Orogenese en Planten: De Invloed op de Paleoklimaat van de Aarde via Silicaatverwering

Onderzoek naar het paleoklimaat van de Aarde

Gedurende het grootste deel van de geologische geschiedenis van de Aarde is het paleoklimaat gastvrij gebleven voor het leven, grotendeels dankzij continentale silicate verwering, die functioneert als een langetermijn thermostaat voor de planeet.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Chen Jitao van het Nanjing Instituut voor Geologie en Paleontologie van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft een record van 60 miljoen jaar van de Chemische Index van Verwering (CIA) ontwikkeld. Dit record is gebaseerd op een continu afgezet Carboniferous tot Vroeg Permian hellingsequentie in Zuid-China. De studie, die geochemische en kleimineraalanalyses gebruikte om de regionale chemische verweringsintensiteit te meten, is gepubliceerd in Geophysical Research Letters.

Silicate verwering is een cruciaal proces in de evolutie van het aardse systeem: het verandert de samenstelling van de atmosfeer door broeikasgassen te absorberen en levert terrestrische voedingsstoffen aan zeewater. Deze effecten veranderen de chemie van de oceaan en verhogen de primaire productiviteit in de zee. Om deze reden hebben wetenschappers silicate verwering uitgebreid bestudeerd tijdens geologische gebeurtenissen om de rol ervan in het verstoren of handhaven van de balans van het aardse systeem te begrijpen.

De Laat Paleozoïsche IJstijd (LPIA) is de langste en meest extreme “ijshuis” klimaat gebeurtenis van het Phanerozoïcum. Eerder onderzoek heeft twee belangrijke triggers voor de LPIA bevestigd: de lage-latitude Hercynische Orogenese (gebergtevorming) en de evolutionaire uitbreiding van terrestrische planten. Beide processen verhoogden de flux van continentale silicate verwering, wat leidde tot een verlaging van de atmosferische kooldioxideniveaus (pCO2). Het onderscheiden van hun relatieve bijdragen is echter een uitdaging, aangezien globale verweringsproxies hun gedeelde effect op het verhogen van verweringsfluxen niet gemakkelijk kunnen onderscheiden.

De onderzoekers merkten een theoretisch contrast op tussen de impact van de twee oorzaken op de verweringsintensiteit (WI). Onder stabiele achtergrondomstandigheden zou de Hercynische Orogenese waarschijnlijk de globale gemiddelde WI verlagen door de fysieke denudatiesnelheden (erosie) te versnellen, vooral tijdens koude, droge klimaatholen van de LPIA, waar fysieke erosie de chemische verwering overtreft. Daarentegen zouden goed ontwikkelde terrestrische plantensystemen (bijvoorbeeld uitgestrekte regenwouden) de WI verhogen: planten versnellen de chemische verwering en vertragen denudatie door hun beschermende “schuiling” effect op de bodem en gesteente.

Deze tegenstrijdige invloed biedt een kans om de rollen van de oorzaken te ontrafelen, vooral door regionale verweringsrecords (gevormd door paleoklimaat en plantevolutie) te vergelijken met wereldwijde data. Zuid-China, een geïsoleerd blok nabij de paleoequator tijdens de LPIA, bood ideale studieomstandigheden: het bleef tektonisch stabiel, met minimale blootstelling aan Hercynische opheffing en lage gevoeligheid voor glaciaal-interglaciaal cycli. In combinatie met eerder gepubliceerde gegevens over zeewater strontium (Sr) en lithium (Li) isotopen, stelde de geologische setting van de regio het team in staat om de invloeden van plantevolutie en paleoklimaat op verwering te isoleren.

Het CIA-record van Zuid-China onthulde een vierfasepatroon in de regionale continentale verweringsintensiteit. Fase I (333–316 Ma): de verhoogde verweringsintensiteit werd voornamelijk gedreven door de snelle uitbreiding van paleotropicale bossen (waarschijnlijk gepaard met meer neerslag), niet door veranderingen in atmosferisch pCO2. Fasen II–IV (316–275 Ma): de verweringsintensiteit correleerde sterk met atmosferisch pCO2, wat aangeeft dat het klimaat (in plaats van planten) de dominante controle werd.

Door hun gegevens te integreren met eerder gepubliceerde 87Sr/86Sr en δ7Li records, stelde het team ook een vier-fasen traject van globale continentale verwering vast tijdens de Laat Paleozoïsche periode. Fase I: de globale verweringsintensiteit bewees het tegenovergestelde van die van Zuid-China. Dit suggereert dat de Hercynische orogenese de meeste toename in globale silicate verweringsfluxen aandreef, met de uitbreiding van tropische bossen als secundaire bijdrage. Fasen II–III: globale en Zuid-Chinese verweringsintensiteiten vertoonden parallelle trends, verbonden door pCO2 dynamiek: verbeterde verwering in Fase I verlaagde atmosferisch pCO2, wat leidde tot wereldwijde afkoeling. Fase IV: de ineenstorting van de Hercynische orogenese verlaagde de denudatiesnelheden in de paleotropen, wat de silicate verwering verzwakte en de efficiëntie ervan bij het consumeren van CO2 verlaagde.

Dit onderzoek maakt voor het eerst onderscheid tussen de relatieve bijdragen van orogenese en plantevolutie aan silicate verwering tijdens de Laat Paleozoïsche IJstijd, wat belangrijke empirische bewijsvoering biedt voor onderzoek naar de paleoklimaatdynamiek van het aardse systeem.