Evento anóxico

Eventos anóxicos oceánicos o eventos anóxicos (condiciones de anoxia) describen períodos en los que grandes extensiones de los océanos de la Tierra se agotaron de oxígeno disuelto (O2), creando sustancias tóxicas. , aguas euxínicas (anóxicas y sulfídicas). Aunque los eventos anóxicos no han ocurrido durante millones de años, el registro geológico muestra que ocurrieron muchas veces en el pasado. Los eventos anóxicos coincidieron con varias extinciones masivas y pueden haber contribuido a ellas. Estas extinciones masivas incluyen algunas que los geobiólogos utilizan como marcadores de tiempo en la datación bioestratigráfica. Por otro lado, existen diversos lechos de esquisto negro del Cretácico medio que indican eventos anóxicos pero que no están asociados con extinciones masivas. Muchos geólogos creen que los eventos anóxicos oceánicos están fuertemente relacionados con la desaceleración de la circulación oceánica, el calentamiento climático y los niveles elevados de gases de efecto invernadero. Los investigadores han propuesto un vulcanismo mejorado (la liberación de CO₂) como el "desencadenante externo central de la euxinia".

Las actividades humanas en la época del Holoceno, como la liberación de nutrientes de las granjas y las aguas residuales, causan zonas muertas de escala relativamente pequeña en todo el mundo. El oceanólogo y científico atmosférico británico Andrew Watson dice que una anoxia oceánica a gran escala tardaría "miles de años en desarrollarse". La idea de que el cambio climático moderno podría conducir a tal evento también se conoce como la hipótesis de Kump, sin embargo, aún faltan pruebas.

Antecedentes

El concepto del evento anoxic oceánico (OAE) fue propuesto por primera vez en 1976 por Seymour Schlanger (1927-1990) y el geólogo Hugh Jenkyns y surgió de descubrimientos realizados por el Proyecto de Perforación del Mar Profundo (DSDP) en el Océano Pacífico. El hallazgo de tejas negras y ricas en carbono en sedimentos cretáceos que se habían acumulado en mesetas volcánicas submarinas (por ejemplo, Shatsky Rise, Manihiki Plateau), junto con su edad idéntica a depósitos similares y corridos del Océano Atlántico y afloramientos conocidos en Europa, especialmente en el registro geológico de la cadena de estratos de piedra caliza que abarcan períodos de observación generalizados

Las investigaciones sedimentológicas modernas de estos sedimentos ricos en materia orgánica generalmente revelan la presencia de laminaciones finas que no son perturbadas por la fauna que habita en el fondo marino, lo que indica condiciones anóxicas en el fondo marino que se cree que coinciden con una capa baja venenosa de sulfuro de hidrógeno, H2S. Además, estudios geoquímicos orgánicos detallados han revelado recientemente la presencia de moléculas (los llamados biomarcadores) que se derivan tanto de bacterias de azufre púrpura como de bacterias de azufre verdes, organismos que requerían tanto luz como sulfuro de hidrógeno libre (H₂). S), lo que ilustra que las condiciones anóxicas se extendieron hacia lo alto de la columna fótica de agua superior.

Se trata de una comprensión reciente, ya que el rompecabezas se ha ido armando lentamente en las últimas tres décadas. Los pocos eventos anóxicos conocidos y sospechados se han relacionado geológicamente con la producción a gran escala de las reservas mundiales de petróleo en bandas mundiales de esquisto negro en el registro geológico.

Euxinia

Los eventos anoxicos con condiciones euxínicas (anoxicas, sulfúdicas) se han relacionado con episodios extremos de sobregasificación volcánica. El volcanismo contribuyó a la construcción de CO₂ en la atmósfera y el aumento de las temperaturas globales, causando un ciclo hidrológico acelerado que introdujo nutrientes en los océanos (estimulación de la productividad planctónica). These processes potentially acted as a trigger for euxinia in restricted cuencas where water-column stratification could develop. Bajo condiciones anoxic a euxínicas, el fosfato oceánico no se conserva en sedimentos y, por lo tanto, se puede liberar y reciclar, lo que ayuda a una elevada productividad perpetua.

Mecanismo

En general, se cree que las temperaturas durante el Jurásico y el Cretácico fueron relativamente cálidas y, en consecuencia, los niveles de oxígeno disuelto en el océano eran más bajos que los actuales, lo que hace que la anoxia sea más fácil de lograr. Sin embargo, se requieren condiciones más específicas para explicar los eventos anóxicos oceánicos de corto período (menos de un millón de años). Dos hipótesis, y sus variaciones, han demostrado ser las más duraderas.

Una hipótesis sugiere que la acumulación anómala de materia orgánica se relaciona con su preservación mejorada en condiciones restringidas y pobremente oxigenadas, que a su vez eran una función de la geometría particular de la cuenca oceánica: tal hipótesis, aunque fácilmente aplicable a los jóvenes y El Atlántico Cretácico relativamente estrecho (que podría compararse con un Mar Negro de gran escala, sólo que mal conectado con el Océano Mundial), no logra explicar la aparición de lutitas negras coetáneas en las mesetas de océano abierto del Pacífico y en los mares de plataforma en todo el mundo. Hay sugerencias, nuevamente desde el Atlántico, de que el responsable fue un cambio en la circulación oceánica, donde las aguas cálidas y saladas en latitudes bajas se volvieron hipersalinas y se hundieron para formar una capa intermedia, a 500 a 1000 m (1640 a 3281 pies) de profundidad, con una temperatura de 20 a 25 °C (68 a 77 °F).

La segunda hipótesis sugiere que los eventos anóxicos oceánicos registran un cambio importante en la fertilidad de los océanos que resultó en un aumento del plancton de paredes orgánicas (incluidas las bacterias) a expensas del plancton calcáreo como los cocolitos y los foraminíferos. Un flujo tan acelerado de materia orgánica habría expandido e intensificado la zona mínima de oxígeno, mejorando aún más la cantidad de carbono orgánico que ingresa al registro sedimentario. Básicamente, este mecanismo supone un aumento importante en la disponibilidad de nutrientes disueltos como nitrato, fosfato y posiblemente hierro para la población de fitoplancton que vive en las capas iluminadas de los océanos.

Para que se produjera tal aumento se habría requerido una afluencia acelerada de nutrientes derivados de la tierra junto con un vigoroso afloramiento, lo que habría requerido un cambio climático importante a escala global. Los datos geoquímicos de las proporciones de isótopos de oxígeno en sedimentos carbonatados y fósiles, y de las proporciones de magnesio/calcio en fósiles, indican que todos los principales eventos anóxicos oceánicos estuvieron asociados con máximos térmicos, lo que hace probable que las tasas de meteorización global y el flujo de nutrientes a los océanos fueran aumentó durante estos intervalos. De hecho, la solubilidad reducida del oxígeno conduciría a la liberación de fosfato, lo que nutriría aún más el océano y estimularía una alta productividad, por lo tanto, una alta demanda de oxígeno, lo que sustentaría el evento a través de una retroalimentación positiva.

Otra forma de explicar los eventos anóxicos es que la Tierra libera un enorme volumen de dióxido de carbono durante un intervalo de intenso vulcanismo; las temperaturas globales aumentan debido al efecto invernadero; aumentan las tasas de meteorización global y el flujo de nutrientes fluviales; aumenta la productividad orgánica en los océanos; aumenta el entierro de carbono orgánico en los océanos (comienza OAE); el dióxido de carbono se reduce debido al entierro de materia orgánica y a la erosión de las rocas de silicato (efecto invernadero inverso); las temperaturas globales caen y el sistema océano-atmósfera vuelve al equilibrio (finaliza la OAE).

De esta manera, un evento anóxico oceánico puede verse como la respuesta de la Tierra a la inyección de exceso de dióxido de carbono en la atmósfera y la hidrosfera. Una prueba de esta noción es observar la edad de las grandes provincias ígneas (LIP), cuya extrusión presumiblemente habría estado acompañada de una rápida efusión de grandes cantidades de gases vulcanógenos como el dióxido de carbono. La edad de tres LIP (basalto de inundación de Karoo-Ferrar, gran provincia ígnea del Caribe, meseta de Ontong Java) se correlaciona bien con la de los principales eventos anóxicos oceánicos del Jurásico (Toarciano temprano) y Cretácico (Aptiano temprano y Cenomaniano-Turoniano), lo que indica que un el vínculo causal es factible.

Ocurrencia

Los eventos anóxicos oceánicos ocurrieron con mayor frecuencia durante períodos de clima muy cálido caracterizados por altos niveles de dióxido de carbono (CO₂) y temperaturas medias de la superficie probablemente superiores a 25 °C (77 °F). En comparación, los niveles del Cuaternario, en el período actual, son de sólo 13 °C. Estos aumentos en el dióxido de carbono pueden haber sido en respuesta a una gran desgasificación del gas natural altamente inflamable (metano) que algunos llaman "eructo oceánico". Normalmente, grandes cantidades de metano están encerradas en la corteza terrestre en las mesetas continentales en uno de los muchos depósitos que consisten en compuestos de hidrato de metano, una combinación sólida precipitada de metano y agua muy parecida al hielo. Debido a que los hidratos de metano son inestables, excepto a temperaturas frías y presiones altas (profundas), los científicos han observado eventos de desgasificación más pequeños debido a eventos tectónicos. Los estudios sugieren que la enorme liberación de gas natural podría ser un importante desencadenante climatológico, ya que el propio metano es un gas de efecto invernadero muchas veces más potente que el dióxido de carbono. Sin embargo, la anoxia también estuvo muy extendida durante la edad de hielo del Hirnantiense (Ordovícico tardío).

Los eventos anóxicos oceánicos se han reconocido principalmente en los ya cálidos períodos Cretácico y Jurásico, cuando se han documentado numerosos ejemplos, pero se ha sugerido que ejemplos anteriores ocurrieron en el Triásico tardío, el Pérmico, el Devónico (evento de Kellwasser), el Ordovícico y Cambriano.

El Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno (PETM), que se caracterizó por un aumento global de la temperatura y la deposición de esquistos ricos en materia orgánica en algunos mares de la plataforma, muestra muchas similitudes con los eventos anóxicos oceánicos.

Por lo general, los eventos anóxicos oceánicos duraban menos de un millón de años, antes de una recuperación completa.

Consecuencias

Los eventos anóxicos oceánicos han tenido muchas consecuencias importantes. Se cree que han sido responsables de extinciones masivas de organismos marinos tanto en el Paleozoico como en el Mesozoico. Los primeros eventos anóxicos del Toarciano y del Cenomaniano-Turoniano se correlacionan con los eventos de extinción del Toarciano y del Cenomaniano-Turoniano de formas de vida principalmente marinas. Aparte de los posibles efectos atmosféricos, muchos organismos marinos que habitan en las profundidades no pudieron adaptarse a un océano donde el oxígeno sólo penetraba en las capas superficiales.

Una consecuencia económicamente significativa de los eventos anóxicos oceánicos es el hecho de que las condiciones predominantes en tantos océanos mesozoicos han ayudado a producir la mayor parte de las reservas mundiales de petróleo y gas natural. Durante un evento anóxico oceánico, la acumulación y preservación de materia orgánica fue mucho mayor de lo normal, lo que permitió la generación de rocas potencialmente fuente de petróleo en muchos ambientes en todo el mundo. En consecuencia, alrededor del 70 por ciento de las rocas generadoras de petróleo son de edad mesozoica, y otro 15 por ciento data del Paleógeno cálido: sólo en raras ocasiones, en períodos más fríos, las condiciones eran favorables para la producción de rocas generadoras en cualquier otra escala que no fuera la local.

Efectos atmosféricos

Un modelo presentado por Lee Kump, Alexander Pavlov y Michael Arthur en 2005 sugiere que los eventos anóxicos oceánicos pueden haberse caracterizado por el afloramiento de agua rica en gas de sulfuro de hidrógeno altamente tóxico, que luego se liberó a la atmósfera. Este fenómeno probablemente habría envenenado plantas y animales y provocado extinciones masivas. Además, se ha propuesto que el sulfuro de hidrógeno subió a la atmósfera superior y atacó la capa de ozono, que normalmente bloquea la mortal radiación ultravioleta del sol. El aumento de la radiación ultravioleta causado por este agotamiento de la capa de ozono habría amplificado la destrucción de la vida vegetal y animal. Las esporas fósiles de los estratos que registraron el evento de extinción del Pérmico-Triásico muestran deformidades compatibles con la radiación ultravioleta. Esta evidencia, combinada con biomarcadores fósiles de bacterias verdes de azufre, indica que este proceso podría haber desempeñado un papel en ese evento de extinción masiva, y posiblemente en otros eventos de extinción. El desencadenante de estas extinciones masivas parece ser el calentamiento del océano provocado por un aumento de los niveles de dióxido de carbono a aproximadamente 1.000 partes por millón.

Efectos de la química del océano

Se espera que los niveles reducidos de oxígeno conduzcan a un aumento de las concentraciones en el agua de mar de metales sensibles al redox. La disolución reductora de oxihidróxidos de hierro y manganeso en sedimentos del fondo marino en condiciones de bajo oxígeno liberaría esos metales y los metales traza asociados. La reducción de sulfato en dichos sedimentos podría liberar otros metales como el bario. Cuando aguas profundas anóxicas ricas en metales pesados entraron en las plataformas continentales y encontraron niveles elevados de O₂, se habría producido la precipitación de algunos de los metales, así como el envenenamiento de la biota local. En el evento de Pridoli medio del Silúrico tardío, se observan aumentos en los niveles de Fe, Cu, As, Al, Pb, Ba, Mo y Mn en sedimentos de aguas poco profundas y microplancton; esto se asocia con un marcado aumento en la tasa de malformaciones en quitinozoos y otros tipos de microplancton, probablemente debido a la toxicidad de los metales. Se ha informado de un enriquecimiento de metales similar en sedimentos del evento Ireviken a mediados del Silúrico.

Eventos anóxicos en la historia de la Tierra

Cretácico

Las condiciones sulfídicas (o euxínicas), que existen hoy en día en muchos cuerpos de agua, desde estanques hasta varios mares mediterráneos rodeados de tierra, como el Mar Negro, fueron particularmente frecuentes en el Atlántico Cretácico, pero también caracterizaron otras partes del océano mundial. En un mar sin hielo de estos supuestos mundos súper invernadero, las aguas oceánicas eran hasta 200 metros (660 pies) más altas, en algunas épocas. Durante los períodos de tiempo en cuestión, se cree que las placas continentales estuvieron bien separadas, y las montañas tal como se las conoce hoy fueron (en su mayoría) eventos tectónicos futuros, lo que significa que los paisajes generales fueron en general mucho más bajos, e incluso los climas de medio súper invernadero Habrían sido épocas de erosión hídrica muy acelerada que transportarían cantidades masivas de nutrientes a los océanos del mundo alimentando una población explosiva general de microorganismos y sus especies depredadoras en las capas superiores oxigenadas.

Estudios estratigráficos detallados de tejas negras cretáceas de muchas partes del mundo han indicado que dos eventos anoxicos oceánicos (OAEs) fueron particularmente significativos en términos de su impacto en la química de los océanos, uno en el apciano temprano (~120 Ma), a veces llamado el Evento Selli (o OAE 1a) después del geólogo italiano Raimondo Selli (1916–1983), y otro en el límite OAE1a duró para ~1.0 a 1.3 Myr. La duración de OAE2 se estima en ~820 kyr basado en un estudio de alta resolución del intervalo OAE2 significativamente ampliado en el Tíbet meridional, China.

• En la medida en que las OAEs Cretáceas pueden ser representadas por localidades de tipo, son los sorprendentes afloramientos de afeitadas negras laminadas dentro de las arcillas vari-colorados y limas rosa y blanca cerca de la ciudad de Gubbio en los Apeninos italianos que son los mejores candidatos.
• La estructura negra de 1 metro de espesor en el límite cenomaniano-turroniano que se cultiva cerca de Gubbio se denomina el 'Livello Bonarelli' después del científico que lo describió por primera vez en 1891.

Se han propuesto más eventos oceánicos menores para otros intervalos en el Cretáceo (en las etapas valanginiana, hauteriiana, albiana y coniaciana-santoniana), pero su registro sedimentario, representado por las tejas negras ricas en orgánico, parece más paroquial, siendo representado dominantemente en el Atlántico y las zonas vecinas, y algunos investigadores las relacionan con condiciones locales particulares en lugar de ser forzados por el cambio global.

Jurassic

El único evento anóxico oceánico documentado en el Jurásico tuvo lugar durante el Toarciense temprano (~183 Ma). Dado que ningún núcleo DSDP (Proyecto de perforación en aguas profundas) ni ODP (Programa de perforación oceánica) ha recuperado lutitas negras de esta edad (queda poca o ninguna corteza del océano Toarciano), las muestras de lutita negra provienen principalmente de afloramientos en tierra. Estos afloramientos, junto con material de algunos pozos petroleros comerciales, se encuentran en todos los continentes principales y este evento parece similar a los dos principales ejemplos del Cretácico.

Paleozoic

El evento de extinción Permian-Triassic, desencadenado por el CO fugitivo₂ de los Trampas Siberianos, fue marcado por la desoxigenación del océano.

El límite entre los períodos Ordovícico y Silúrico está marcado por períodos repetitivos de anoxia, intercalados con condiciones óxicas normales. Además, durante el Silúrico se encuentran periodos anóxicos. Estos períodos anóxicos ocurrieron en un momento de bajas temperaturas globales (aunque los niveles de CO₂ eran altos), en medio de una glaciación.

Jeppsson (1990) propone un mecanismo mediante el cual la temperatura de las aguas polares determina el lugar de formación del agua que fluye hacia abajo. Si las aguas de altas latitudes están por debajo de los 5 °C (41 °F), serán lo suficientemente densas como para hundirse; como son fríos, el oxígeno es muy soluble en sus aguas, y las profundidades del océano estarán oxigenadas. Si las aguas de latitudes altas están a más de 5 °C (41 °F), su densidad es demasiado baja para hundirse debajo de las aguas profundas más frías. Por lo tanto, la circulación termohalina sólo puede ser impulsada por el aumento de la densidad de la sal, que tiende a formarse en aguas cálidas donde la evaporación es alta. Esta agua tibia puede disolver menos oxígeno y se produce en cantidades más pequeñas, lo que produce una circulación lenta con poco oxígeno en las aguas profundas. El efecto de esta agua cálida se propaga a través del océano y reduce la cantidad de CO₂ que los océanos pueden contener en solución. , lo que hace que los océanos liberen grandes cantidades de CO₂ a la atmósfera en un tiempo geológicamente corto (decenas o miles de años). ). Las aguas cálidas también inician la liberación de clatratos, lo que aumenta aún más la temperatura atmosférica y la anoxia de la cuenca. Retroalimentación positiva similar opera durante los episodios de polos fríos, amplificando sus efectos refrescantes.

Los períodos con polos fríos se denominan "episodios P" (abreviatura de primo), y se caracterizan por océanos profundos bioturbados, un ecuador húmedo y tasas de meteorización más altas, y terminan por eventos de extinción, por ejemplo, los eventos de Ireviken y Lau. Lo contrario es cierto para los 'episodios S' más cálidos y óxicos. (secundo), donde los sedimentos oceánicos profundos son típicamente lutitas negras graptolíticas. Un ciclo típico de episodios secundo-primo y un evento posterior suele durar alrededor de 3 Ma.

La duración de los eventos es tan larga en comparación con su inicio porque las reacciones positivas deben ser superadas. El contenido de carbono en el sistema océano-atmósfera se ve afectado por cambios en las tasas de meteorización, que a su vez está controlado predominantemente por las precipitaciones. Debido a que esto está inversamente relacionado con la temperatura en la época del Silúrico, el carbono se reduce gradualmente durante las temperaturas cálidas (alto CO₂) S- episodios, mientras que ocurre lo contrario durante los episodios P. A esta tendencia gradual se suma la señal de los ciclos de Milankovic, que finalmente desencadenan el cambio entre los episodios P y S.

Estos eventos se vuelven más largos durante el Devónico; La creciente biota de plantas terrestres probablemente actuó como un gran amortiguador de las concentraciones de dióxido de carbono.

El evento Hirnantiense de finales del Ordovícico también puede ser el resultado de la proliferación de algas, causada por un suministro repentino de nutrientes a través de surgencias impulsadas por el viento o una afluencia de agua de deshielo rica en nutrientes procedente del deshielo de los glaciares, que en virtud de su naturaleza fresca también ralentizar la circulación oceánica.

Arcaico y Proterozoico

Se ha pensado que durante la mayor parte de la historia de la Tierra, los océanos tuvieron una gran deficiencia de oxígeno. Durante el Arcaico, la euxinia estuvo en gran medida ausente debido a la baja disponibilidad de sulfato en los océanos, pero durante el Proterozoico se volvería más común.