The oxygen isotope shift coincides with the negative shift in carbon isotope ratios of carbonates suggesting that the addition of isotopically light carbon to the ocean-atmosphere system by Siberian trap volcanism and related processes resulted in higher greenhouse gas levels and global warming. The major temperature rise started immediately before the main extinction phase, with maximum and harmful temperatures documented in the latest Permian (Meishan: bed 27). The coincidence of climate warming and the main pulse of extinction suggest that global warming was one of the causes of the collapse of the marine and terrestrial ecosystems. In addition, very warm climate conditions in the Early Triassic may have played a major role in the delayed recovery in the aftermath of the Permian–Triassic crisisshow moreshow less
  • Um die Paläoklima- und Eisvolumengeschichte des Perms rekonstruieren zu können, wurde eine hochaufgelöste Sauerstoffisotopenkurve basierend auf der Analyse von Conodontenapatit aus Südchina, dem Iran und den USA (n= 356) erarbeitet. Sauerstoffisotopenanalysen an einzelnen Conodontengattungen belegen, dass die Gattungen Streptognathodus und Hindeodus v.a. im Oberflächenwasser lebten und damit die Temperaturen an der Wasseroberfläche wiedergeben. Das Habitat von Gondollela war abhängig vom Meeresspiegel, wobei sowohl eine Lebensweise in offenmarinen Oberflächengewässern als auch in tieferen Partien der Wassersäule möglich war. Diese Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass im Falle des PermsUm die Paläoklima- und Eisvolumengeschichte des Perms rekonstruieren zu können, wurde eine hochaufgelöste Sauerstoffisotopenkurve basierend auf der Analyse von Conodontenapatit aus Südchina, dem Iran und den USA (n= 356) erarbeitet. Sauerstoffisotopenanalysen an einzelnen Conodontengattungen belegen, dass die Gattungen Streptognathodus und Hindeodus v.a. im Oberflächenwasser lebten und damit die Temperaturen an der Wasseroberfläche wiedergeben. Das Habitat von Gondollela war abhängig vom Meeresspiegel, wobei sowohl eine Lebensweise in offenmarinen Oberflächengewässern als auch in tieferen Partien der Wassersäule möglich war. Diese Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass im Falle des Perms Sauerstoffisotopenanalysen nicht an gemischten Conodontenassoziationen, sondern nur einzelnen Gattungen durchgeführt werden sollten. Unterpermische Conodonten aus Südchina zeigen relativ hohe Sauerstoffisotopenwerte zwischen 22–23‰ VSMOW, welche unter Annahme, dass das Eisvolumen im frühen Perm (Karbon-Perm Vereisung) vergleichbar zu jenem der Eisschilde des Letzten Glazialen Maximum (LGM) war, auf relativ warme tropische Temperaturen von 26 bis 30 °C hinweisen. Im Unterschied zu sedimentologischen Untersuchungen, die ein Abschmelzen der großen Gondwana Eisschilde im Sakmarian andeuten, weisen die Sauerstoffisotopenwerte (Abnahme im δ18O um 2‰) auf eine spätere Erwärmung und ein späteres Abschmelzen der Gletscher im Kungurian hin. Zwei Guadalupian-Lopingian Grenzprofile (Penglaitan und Tieqiao Profile/Südchina) wurden detailliert auf Änderungen in der Sauerstoffisotopie untersucht. Kohlenstoffisotopenanalysen an Karbonaten wurden durchgeführt, um Änderungen im Kohlenstoffkreislauf dokumentieren zu können. Im Unterschied zu früheren Studien konnte keine bedeutende negative Kohlenstoffisotopenexkursion im mittleren Capitanian nachgewiesen werden. In den Sauerstoffisotopenverhältnissen ist im späten Captanian (J. xuanhanensis–C. postbitteri hongshuensis Conodonten Subzone) ein Anstieg um 1.5‰, in der C. postbitteri postbitteri Subzone eine Abnahme um 1‰ und in der C. dukouensis bis C. asymmetrica Zone eine weitere Abnahme um 2‰ zu verzeichnen. Dieser Verlauf in den Sauerstoffisotopenwerten lässt eine Erwärmung der Wassertemperatur um etwa 4 °C im späten Capitanian (J. postserrata bis J. granti Zone), eine Abkühlungvon 6 bis 8 °C im Übergangsbereich Guadalupian–Lopingian sowie frühen Wuchiapingian und eine erneute Erwärmung im Wuchiapingian (C. dukouensis bis C. liangshanensis Zone) erkennen. Der Temperaturanstieg im späten Capitanian kann mit der Hauptphase des Emeishan Plateaubasaltvulkanismus korreliert werden. Diese Gleichzeitigkeit lässt darauf schließen, dass die vulkanische Emission von CO2 zu einer erhöhten Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre, einer Erwärmung, einem intensivierten hydrologischen Zyklus, einem erhöhten Nährstoffeintrag in die Ozeane und letztlich zu einer erhöhten Bioproduktivität geführt haben könnte. Eine erhöhte Primärproduktion ist durch die positive Kohlenstoffisotopenexkursion im späten Capitanian dokumentiert. Da die Meeresspiegelkurve parallel mit der rekonstruierten Paläotemperaturkurve verläuft, ist allerdings zu vermuten, dass die Änderungen in den Sauerstoffisotopenverhältnissen nicht ausschließlich auf klimatische Temperaturänderungen, sondern auch auf Änderungen in der Wassertiefe (und damit der Wassertemperatur), in der die Conodonten gelebt haben, zurückzuführen sind. Die Sauerstoffisotopenwerte von Conodonten (Südchina) aus dem Changhsingian zeigen einen markanten Anstieg zu Werten um 22‰ VSMOW. Dieser Anstieg weist ebenfalls auf eine Abwanderung von Clarkina in größere Wassertiefen in Folge des Meeresspiegelanstiegs im Changshingian und auf eine klimatische Abkühlung hin. Sauerstoffisotopenanalysen an Conodonten des Perm–Trias Übergangsbereichs (Meishan und Shangsi Profile/Südchina) zeigen eine Verringerung der Werte um 2‰ VSMOW in späten Perm und damit eine Erwärmung der tropischen Oberflächenwässer um 8 °C an. Der Trend zu leichteren Sauerstoffisotopenwerten geht einher mit dem weltweit nachgewiesenen Trend zu leichteren Kohlenstoffisotopenwerten (gemessen an Karbonat- und organischem Kohlenstoff), welche auf eine erhöhte CO2 Emission infolge des Sibirischen Plateaubasaltvulkanismus und daran geknüpfter Prozesse zurückgeführt wird. Letztere könnten zu einer erhöhten Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre und der dokumentierten Erwärmung geführt haben. Die Koinzidenz der klimatischen Erwärmung mit dem Aussterbeereignis im Bereich der Perm–Trias Grenze deutet an, dass die klimatische Erwärmung einer der Gründe für das bedeutendste Aussterbeereignis in der Erdgeschichte war.show moreshow less

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Metadaten
Author:Bo Chen
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-34401
Advisor:Michael Joachimski
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/07/25
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2012/07/19
Release Date:2012/07/25
Tag:Permian; conodont apatite; isotope geochemistry; palaeoclimatology
SWD-Keyword:Geologie; Isotopengeologie; Paläoklimatologie; Perm
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften

$Rev: 12793 $