Massiva vulkaniska händelser i jordens historia som släppte ut stora mängder kol i atmosfären korrelerar ofta med perioder av allvarliga miljöförändringar och massutrotningar. En ny metod för att uppskatta hur mycket och hur snabbt kol som släpptes ut av vulkanerna kan förbättra vår förståelse av klimatresponsen, enligt ett internationellt team ledd av forskare från Penn State och University of Oxford.
Forskarna rapporterar i tidskriften Nature Geoscience att de har utvecklat en ny teknik för att uppskatta överskott av kvicksilver som lämnats kvar i bergrekordet på grund av gammal vulkanisk aktivitet. Tekniken kan uppskatta koldioxidutsläpp från stora magmatiska provinser (LIP), vulkaniska händelser som kan pågå i miljoner år och producera magma som når jordens yta och bildar lavaflöden som är hundratals mil långa.
"Stora magmatiska provinser används ofta som en analog för klimatförändringar orsakade av människor eftersom de sker relativt snabbt geologiskt och släpper ut mycket koldioxid", säger Isabel Fendley, biträdande forskningsprofessor i geovetenskap vid Penn State och huvudförfattare till studien. "Men en stor utmaning som vi tar upp med den här studien är att det hittills har varit riktigt svårt att ta reda på exakt hur mycket kol som släpptes ut av dessa vulkaner."
Forskarna analyserade kärnprover som fångar ett 20-miljonerårigt rekord från den tidiga juraperioden och fann att kvicksilvernivåerna ökade under toppaktiviteten i den stora magmatiska provinsen Karoo-Ferrar och den associerade Toarcian Oceanic Anoxic Event, en period av omfattande miljö och klimatförändringar för cirka 185 miljoner år sedan.
De totala beräknade koldioxidutsläppen med kvicksilverposterna var dock betydligt lägre än vad kolcykelmodeller hade förutspått skulle vara nödvändigt för att orsaka de observerade miljöförändringarna.
Fynden tyder på att vulkanismen utlöste positiva jordsystemsåterkopplingar - klimat- och miljösvar på den initiala uppvärmningen som i sin tur gav mer uppvärmning. Dessa positiva återkopplingar kan vara lika viktiga som de primära utsläppen i dessa stora koldioxidutsläppsscenarier, och nuvarande kolcykelmodeller kan underskatta effekterna av en given mängd utsläpp, sa forskarna.
"Vad detta visar oss är att det finns jordsystemsvar som förvärrar effekterna av kolet som vulkanerna släppte ut," sa Fendley. "Och baserat på våra resultat är dessa feedbackprocesser faktiskt ganska viktiga men inte väl förstådda."
Exakta uppskattningar av LIP-koldioxidutsläpp är viktiga för att förstå effekterna av positiva och negativa kolcykelåterkopplingsprocesser på framtida klimatprognoser, sa forskarna.
"Förutom historiska klimatförändringar och förståelse av livets historia, är det också relevant för hur vi förstår jordens klimat och hur vi undersöker vad som händer med miljön efter att du släppt ut stora mängder koldioxid i atmosfären," sa Fendley.
Att uppskatta mängden koldioxidutsläpp som är förknippade med LIP har varit en utmaning delvis eftersom forskare har en ofullständig registrering av hur mycket lava som bröt ut. Karoo-Ferrar LIP, till exempel, inträffade på den före detta superkontinenten Gondwana, och det materialet är nu spritt över det södra halvklotet, och spänner över dagens södra Afrika, Antarktis och Tasmanien, sa forskarna.
Forskarna vände sig istället till kvicksilver, som släpps ut som gas vid vulkanutbrott men som annars sällan hittades i höga koncentrationer i miljön före mänsklig aktivitet. Genom att titta på kemin hos bergarter i kärnproverna kunde forskarna bestämma hur mycket kvicksilver som skulle förväntas baserat på miljöförhållanden och hur mycket extra som var närvarande orsakat av vulkanerna.
De utvecklade en metod för att omvandla de uppmätta förändringarna i kvicksilverkoncentrationer till volymen av kvicksilvergasutsläpp. Med hjälp av förhållandet mellan kvicksilvergasutsläpp och koldioxidutsläpp i moderna vulkaner uppskattade de hur mycket kol de gamla vulkanerna släppte ut.
Forskarna sa att kärnproverna från Mochras-borrhålet i Wales, U.K., gav en unik möjlighet att genomföra denna forskning. Det långa rekordet visade det första tydliga beviset på att det förekom betydligt större vulkanutbrott under denna tidsperiod jämfört med de föregående 15 miljoner åren, sa forskarna.
"Den stora mängden befintliga geokemiska data från borrhålet Mochras Farm (Llanbedr) i Wales, borrat av British Geological Survey, plus den mycket välbegränsade kronologin, gav en unik möjlighet som möjliggjorde denna analys," sa Fendley. "Decennierna av tidigare arbete på Mochras kärna gjorde det möjligt för oss att rekonstruera ursprungliga gasflöden under miljontals år, för perioder som är traditionella mål för paleo-miljöstudier såväl som bakgrundstillståndet."
Andra forskare i detta projekt var Joost Frieling, postdoktorand forskningsassistent, och Tamsin Mather och Hugh Jenkyns, professorer, vid University of Oxford; Michael Ruhl, biträdande professor vid Trinity College Dublin; och Stephen Hesselbo, professor vid University of Exeter.
Mer information: Isabel M. Fendley et al, tidig jura stora magmatiska provinser koldioxidutsläpp begränsade av sedimentärt kvicksilver, Nature Geoscience (2024). DOI:10.1038/s41561-024-01378-5
Journalinformation: Naturgeovetenskap
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
