Zinc isotope evidence for paleoenvironmental changes during Cretaceous Oceanic Anoxic Event 2

Abstract

Paleoclimate during the Cenomanian-Turonian Oceanic Anoxic Event 2 (OAE 2, 94.5–93.9 Ma) was characterized by elevated atmospheric CO2 concentrations and peak global temperatures. In this study, we employ δ66Zn measured on samples spanning OAE 2 in an expanded hemipelagic section in Tibet to trace changes in the major fluxes that influence biogeochemical cycles. The prominent feature of the δ66Zn record in the studied section is a continuous decrease from ~1‰ at the onset of OAE 2 to a minimum of ~0.2‰ within the Plenus Cold Event (ca. 94.3 Ma), followed by a stepwise recovery through the upper part of OAE 2. The negative shift in δ66Zn corresponds with higher terrigenous inputs, as revealed by previously published detrital index and TOC/TN (total organic carbon to total nitrogen) ratio records, and covaries with a notable decreasing trend recorded in compiled pCO2 data of different basins. We propose that influx of isotopically light Zn from weathered volcanic rocks associated with submarine large igneous provinces and/or (sub)tropic Indian continental volcanics is likely responsible for the δ66Zn decrease. We infer that the recovery of δ66Zn was caused by continued high primary production and an inevitable decline in the flux of light Zn as volcanic terrains were progressively weathered. The ultimate cessation of OAE 2 may have been a consequence of the same effect, with the nutrient supply from weathering reaching a minimum threshold to maintain productivity-anoxia feedback.

Sedimentary cycling of zinc and nickel and their isotopes on an upwelling margin: Implications for oceanic budgets and paleoenvironment proxies

“…As outlined in the introduction, sedimentary Zn and Ni isotope records may serve as tracers that enable reconstruction of past nutrient cycling and ocean chemistry (e.g., Liu et al, 2017;John et al, 2017;Sweere et al, 2018Sweere et al, , 2020S.-J. Wang et al, 2019;Yan et al, 2019;Chen et al, 2021;Li et al, 2021;Zhao et al, 2021). It is clear from this study, and that on the Peru margin of Ciscatio et al (2018), that records of authigenic Ni isotopes at upwelling margins have great potential for recording the d 60 Ni of contemporary seawater.…”

Processes and forcing mechanisms of the carbon cycle perturbation during Cretaceous Oceanic Anoxic Event 2

“…V、Cr、Mo、U 等氧化还原敏感元素 [55~57] ，黄铁矿化指数 [23] ，生物标志化合物 [58] ，铁组分 [59] ， I/Ca 比值 [60] ，Ce 异常 [61] ，N 同位素 [62] ，Mo 同位素 [63] ，U 同位素 [64] ，Tl 同位素 [65] 等。其中，碳 酸盐相 U 同位素和 Tl 同位素能够反映全球性海水的氧化还原状态，而其它指标往往指示区域水 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-0806 体信息。 研究表明，OAE2期间，在原北大西洋和西特提斯等相对局限的区域，海洋底层水主要呈缺 氧状态，而在太平洋和东特提斯等开阔大洋主要为氧化状态 [23] 。OAE2时期，水体氧化还原条件 在时间和空间上均有动态演化的特征。PCE期间在北大西洋及周边地区显示水体氧化 [36,66] ，被称 为OAE2期间的海洋再氧化 [32] ，或底层水氧化事件(Benthic Oxic Event) [66] 。但在东特提斯地区西 藏贡扎剖面V/Cr比值略有增加 [67] ， 指示向还原条件转变。 通过铁组分和等温剩磁分析， Li等(2020) 研究了贡扎剖面OAE2层C3阶段氧化还原状态演化过程 [68] ， 与北大西洋域摩洛哥Tarfaya剖面对比， 发现二者呈现同步、氧化还原状态相反变化 [68,69] 。有学者提出，白垩纪中期局限和开阔大洋水体 的氧化还原状态呈"跷跷板"式动态变化 [70] ，即当原北大西洋水体为铁化条件时，铁向太平洋输 入， 导致太平洋生产力提升， 有机降解过程中消耗溶解氧， 导致太平洋地区水体向还原状态转变。 而当原北大西洋为更加缺氧的硫化状态时，向太平洋输入铁的通量降低，使得太平洋可维持在较 为氧化状态 [70] 。这可能是OAE2期间全球不同区域海洋氧化还原状态有明显差异的机制。因此， OAE2期间海洋氧化还原状态在时间和空间上具有复杂性，要分析其与全球碳循环扰动的关系， 需要对全球海水的氧化还原状态进行更为精确的评估。 碳酸盐相 U 同位素结合地球化学模拟研究，揭示了在 OAE2 期间全球大洋缺氧的程度及其 演化规律，发现在此期间海底缺氧面积可达 8%至 15%之间 [64] 。海底大面积缺氧，导致有机质保 存条件好，同时在还原条件下生物营养元素 P 难以形成磷酸盐沉淀在孔隙水中，而游离到上层水 体，进一步刺激生产力，形成"缺氧-生产力提升-进一步缺氧"的正反馈过程，提升了生物泵 效率，最终导致海水 δ 13 C 能够长时间维持在高值 [37] 。另一方面，在硫化水体中可形成有机硫化 物，亦可改善有机质保存条件 [39] 。前人研究中发现，虽然 OAE2 期间海洋缺氧面积扩张，但 PCE 期间 δ 238 U 值正偏约 0.2‰(图 3)，估算海底缺氧面积减少至约 5% [64] 。原北大西洋周边地区开展 OAE2 期间海水 Zn 同位素演化研究，也表明 PCE 期间原北大西洋及邻近地区海水经历了再氧化 过程 [53,54]…”

“…与前人通过 Os 同位素 [45] 揭示的岩浆作用增强的层位相当，也与 Li 同位素揭示的洋底新鲜玄武 岩风化增强 [71] 处于同一层位。Ostrander 等(2018)通过 Tl 同位素研究，也提出海洋开始脱氧早于 OAE2 启动约 43 ka [65] 。海洋缺氧导致的有机质保存，削弱了大火成岩省岩浆作用输入轻碳对海 水 δ 13 C DIC 的影响。海洋开始脱氧时，优先影响的区域是相对局限的海洋，而开阔大洋的氧化还 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-0806 原状态可能变化相对较小。因此，本文认为，这种 C2 阶段海洋脱氧是导致在局限海洋中 δ 13 C 值 无明显负偏的一个重要原因。在此过程中，LIP 带来的营养物质刺激表层生产力，可能是另一个 原因。 2.4 碳循环与硅酸盐风化作用 缺氧事件期间水文循环增强，陆地向海洋输入通量增加 [36,72] 。硅酸盐风化通过三个过程可对 于地球表层激增的 CO 2 起到负反馈作用。其一是，风化带来的黏土矿物，对于有机质的保存具有 重要作用 [73] 。其二是，风化输入大量营养物质，可提升海洋表层生产力。第三，硅酸盐风化消耗 CO 2 。前两者可导致海水 δ 13 C 上升，后者带来陆地有机质大量输入，有机质降解会导致海水 δ 13 C 值降低。 图 3(彩图) 西藏贡扎剖面 Zn 同位素 [67] 和英国 Eastbourne 剖面 Li [71] 、Ca 同位素 [73] 记录，反映了 硅酸盐风化强度在 OAE2 初期加剧、后期减弱的演化过程。Eastbourne 剖面 U 同位素 [64] 记录显 示在 PCE 期间海洋经历了再氧化的演化阶段。图中灰色箭头表示在 OAE2 初期 200 ka 硅酸盐风 化强度快速提升。 Figure 3 Zn isotope plot from Gongzha of Tibet [67] and Li [71] and Ca [73] 近年来，Li、Ca、Zn 等同位素研究 [67,71,73]…”

“…Figure3Zn isotope plot from Gongzha of Tibet[67] and Li[71] and Ca[73] isotope plots from Eastbourne of England. These curves indicate that the silicate weathering intensity enhanced in the early stage of OAE2 and decreased in the later stage of this event.…”