Drivers of mesozoic paleoclimate change across time scales : supercontinent breakup, orbital cycles and volcanic disruptions

Jan Philip Landwehrs

doi:10.25365/thesis.72857

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1437279

Title (eng)

Drivers of mesozoic paleoclimate change across time scales

supercontinent breakup, orbital cycles and volcanic disruptions

Author

Jan Philip Landwehrs

Advisor

Michael Wagreich

Georg Feulner

Assessor

Michael Schulz

Ulrich Heimhofer

Abstract (deu)

Die natürliche Umwelt unserer Gegenwart ist aus der Entwicklung der Erde seit ihrer Entstehung vor rund 4,6 Milliarden Jahren hervorgegangen. Das Entschlüsseln dieser ereignisreiche Geschichte hilft uns daher zu erfassen, woher wir kommen, welche Mechanismen das Erdsystem bestimmen und wie mögliche zukünftige Entwicklungen einzuordnen sind. Das Mesozoikum (∼252–66 Millionen Jahre vor heute) war eine entscheidende Phase des Übergangs vom letzten Superkontinent Pangäa hin zur gegenwärtigen, fragmentierten Kontinentalverteilung mit ihren bekannten Klimazonen, sowie von alten paläozoischen zu moderneren känozoischen Lebensformen, einschließlich der Evolution der Säugetiere. Diese Dissertation hat das Ziel, zu einem tieferen Verständnis von paläoklimatischen Veränderungen dieser geologischen Ära beizutragen. Um die Dynamik des Klimas unter den Rahmenbedingungen und Antriebskräften des Mesozoikums zu charakterisieren, werden dabei gekoppelte Erdsystemmodelle (ESM) verwendet. Eine Vielzahl von Umweltveränderungen und ihrer jeweiligen Treiber haben im Laufe der Erdgeschichte gewirkt. Für die vorgelegte Arbeit werden drei Ebenen mit jeweils unterschiedlichen Zeitskalen und Antriebsmechanismen betrachtet: (I) die langfristige Klimaentwicklung über das gesamte Mesozoikum, die von Prozessen auf tektonische Zeitskalen (>1 Myr) angetrieben wurde, (II) Klimaoszillationen, die durch Orbitalzyklen mit Periodendauern von ∼10–100 kyr angetrieben wurden, (III) Umweltstörungen auf Zeitskalen von 1 yr bis 100 kyr, die durch großskaligen Vulkanismus hervorgerufen wurden. Jedes dieser drei Regime wird in einer von drei Publikationen dieser Dissertation behandelt, wobei der Fokus jeweils auf bestimmte Aspekte oder Zeiträume liegt. Im ersten Teil der Arbeit wird die langfristige Klimaentwicklung des Mesozoikums mithilfe eines Ensembles von Gleichgewichtsklimasimulationen für 40 geologische Zeitscheiben untersucht. Dafür wurden mehr als 200 Simulationen mit dem CLIMBER-3α ESM bei systematisch variierten Randbedingungen, einschließlich der Paläogeographie, der atmosphärischen CO2-Konzentrationen, der Orbitalparameter und der Sonnenleuchtkraft durchgeführt. Diese Simulationen zeigen einen grundlegenden Erwärmungstrend während des Mesozoikums an, der durch eine zunehmende Überflutung der Kontinente und die wachsende Sonnenleuchtkraft angetrieben wurde. Relativ hohe rekonstruierte pCO2-Werte legen besonders warme Treibhausbedingungen während der Trias und der Mittelkreide nahe, wohingegen niedrigere pCO2-Werte zu niedrigeren Temperaturen im Jura und am Ende der Kreidezeit beitrugen. Die Fragmentierung und Überflutung verursachte einen Trend hin zu feuchteren, weniger saisonalen und stärker zonalen Klimaten. Die präsentierte Zusammenführung von verschiedenen Modell- und Proxy-Daten bietet einen vertieften Einblick in die großen klimatischen Trends des Mesozoikums. Dies dient auch dazu, die folgenden zwei Teile dieser Arbeit in einen langfristigen Rahmen einzuordnen, da sie sich mit kurzfristigeren Prozessen anhand repräsentativer Beispiele aus bestimmten Stufen des Mesozoikums befassen. Eines dieser Beispiele stellen die zyklischen Abfolgen von Seesedimenten der späten Trias dar, welche aus den Newark-Hartford Becken (NHB) im Osten der USA stammen. Dieses geologische Archiv offenbart die starke Modulation des Klimas durch Orbitalzyklen auf Zeitskalen von ∼10^4–10^5 Jahren in den Tropen Pangäas in einem Treibhausklimazustand. Der zweite Teil dieser Arbeit analysiert ein Ensemble von orbital angetriebenen transienten Klimasimulationen mit dem CLIMBER-X ESM für neun geologische Zeitscheiben von 230 bis 190 Ma. Die Simulationen werden mit zwei verschiedenen paläogeographische Rekonstruktionen und für drei pCO2-Werte durchgeführt. Angetrieben werden sie durch ein idealisiertes Orbitalforcing, das sich aus periodischen Änderungen der Exzentrizität, Präzession und Obliquität zusammensetzt (20, 40 und 100 kyr). Dies bietet neuartige Möglichkeiten, die Trends und Fluktuationen der Seewassertiefen in den NHB klimatisch zu interpretieren. Die Bewegung Pangäas nach Norden verursacht in den Simulationen einen Übergang von einem tropisch feuchtem Klima in der NHB-Region hin zu stärker saisonalen und schließlich semi-ariden Klimaten. In Übereinstimmung mit den Sedimentbefunden ist die orbitale Modulation der Niederschlags–Verdunstungsbilanz während des Zeitraums von 220 bis 200 Ma am stärksten ausgeprägt. Für frühere Zeitscheiben ist sie durch eine geringe Saisonalität limitiert, für spätere Zeitscheiben durch die ausgeprägtere Trockenheit. Niedrige pCO2 -Werte verursachen trockenere Bedingungen und ein gedämpftes Orbitalsignal im Rhaetium (∼208–201 Ma). Höhere Werte als Resultat von vulkanischen Kohlenstoffemissionen tragen hingegen zu humideren Bedingungen und stärkeren Feuchtigkeitszyklen an der Trias-Jura-Grenze (∼201 Ma) bei. Die Simulationen legen außerdem nahe, dass Obliquitätssignale in der NHB Region daher stammen, dass sich Effekte aus höheren Breiten auf die saisonale Verschiebung des tropischen Niederschlagsgürtels auswirken. Diese Arbeit stellt den ersten Rahmen von transienten, orbitalgetriebenen, gekoppelten Klimamodellsimulationen unter Einbeziehung langfristiger paläogeographischer Veränderungen dar, der für eine Zeitperiode des Mesozoikums entwickelt wurde. Dieser Ansatz birgt großes Potential für die Interpretation und Korrelation weiterer zyklostratigraphischer Archive. Von den ausgeprägtesten und schnellsten Umweltstörungen des Mesozoikums wird ein Großteil mit vulkanischen Episoden, den magmatischen Großprovinzen (LIPs), in Verbindung gebracht. Der dritte Teil dieser Arbeit untersucht Auswirkungen von vulkanischen Gasemissionen der Zentralatlantischen Großprovinz (CAMP) und ihre mögliche Rolle für das Massenaussterbeereignis am Ende der Trias. Ein Ensemble von Klima-Biogeochemie-Simulationen mit dem CLIMBER-3α+C ESM wurde hierfür unter Verwendung einer Paläogeographie für die späte Trias und von Ausgangszuständen bei drei pCO2-Werten durchgeführt. Diese Ausgangszustände wurden dann durch kurze (∼1–6 kyr) vulkanische Emissionspulse gestört, im Zuge derer 2500–7500 GtC in die Atmosphäre emittiert werden und 0–500 GtS stratosphärische Aerosole bilden. Die Simulationen zeigen, dass diese gleichzeitigen Antriebe eine Abfolge von kurzer, variabler Abkühlung und nachfolgend langanhaltender, globaler Erwärmung (+1.8 bis +4.4°C) verursachen können. Die Abkühlung über Zeiträume von Jahren bis Jahrtausenden wird dabei durch den Strahlungsantrieb der Schwefelaerosole verursacht und überschreitet −4°C in vielen der getesteten Szenarien. Letztere sind auf Grundlage verfügbarer Abschätzungen über die Art, Menge und zeitliche Verteilung der vulkanischen Emissionen der CAMP gestaltet worden. Da deren Rekonstruktion anhand geologischer Befunde jedoch eine große Herausforderung darstellt, dient die Modellierung auch dazu, mögliche Auswirkungen einer Reihe verschiedener Szenarien zu beschreiben. Die Ergebnisse zeigen, dass die modellierten Abkühlungs- und Erwärmungssequenzen zu suboptimalen Temperaturen in Korallenhabitaten und durch die abwechselnden Trends erhöhten Temperaturstress geführt haben könnten. Eine Versauerung und zunehmende Sauerstoffarmut sind ebenfalls zu beobachten. Diese Mechanismen werden allgemein als die durch LIPs hervorgerufenen Treiber der markanten geologischen Ereignisse des Mesozoikums diskutiert. Zusammen mit der Abbildung dieses Gesamtzeitraums (Teil I), können die hier entwickelten Modellierungsansätze den Weg für eine zusammenführende Untersuchung der Umweltstörungen im Zuge der LIP-Episoden des Mesozoikums ebnen. In Summe bietet diese Forschungsarbeit einen umfassenden Blick auf das Paläoklima des Mesozoikums und im Allgemeinen auf natürliche Klimaveränderungen auf Zeitskalen von Jahren bis zu vielen Jahrmillionen. Die drei Teile der Arbeit gewähren neue Erkenntnisse über die langfristige Klimaentwicklung auf tektonischen Zeitskalen, die Klimamodulation durch Orbitalzyklen sowie Störungen des Erdsystems während des Mesozoikums durch LIP-Vulkanismus. Jeder der drei Teile entwickelt neuartige Modellierungsansätze unter der Verwendung von Erdsystemmodellen mittlerer Komplexität (EMICs). Im Ergänzung zu ressourcenintensiveren AOGCMs (Atmosphere-Ocean General Circulation Model) sind dies wertvolle Werkzeuge zur Erforschung der fernen Erdvergangenheit, da sie große Ensembles und relativ lange Simulationen erlauben. Dadurch können relevante empirische und modellierte Erkenntnisse in den Modellierungsansatz einbezogen werden, einerseits um Randbedingungen und Antriebsfaktoren der Modelle zu definieren und andererseits um die Modellierungsergebnisse mit Proxydaten zu verknüpfen.

Abstract (eng)

The natural world that we live in today is the result of the Earth’s evolution since its formation ∼4.6 billion years ago. Unraveling its eventful history thus helps us to comprehend where we are coming from, which mechanisms govern the Earth system and how this is framing the future. The Mesozoic era (∼252–66 million years ago) was a crucial period of transition from the last supercontinent Pangea towards the modern fragmented continental configuration with its familiar climatic patterns, as well as from “ancient” Paleozoic to “modern” Cenozoic forms of life, including the evolution of mammals. This thesis aims to contribute to a deeper understanding of paleoclimate change and its drivers during this geologic era. To accomplish this, coupled Earth system models (ESM) are used here to simulate the dynamics of climate under conditions and forcing factors that characterize the Mesozoic. Manifold environmental changes and their respective drivers acted throughout Earth history. For this thesis, three layers with different time scales and forcing mechanisms are considered: (I) the long-term climate evolution throughout the whole Mesozoic, shaped by >1 Myr tectonic-scale processes, (II) climatic oscillations paced by orbital cycles with periodicities on ∼10–100 kyr scales, (III) disruptive events on 1 yr to 100 kyr time scales caused by large scale volcanism. Each of these regimes is addressed in one of the three publications forming this dissertation, with a focus on certain aspects or time periods. For the first part, the Mesozoic long-term climate evolution and its drivers are assessed with an ensemble of equilibrium climate simulations for 40 equally spaced geologic time slices. More than 200 simulations are carried out with the CLIMBER-3α ESM and systematically varied boundary conditions, including the paleogeography, atmospheric CO2 concentrations, orbital parameters and solar luminosity. These simulations identify a baseline warming trend through the Mesozoic, driven by increasing continental flooding and insolation. Relatively high reconstructed pCO2 levels support especially warm greenhouse conditions during the Triassic and mid-Cretaceous, while lower levels contribute to cooler temperatures in the Jurassic and latest Cretaceous. Continental fragmentation and flooding are found to drive a trend towards more humid, less seasonal and more zonal climates from the Late Triassic towards the mid-Cretaceous. This synthesis of various model and proxy data provides a new integrated perspective of secular climate trends through the Mesozoic. It also serves to contextualize the following two parts of this thesis which focus on shorter-term processes with representative examples from certain stages of the Mesozoic. One of these examples is represented by the Late Triassic cyclic lake sediment record of the Newark-Hartford basins (NHB) of the eastern United States. This geologic archive reveals the profound modulation of climate by orbital cycles on 10^4–10^5 yr time scales in the tropics of Pangea during a global greenhouse climate phase without evidence of major glaciations. The second part of this dissertation analyzes an ensemble of orbitally-driven transient climate simulations with the CLIMBER-X ESM for nine geologic time slices from 230 to 190 Ma. The simulations are carried out with two different paleogeographic reconstructions, three pCO2 values and a simplified orbital forcing composed of three eccentricity, precession and obliquity periodicities (20, 40 and 100 kyr). This provides novel opportunities for the climatic interpretation of the NHB lake level trends and fluctuations. Pangea’s northward drift is found to cause a shift from tropical humid conditions in the NHB region towards more seasonal and ultimately semi-arid climates. In agreement with the record, the maximum orbital modulation of the precipitation–evaporation balance is simulated during the 220–200 Ma interval, whereas it is limited by reduced seasonality before and enhanced aridity afterwards. Low pCO2 levels cause drier conditions and a muted orbital signal during the Rhaetian (∼208–201 Ma), whereas higher levels linked to volcanic carbon emissions contribute to wetter conditions and stronger humidity cycles at the Triassic–Jurassic boundary (∼201 Ma). The simulations suggest that signals of obliquity in the NHB region could derive from higher-latitude effects on the seasonal shift of the tropical rainfall belt. This work presents the first framework of transient orbitally-driven coupled climate model simulations under long-term paleogeographic changes developed for any Mesozoic time period. The approach bears great potential for the interpretation and correlation of other cyclostratigraphic archives. Of the major rapid environmental disruptions of the Mesozoic many have been linked to Large Igneous Province (LIP) volcanic episodes. The third part of this thesis studies effects of volcanogenic gas emissions from the Central Atlantic Magmatic Province (CAMP) and their role in the end-Triassic mass extinction event. An ensemble of climate–biogeochemistry simulations with the CLIMBER-3α+C ESM is carried out for a Late Triassic paleogeography and initial equilibrium states at different pCO2 values. The initial states are perturbed by brief (∼1–6 kyr) volcanic emission pulses during which 2500–7500 GtC are released to the atmosphere and 0–500 GtS form stratospheric aerosols. The simulations show that these simultaneous forcings can cause a sequence of short and variable global cooling followed by long-term warming by the added greenhouse gases (+1.8 to +4.4°C). The annual to millennial scale cooling is caused by the radiative forcing of the sulfur aerosols and exceeds −4°C in many of the tested scenarios. The latter are synthesized from available constraints on the style, amounts and timing of volcanogenic emissions of the CAMP. As their reconstruction from geologic records is extremely challenging, the modeling describes possible consequences in a range of scenarios. The results suggest that the modeled cooling–warming sequences would have pushed coral reef habitats to sub-optimal temperatures, with amplified thermal stress due to the alternating temperature trends. Ocean acidification and deoxygenation are observed as well. These mechanisms are universally discussed as the LIP-related drivers of the prominent geological events of the Mesozoic. Together with the representation of this entire era (Part I), the developed modeling approach could pave the way to a unified assessment of environmental perturbations during Mesozoic LIP episodes. Altogether, the presented research provides a comprehensive perspective on Mesozoic paleoclimates and general mechanisms of climate change across annual to multi-million year time scales. The three parts yield new insights into the tectonic-scale long-term climate evolution, the modulation of climate by orbital cycles and the disruption of the Mesozoic Earth system by LIP volcanism. Each part establishes novel modeling approaches making use of fast Earth System Models of Intermediate Complexity (EMIC). In addition to computationally more demanding Atmosphere-Ocean General Circulation Models, these flexible tools are particularly useful in deep time paleoclimate research because they allow for large ensembles and relatively long simulations. This enabled incorporating other relevant empirical and modeled evidence into the scientific approach, both for constraining and driving the ESMs as well as for linking the model results to proxy data.

Keywords (deu)

MesozoikumPaläoklimaKlimamodellierungOrbitalzyklenMagmatische GroßprovinzenTriasJuraKreidezeit

Keywords (eng)

MesozoicPaleoclimateClimate ModelingOrbital CyclesLarge Igneous ProvincesTriassicJurassicCretaceous

Subject (deu)

Klimatologie

Subject (deu)

Historische Geologie: Allgemeines

Subject (deu)

Physik in Beziehung zu anderen Fachgebieten

Type (deu)

Dissertation