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Excursión isotópica positiva del carbono de Steptoean

La excursión isotópica positiva de carbono del Esteptoe ( SPICE ) es un evento quimioestratigráfico global que ocurrió durante el período Cámbrico superior entre 497 y 494 millones de años atrás. [1] Este evento corresponde con el límite de la etapa Guzhangiana - Paibiana del ICS y el límite de la etapa Marjuman-Esteptoeana en América del Norte. [2] La firma general del evento SPICE es una excursión positiva de δ 13 C , caracterizada por un cambio de 4 a 6 ‰ ( por mil ) en los valores de δ 13 C [1] [2] dentro de las sucesiones de carbonatos en todo el mundo. [3] SPICE se describió por primera vez en 1993, [4] y luego se nombró más tarde en 1998. [3] En ambos estudios, se identificó la excursión SPICE y se observaron tendencias dentro de las formaciones cámbricas de la Gran Cuenca del oeste de los Estados Unidos . [3]

Edad

La edad del SPICE está fechada entre 497 a 494 MA, donde se ha identificado principalmente mediante el uso de datación relativa y bioestratigrafía . El inicio del SPICE se acepta generalmente que corresponde a la segunda ola de la extinción del biomero final de Marjuman, y su terminación corresponde a la extinción del biomero final de Steptoean. [1] Usando fósiles índice de trilobites y braquiópodos vinculados a estas extinciones, se pueden definir los límites superior e inferior del evento. El comienzo del SPICE se identifica por la extinción de trilobites poliméricos de aguas poco profundas, luego reemplazados por trilobites olenimorfos de aguas profundas después del valor pico δ 13 C observado del evento SPICE. [5] La edad del SPICE también se puede determinar en función de su correlación con el conocido límite de la secuencia Sauk II-Sauk III en América del Norte. Además, además de los marcadores bioestratigráficos, el marco temporal de 3 millones de años del evento SPICE también se ha determinado utilizando tasas de deposición calculadas y la longitud de algunas de las secuencias SPICE más ampliamente estudiadas. [2]

Localidades, geología y δ13Características C

Localidades

Mapa de localidades de SPICE durante el Cámbrico superior (500 Ma). Modificado a partir del mapa publicado por Pulsipher et al., 2021.
Mapa de las localidades de SPICE durante el Cámbrico superior (500 Ma). Los puntos del mapa indican la ubicación de las formaciones y el color indica la profundidad del agua paleolítica. La imagen modificada proviene originalmente de Pulsipher et al., 2021. [2]

El evento SPICE se expresa globalmente con formaciones conocidas en 11 países: Estados Unidos , China , Australia , Corea del Sur , Argentina , Canadá , Francia , Kazajstán , Escocia y Suecia (ordenadas de mayor a menor número de localidades). Estas ubicaciones abarcan 4 continentes modernos ( América del Norte , Asia , Australia , Europa y América del Sur ) y representan 5 paleocontinentes del Cámbrico superior : Laurentia , Gondwana , Kazajstán , Siberia , [2] y Baultica . [6] Todas las formaciones que contienen intervalos SPICE se formaron entre las paleolatitudes de 30°N y 60°S. [2] Para obtener una lista completa de las localidades y la formación SPICE, consulte los siguientes mapas y la tabla.

Localidades modernas de formaciones que contienen la excursión SPICE. Véase la tabla adjunta para obtener más detalles.

Geología

Las formaciones que contienen excursiones SPICE son muy variables y sus características geológicas varían considerablemente entre localidades. El espesor estratigráfico en particular tiene rangos muy amplios entre localidades, siendo el más pequeño el de la sección Wangliangyu de China, que es de menos de 3 m. Este espesor contrasta con el de la sección Kulyumbe de Siberia, que es mayor de 800 m. Esta variabilidad del espesor estratigráfico sugiere que las tasas de deposición regional durante el período SPICE de 497 Ma a 494 Ma no fueron uniformes a nivel global y más dependientes de la región. [2]

Además, las formaciones que contienen la excursión SPICE representan una amplia variedad de litologías, facies y profundidades de agua. En términos de litología, todos los intervalos SPICE están contenidos dentro de unidades carbonatadas dentro de secuencias de carbonatos y silicatos. La litología más común para los intervalos SPICE son calizas micríticas o lutitas carbonatadas , generalmente intercaladas con capas delgadas de lutita calcárea . [21] [1] También se han observado intervalos SPICE en unidades de dolomía , sin embargo, estas no son tan comunes como las rocas carbonatadas. [2] Los intervalos SPICE también son muy variables en lo que respecta a las facies, con ejemplos para entornos de aguas someras, intermedias y profundas (ver el mapa en la sección de localidades). [2] Considerando las dos áreas de estudio más prominentes, las formaciones Laurentianas (EE. UU.) tienden a tener una representación más fuerte de facies superficiales e intermedias (superficial/cerca de la costa, plataforma, cuenca intraplataforma), [5] [21] mientras que las secciones de Gondwana (China y Australia) tienen una mejor representación de facies de aguas profundas (pendiente y cuenca), junto con facies superficiales e intermedias. [2]

Etapas de SPICE

Figura que muestra las seis etapas del SPICE: pre-SPICE, SPICE inicial, SPICE ascendente, meseta, SPICE descendente y post-SPICE. La línea del gráfico muestra cómo cambian los valores de δ13C a través de cada etapa.
Las seis etapas del SPICE. La línea roja indica el valor de δ13C. Gráfico modificado a partir de Pulsipher et al., 2021 [2] y Zhang et al., 2023. [1]

Al definir los valores estándar de δ 13 C del intervalo SPICE, se puede observar que la magnitud es muy variable de un lugar a otro, con valores de excursión máxima que van desde 0,64 ‰ a 8,03 ‰. Sin embargo, independientemente de los valores, el intervalo SPICE se puede identificar en función de un patrón similar observado en cada secuencia. Este patrón se identifica en función de 6 etapas distintas: pre-SPICE, SPICE inicial, SPICE ascendente, [1] meseta, [2] SPICE descendente y post SPICE [1] (consulte la figura para obtener una representación visual de cada etapa).

Etapa 1: Pre-SPICE

Todas las áreas de la sección antes del inicio del intervalo SPICE. Los valores de δ 13 C permanecen cerca de 0 ‰, similares al carbono inorgánico disuelto marino moderno. [1] [2]

Etapa 2: SPICE temprano

Inicio de SPICE, caracterizado por un aumento lento de δ 13 C desde 0 hasta aproximadamente 1 ‰, lo que sugiere un aumento gradual en el enterramiento de carbono orgánico y una disminución del 12 C oceánico. [1] [2]

Etapa 3: SPICE en ascenso

Aumento rápido de δ 13 C desde el valor inicial de SPICE hasta el valor máximo. Este cambio de valor se da generalmente entre 3 ‰ y 6 ‰, lo que sugiere un aumento rápido del enterramiento de carbono orgánico. [1] [2] El inicio del aumento de SPICE también corresponde generalmente a indicadores fósiles de la segunda etapa de la extinción del biomero final de Marjuman.

Etapa 4: Meseta

Los valores de δ 13 C fluctúan pero permanecen cerca del valor máximo durante un período de tiempo. Esta etapa no se observa en todos los intervalos SPICE. Después de alcanzar el valor máximo, la mayoría de los intervalos pasan inmediatamente a la etapa 5, la etapa descendente de SPICE. [2]

Etapa 5: caída de SPICE

Disminución rápida desde el valor máximo de δ 13 C hasta cerca del valor estándar del agua del océano (0 ‰). La tasa de disminución del SPICE descendente es generalmente más rápida que la tasa de aumento del SPICE ascendente. Generalmente se interpreta como que el agua del océano vuelve a los niveles estándar de δ 13 C. [1] [2]

Etapa 6: Post SPICE

Todas las áreas de la sección inmediatamente posteriores a la terminación de SPICE. [1] [2]

Factores que afectan la magnitud de δ13Anomalía C

A pesar de ser un fenómeno global, la magnitud de los valores de δ 13 C observados dentro de un intervalo SPICE parece verse muy afectada por una variedad de condiciones locales. Algunas tendencias comunes que se han determinado son las siguientes:

  1. Las formaciones de paleolatitudes superiores (superiores a 30°S) tienden a tener valores de δ 13 C más bajos a lo largo de la secuencia.
  2. Las facies más superficiales tienen valores más bajos que las facies más profundas.
  3. La piedra caliza tiende a tener un δ 13 C marginalmente más alto que la dolomía. [2]

Mecanismo propuesto

Los cambios regionales en el nivel del mar, [22] [11] el enfriamiento del agua del mar superior desde el océano profundo, [1] la anoxia /euoxia oceánica , [9] [1] y las extinciones de trilobites y braquiópodos [5] [30] están todos asociados con el evento SPICE. Esta combinación de factores crea las condiciones para el mecanismo primario de formación del SPICE, un aumento en el enterramiento de carbono orgánico, causado por el aumento de la productividad primaria (por ejemplo, la fotosíntesis ).

La propagación de la anoxia o euxinia en las profundidades del océano , indicada por una excursión positiva correlacionada del δ 34 S CAS y un mayor enterramiento de pirita, [9] creó condiciones que favorecían la preservación del material orgánico depositado y condiciones estresantes para los organismos marinos. [1] Inicialmente, estas condiciones se habrían propagado lentamente, limitadas a entornos profundos y con pequeños impactos en el sistema global de carbono. Este lento cambio inicial está representado por los cambios graduales y pequeños del δ 13 C del SPICE temprano. Sin embargo, a medida que pasaba el tiempo, las causas de las condiciones anóxicas/euxinia aumentaron y se desplazaron hacia la plataforma hacia facies más superficiales. Esto, combinado con otros factores como la regresión del nivel del océano (como el Sauk II-Sauk III en América del Norte), [11] y el enfriamiento global de la atmósfera y los océanos, impuso una mayor presión sobre los ecosistemas oceánicos. Este aumento de presión probablemente desencadenó la segunda ola de extinción del biomero final de Marjuman, [1] lo que resultó en la desaparición de muchas especies de trilobites y braquiópodos de aguas poco profundas del registro fósil en ese momento. [5]

Con la extinción de estos trilobites y braquiópodos, los productores primarios fotosintéticos probablemente florecieron como resultado de la disminución de la depredación. Esto combinado con un aumento en el enterramiento debido a la expansión de las condiciones anóxicas y una menor bioturbación de los organismos que habitan en el fondo del océano ahora extintos probablemente causaría un aumento brusco de los valores de δ 13 C. [1] Este aumento brusco se captura en el SPICE a través de la etapa ascendente de SPICE, en la que los valores de δ 13 C reflejan este cambio rápido en la productividad primaria y el enterramiento después de la extinción. [2] Finalmente, al salir de la extinción del biomero final de Marjuman y entrar en la etapa descendente de SPICE, los océanos probablemente experimenten una recuperación significativa de la biodiversidad. Después de la extinción de los taxones de aguas poco profundas, la fauna de trilobites olenimorfos de aguas profundas mejor adaptada comienza a diversificarse, llenando los entornos de aguas poco profundas que quedaron vacíos por la extinción del biomero final de Marjuman. [5] Este retorno de productores secundarios, junto con las reducciones en las condiciones anóxicas causadas por los cambios en el clima y la estabilización de los niveles oceánicos, provocan reducciones en la productividad primaria y el enterramiento de carbono orgánico. [1] Reducción rápida de los valores de δ 13 C y estabilización a valores de δ 13 C oceánicos más estándar observados en la etapa posterior a SPICE. [2]

Controversias

Una cuestión que aún se está investigando en relación con el SPICE es la posibilidad de una excursión negativa no descrita de δ 13 C directamente antes de la etapa temprana del SPICE. Esta excursión negativa no determinada no aparece en todas las localidades. Se teoriza que esta excursión puede haber permanecido sin detectar como resultado de discrepancias en el muestreo o porque solo representa un evento local. [2] Otra controversia clave del SPICE es su cronología exacta en relación con la extinción del biomero final de Marjuman y la extinción del biomero final de Steptoean. Actualmente, la investigación solo puede vincular el inicio del SPICE con la segunda ola de la extinción final de Marjuman. Se requiere más investigación para determinar si la primera ola de extinción se relaciona con SPICE y cómo. [5] Además, todavía hay muchas preguntas sobre SPICE y su implicación para los grandes eventos de biodiversidad que ocurren en el post SPICE, como la extinción del biomero final de Steptoean y el Gran Evento de Biodiversificación del Ordovícico (GOBE). Algunas investigaciones sugieren que el recambio de especies de trilobites y braquiópodos que se produjo durante el SPICE puede tener una correlación directa con estos acontecimientos posteriores. [2]

Comparación con otras anomalías

Excursión isotópica de carbono de Hirnantian (HICE)

Al igual que el SPICE, el evento HICE está vinculado a cambios en el clima y caídas en el nivel global del mar, lo que resulta en condiciones anóxicas y un aumento en el enterramiento de carbono orgánico. Los valores de δ 13 C para el HICE tienen una magnitud positiva similar, que va desde ~+2‰ a ~+7‰. Además, al igual que el SPICE, el evento HICE probablemente ocurrió durante un período de tiempo pequeño. Ocurrió en el Ordovícico superior y duró menos de 1,3 Ma. Sin embargo, una diferencia entre el HICE y el SPICE es que el HICE generalmente está restringido a facies de carbonato de aguas poco profundas. [42]

Evento Ireviken silúrico

Esta excursión de δ 13 C del Silúrico temprano (431 Ma) también muestra similitudes con el evento SPICE, con valores máximos positivos de δ 13 C en torno a 4,5‰. De manera similar al SPICE, la investigación sugiere que este evento está vinculado a la caída de los niveles del océano y a una renovación de la fauna. De manera similar al SPICE, el evento Ireviken también tiene una excursión positiva de δ 34 S CAS correlacionada con la excursión de δ 13 C. Lo que sugiere la influencia de las condiciones anóxicas y el aumento del enterramiento de carbono orgánico. Además, el evento Ireviken también tiene ocurrencias globales, pero su expresión está altamente influenciada por las características de las facies locales, de manera similar al SPICE. [43]

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