The Phanerozoic δ(88/86)Sr Record of Marine Carbonates - Implications for Seawater Chemistry

Vollstaedt, Hauke

In the light of increasing interest in the role of the world’s oceans in future global change, it is important to understand the underlying processes that were responsible for paleoceanographic changes in the geological past. Previous studies working on the geochemistry of ancient marine deposits agree that the seawater chemistry must have been changed throughout the Phanerozoic Eon. In particular, concurrent long-term changes in radiogenic and stable isotope systems, element ratios and concentrations and their correlation with sea-level changes, climate reconstructions, and global mass extinctions suggests common causative mechanisms. However, the geological processes being responsible for the observed changes are still being debated. Specifically, the role of mid ocean spreading rates, dolomitization and sea-level changes are thought to play a major role in paleo-seawater chemistry of major and trace elements. Within this study the first Phanerozoic stable strontium (Sr) isotope seawater record (δ(88/86)Sr-sw) is reconstructed, which is sensitive to imbalances in the Sr input and output fluxes. In a consequent model approach, the radiogenic Sr isotope record (87-Sr/86-Sr)sw and δ(88/86)Sr-sw are used to constrain the marine Phanerozoic Sr budget. On long timescales (~200Myr periodicity), δ(88/86)Sr-sw and modelled Sr carbonate burial rates (F(Sr)carb) follow times of proposed „aragonite seas“ and „calcite seas“, implying that the dominant carbonate mineralogy has an important effect on Sr burial rates. On shorter timescales, minima and maxima in F(Sr)carb are partly correlated to ocean anoxia and glaciations and related sea-level low stands, implying the importance of continental carbonate shelf weathering to the marine Sr budget. In particular, enduring high carbonate burial rates for ~21Myr could be related to seawater anoxia during the end-Permian mass extinctions. Here, bacterial sulphate reduction rates led to toxic and high alkaline deep waters that were intermittently upwelled to the surface ocean, causing massive carbonate precipitation on the seafloor as well as the largest biogeochemical crisis in the Phanerozoic Eon. Ultimately, insights from changes in δ(88/86)Sr-sw significantly improved our understanding of long-term changes in seawater chemistry and the relation of carbonate-related Sr fluxes to sea-level changes, mass extinctions, and global anoxia.

In Anbetracht des zunehmenden Interesses an der Rolle der Weltmeere im zukünftigen globalen Wandel, ist es wichtig die zugrunde liegenden Prozesse für die paläozeanographischen Veränderungen der geologischen Vergangenheit zu verstehen. Die bisherigen geochemischen Arbeiten an alten marinen Ablagerungen stimmen dabei überein, dass sich die Meerwasserchemie im Phanerozoikum geändert haben muss. Insbesondere die langfristigen Veränderungen in radiogenen und stabilen Isotopensystemen, Element-verhältnissen und –konzentrationen, sowie deren Korrelation mit Meeresspiegeländerungen, Klimarekonstruktionen und globalen Massenaussterbeereignissen weisen auf gemeinsame kausale Mechanismen hin. Allerdings sind die dafür verantwortlichen geologischen Prozesse noch in der Diskussion. Insbesondere die Prozesse der Ozeankrustenproduktion an mittelozeanischen Rücken, der Dolomitisierung und Meeresspiegeländerungen werden in Betracht gezogen, eine wichtige Rolle in der Paläo-Meerwasserchemie der Haupt- und Spurenelementen zu spielen. Im Rahmen dieser Studie wurde der erste phanerozoische stabile Strontium (Sr)-Isotopen Datensatz des Meerwassers (δ(88/86)Sr-sw) erstellt, welcher empfindlich auf Ungleichgewichte zwischen den Sr Quellen und Senken reagiert. In einem darauf folgenden Modell-Ansatz wurden die radiogenen (87-Sr/86-Sr) und stabilen (δ(88/86)Sr-sw) Daten verwendet, um das marine phanerozoische Sr Budget zu bilanzieren. Auf langen Zeitskalen (~ 200Mio. Jahre Periodizität) folgen δ88/86Srsw und die modellierten Sr Sedimentationsflüsse (F(Sr)carb) den Perioden von „Aragonit Meeren“ und „Calcit Meeren“, was bedeutet, dass die dominante Karbonatmineralogie einen wichtigen Einfluss auf die Sr Sedimentation hat. Auf kürzeren Zeitskalen sind Minima und Maxima in F(Sr)carb teilweise mit marinen Anoxien sowie Vereisungen und den damit verbundenen Meeresspiegeländerungen korreliert, welches die Bedeutung der kontinentalen Karbonatschelfverwitterung für das Sr Budget anzeigt. Insbesondere die ~21Mio. Jahre anhaltendenden hohen Karbonatsedimentationsraten am Ende des Perms konnten zur Meerwasseranoxie während der Massenaussterbens in Bezug gesetzt werden. Hier führte die bakterielle Sulfatreduktion zu giftigen und stark alkalischen Tiefengewässern, die zeitweise zur Meeresoberfläche aufgetrieben wurden, was zu einer massiven Karbonatausfällung auf dem Meeresboden, sowie zur bisher größten biogeochemischen Krise im Phanerozoikum geführt hat. Letztendlich haben die Erkenntnisse aus den Veränderungen im δ(88/86)Sr-sw unser Verständnis von langfristigen Veränderungen in der Meerwasserchemie, sowie den Zusammenhang zwischen marine Karbonatflüssen zu Meeresspiegeländerungen, Massenaussterben und globaler Anoxie, deutlich verbessert.

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Vollstaedt, Hauke: The Phanerozoic δ(88/86)Sr Record of Marine Carbonates - Implications for Seawater Chemistry. 2012.

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