Princeton-geologerna Jennifer Kasbohm och Blair Schoene använde små zirkonkristaller som hittats i vulkanisk aska för att skriva om tidslinjen för utbrotten av Columbia River-flodbasalterna, en serie massiva lavaflöden som sammanföll med en uråldrig global uppvärmningsperiod för 16 miljoner år sedan. Här, student Josh Murray ('18) står vid foten av en klippa som visar ett lager av grå vulkanisk aska, hittas mellan två basaltflöden, som gav zirkoner som begränsade Wanapum-basaltens ålder. Kredit:Jennifer Kasbohm, Princeton University Institutionen för geovetenskap
Föreställ dig en enorm vulkan som bryter ut i Stilla havets nordvästra häller lava över Washington, Oregon och Idaho. Föreställ dig att lavan svämmar över tills floddalar är fyllda. Tills buskar och buskar begravs i flytande sten. Tills de högsta träden är helt täckta.
För cirka 16 miljoner år sedan, detta hände.
Lava bröt ut i pulser, slutligen begrava regionen till höjden av en 30-våningsbyggnad. Om lavan hade spridits jämnt över de nedre 48 staterna istället för att hålla sig koncentrerad i nordväst, det skulle täcka landet till ett djup av cirka 80 fot.
Före nu, de flesta geologer trodde att det tog nästan 2 miljoner år att få utbrott av all lava, gemensamt känd som "Columbia River Flood Basalts." Men Princeton-forskare publicerar idag fynd som visar att det hände mer än dubbelt så snabbt som man tidigare trott, med 95 procent utbrott inom 750, 000-års fönster.
Översvämningsbasalter har fascinerat geologer i århundraden. Som de största vulkaniska händelserna på jorden, de har varit inblandade i massutrotningar, som den största utrotningshändelsen i jordens historia, 252 miljoner år sedan. Det fanns ingen massutrotning för 16 miljoner år sedan, men det var en stor klimathändelse vid den tiden, känd som Mid-Miocene Climate Optimum (MMCO), en global uppvärmning med höga temperaturer och förhöjda koldioxidhalter i atmosfären.
Samma vulkaner som bryter ut flytande sten rapar också ut växthusgaser, så geologer har undrat om det fanns ett samband mellan översvämningsbasalterna och MMCO:s globala uppvärmning. Bara ett problem:Innan nu, ingen var helt säker på tidpunkten för Columbia River-flodbasalterna.
Princeton-geologerna Jennifer Kasbohm och Blair Schoene använde små zirkonkristaller som hittats i vulkanisk aska för att skriva om tidslinjen för utbrotten av Columbia River-flodbasalterna, en serie massiva lavaflöden som sammanföll med en uråldrig global uppvärmningsperiod för 16 miljoner år sedan. Palouse Falls State Park i Washington presenterar en utmärkt exponering av lavaflöden från Wanapum Basalt, den näst yngsta formationen av Columbia River Basalt Group. Kredit:Jennifer Kasbohm, Princeton University Institutionen för geovetenskap
"För att svara på frågan om Columbia River flodbasalter orsakade MMCO, vi behöver veta tidpunkten för utbrott och klimatförändringar så exakt som möjligt, sa Blair Schoene, docent i geovetenskap.
"För att uttrycka sig enkelt, folk visste inte exakt när eller under hur länge Columbia River Basalt Group bröt ut, vilket gjorde det svårt att utforska ett orsakssamband med MMCO, sa Jennifer Kasbohm, en doktorand och huvudförfattare till uppsatsen som visas i dagstidningen Vetenskapens framsteg .
För att förklara omfattningen av utbrotten, Kasbohm drog en parallell till Eyjafjallajökull-utbrottet 2010 på Island. "Det isländska utbrottet stängde flygplatser i Europa i en vecka, påverkar 10 miljoner resenärer, och det förekom periodiska flygbolagsstörningar för följande månad, " sa hon. "Tänk dig nu att ha ett av de där isländska utbrotten var 8:e månad för 750, 000 år i rad, och det skulle ge dig vår förutspådda utbrottshastighet för Columbia River-basalterna."
Tre studenter följde med Kasbohm och Schoene i labbet och på fältet, bidrar till sin forskning samtidigt som de slutför sina egna projekt:Josh Murray från klassen 2018, Sam Bartusek '20 och Kyle Duffey '19. "Projektet innebar sju veckors fältarbete, med många dagar över 100 grader Fahrenheit, " sa Kasbohm. "Vi stötte på en handfull skallerormar, många spindlar, vänliga och hjälpsamma lokalbefolkningen, och vi lyckades ligga steget före skogsbränderna i regionen."
De letade efter zirkoner, små mineraler som innehåller spårmängder av uran. Över tid, det naturligt radioaktiva materialet sönderfaller till bly, så att geologer kan använda förhållandet mellan uran till bly för att beräkna exakt hur gammal zirkonen är. Tyvärr för geologer, basaltiska lavaflöden som Columbia River flodbasalter har inte rätt kemi för att göra zirkoner, så tills nu, geologer har fått nöja sig med datum med osäkerheter på över en miljon år, produceras genom andra dateringsmetoder.
"För att testa för ett orsakssamband mellan klimat och utbrott, en miljon år är inte tillräckligt bra, sa Schoene.
Princeton-geologerna Jennifer Kasbohm och Blair Schoene använde små zirkonkristaller som hittats i vulkanisk aska för att skriva om tidslinjen för utbrotten av Columbia River-flodbasalterna, en serie massiva lavaflöden som sammanföll med en uråldrig global uppvärmningsperiod för 16 miljoner år sedan. Jennifer Kasbohm, en doktorand i geovetenskap, står på ett lager av mjuk röd aska på Steens Mountain i Oregon, där hon hittade zirkoner som begränsade åldern för den äldsta formationen av Columbia River Basalt Group. Kredit:Josh Murray, Princeton Universitet
Forskarna kom runt bristen på zirkoner i lavastenarna genom att titta på lager av vulkanisk aska mellan basaltlagren. Askan kom från de närliggande Cascade-vulkanerna (inklusive Mount Saint Helens), som innehåller zirkon och bröt ut ungefär samtidigt som de massiva lavorna.
I deras labb i Princeton, Kasbohm och Schoene separerade 0,1 mm stora zirkoner från de 16 miljoner år gamla stenarna, mätte isotopförhållandena mellan uran och bly, och fastställde åldrarna för individuella lavaflöden till inom några tiotusentals år. "Den precision är i princip det bästa du kan göra med någon kronometer för prover i denna ålder - även om 10, 000 år låter mycket—så vår metod är guldstandarden, " Hon sa.
"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."
Artikeln, "Rapid eruption of the Columbia River flood basalt and correlation with the mid-Miocene climate optimum, " is published in the Sept. 19 issue of Vetenskapens framsteg .
