Paleoceanographic reconstructions across the Plio-Pleistocene from clumped isotope thermometry

Abstract

Bruk av isotopklyngetermometri (Δ47) på foraminiferer er en relativt ny tilnærming for å estimere havtemperaturer tilbake i tid. I motsetning til mange andre paleotermometre gir denne metoden temperaturer som er upåvirket av endringer i den kjemiske sammensetningen av sjøvann, noe som gjør den til et særlig egnet verktøy for å rekonstruere havtemperaturer over lange, geologiske tidsskalaer. I denne doktorgradsavhandlingen brukes isotopklyngetermometri for å gjenskape dyphavs- og havoverflatetemperaturer i flere intervaller over de siste 5 millioner årene. I tillegg ble Δ47-baserte estimater kombinert med Mg/Ca målt på de samme prøvene for å validere både absolutte temperaturer og vurdere relative temperaturendringer over studieintervallet.

I den første artikkelen kombineres Δ47 og Mg/Ca målt på bentiske foraminiferer fra to dyphavslokaliteter i Nord-Atlanteren og Stillehavet for å undersøke bunnvannstemperaturer i isotoptrinn (MIS) M2 (3.312–3.264 millioner år siden, Ma) og første halvdel av mPWP (3.264–3.025 Ma). Resultatene viser at en stor temperaturgradient eksisterte mellom dypvannsmassene i Stillehavet og Atlanterhavet gjennom studieintervallet, der det dype Atlanterhavet var betraktelig varmere og sannsynligvis saltere enn i dag. Dataene viser at dypvannsmassene i de ulike havbassengene hadde betraktelig mer ulike fysiske egenskaper i sen-Pliocen enn i dag, og antyder en fundamentalt annerledes dyphavssirkulasjon eller vannmassemiksing enn i det moderne havet. Videre viser vi at en nedkjøling observert i begge dyphavsbassengene under isotoptrinn M2 tyder på at de store endringene i bentisk δ18O som karakteriserer dette intervallet reflekterer temperaturendringer i dyphavet i stedet for kraftig isvekst på land.

I den andre artikkelen ble overflatenedkjølingen i isotoptrinn M2 på to lokaliteter i Nord-Atlanteren (IODP Site U1308 og U1313) revurdert med Δ47 utført på planktiske foraminiferer. Disse temperaturene sammenlignes med eksisterende Mg/Ca- og alkenone-baserte overflatetemperaturdata fra de samme lokalitetene. I tillegg ble det globale nedkjølingsmønsteret i forbindelse med denne hendelsen undersøkt ved å samle nye og eksisterende temperaturdata. Resultatene viser 2–4°C med nedkjøling på middels høye og høye breddegrader på både den nordlige og sørlige halvkule. Disse resultatene står i kontrast til tidligere forslag om en kraftig endring i varmetransport til høye nordlige breddegrader som nøkkeldriveren bak nedkjølingen i isotoptrinn M2 — da dette burde gitt en oppvarming på den sørlige halvkule. Derimot støtter disse resultatene opp under funnene fra artikkel en, som viser at dypvann produsert på høye breddegrader i både nord og sør ble nedkjølt samtidig. Til tross for denne nedkjølingen var forholdene under isotoptrinn M2 relativt varme. Globale havoverflatetemperaturer forble like varme eller varmere enn i sen-holocen. Særlig var Nord-Atlanteren karakterisert av varme forhold, med havoverflatetemperaturer opp til 5°C varmere enn i holocen, noe som også argumenterer mot stor isutbredelse på den nordlige halvkule på dette tidspunktet.

Den tredje artikkelen kombinerer nye og publiserte Δ47- og Mg/Ca-baserte bunnvannstemperaturer fra en lokalitet i Stillehavet for å undersøke temperaturutviklingen av det dype Stillehavet over de siste 5 millioner årene. Et sentralt funn fra denne studien er at mPWP kan ha vært det kaldeste intervallet i pliocen i det dype Stillehavet, noe som utfordrer den klassiske tolkningen av klimaet i dette intervallet som globalt varmt og stabilt. Sammenligning med rekonstruerte dypvannstemperaturer fra Nord-Atlanteren viser at den store temperaturgradienten mellom de to dyphavsbassengene forsvant mellom 2.7 og 2.6 million år siden, i samsvar med tidligere funn. I motsetning til tidligere studier viser derimot vår sammenligning at en stor temperaturgradient (~3°C) gjenoppsto umiddelbart etterpå mellom 2.6 og 2.5 millioner år siden, og også periodevis frem til for 2 millioner år siden. Dette antyder at omorganiseringen av varme mellom de to havbassengene for 2.7 millioner år siden var en kortvarig hendelse snarere enn en permanent endring, og at en permanent, moderne temperaturstruktur i Stillehavet og Atlanterhavet først ble etablert i løpet av de siste 2 millioner år.

For å oppsummere gir alle de tre artiklene ny innsikt i utviklingen og variabiliteten til klima i plio-pleistocen, og fremhever hvordan kombinasjonen av Δ47- og Mg/Ca målt på foraminiferer gir robuste estimater av havtemperaturer. Mens Mg/Ca gir mulighet for å undersøke relative temperaturendringer med høy oppløsning, gir Δ47 en kritisk kryssjekk av de absolutte verdiene.

The application of clumped isotope thermometry (Δ47) to foraminifera offers a novel approach for estimating past ocean temperatures. Unlike many other paleothermometers, this method provides temperature estimates that are unaffected by changes in the chemical composition of seawater, making it a particularly powerful tool for reconstructing past temperatures on million-year timescales. In this PhD thesis, clumped isotope thermometry is utilized to constrain deep sea and surface ocean temperatures during several intervals over the past 5 million years, which includes the warm Pliocene and the onset of major Northern Hemisphere glaciations. The Δ47-based temperature reconstructions are combined with foraminiferal Mg/Ca-based estimates measured on the same samples to validate both absolute values and assess relative changes in temperature across the Plio-Pleistocene.

In the first paper, paired benthic foraminiferal Δ47 and Mg/Ca measurements from two sites in the deep Pacific and North Atlantic were used to investigate bottom water temperatures (BWTs) during Marine Isotope Stage (MIS) M2 (3.312–3.264 million years ago, Ma) and the first half of the mid-Piacenzian Warm Period (mPWP, 3.264–3.025 Ma). The results show that a large BWT gradient of up to ~4°C between the deep Atlantic and Pacific oceans existed throughout the study interval, with the deep North Atlantic significantly warmer, and likely saltier, than at present. These data demonstrate that the physical properties of the Late Pliocene deep ocean were less spatially homogeneous than at present and suggest a fundamentally different mode of deep ocean circulation and/or mixing compared to the modern ocean. Furthermore, we resolve a bottom water cooling in both basins during MIS M2 with an amplitude strongly suggesting that the large changes in benthic foraminiferal δ18O associated with this event reflect a change the deep ocean temperature rather than ice volume as has previously been suggested.

In the second paper, MIS M2 surface cooling was reassessed with clumped isotope thermometry at two sites in the North Atlantic (IODP Site U1308 and U1313). Planktic foraminiferal Δ47-based temperatures was compared to existing alkenone- and Mg/Ca- based estimates from the same sites to better constrain both absolute temperatures and the relative changes associated with MIS M2. To further investigate the spatiotemporal cooling patterns during this event, a globally distributed set of new and existing sea surface temperature (SST) records was compiled. The results show that the mid-to-high latitudes of both hemispheres cooled by 2–4°C during MIS M2. These results contrast with previous suggestions of a distinct change in Atlantic northward heat transport as the key driver behind MIS M2 cooling — as this should have also provided a concurrent pattern of Southern Hemisphere warming — but they are in good agreement with the observations in the first paper that deep water sourced from both hemispheres cooled during MIS M2. Nevertheless, we find that relatively warm conditions still prevailed during MIS M2, with global SSTs as warm or warmer than in the Late Holocene. North Atlantic SSTs were up to ~5°C warmer than the Late Holocene, arguing against a large Northern Hemisphere glacial advance during MIS M2.

The third paper combines new and published benthic foraminiferal Δ47- and Mg/Ca-based BWT records from Pacific Site 849 to investigate the long-term thermal evolution of the deep Pacific over the last 5 million years. A key finding of this study is that the mPWP may have been the coldest interval of the Pliocene in the deep Pacific, challenging the characterization of this interval as globally warm. Furthermore, comparison of the Site 849 record to available constraints from the deep North Atlantic shows that a large deep ocean temperature gradient between the two basins existed for most of the Late Pliocene, before temperatures converged between 2.7–2.6 Ma — in agreement with previous findings. However, our records also show that a large gradient (~3°C) immediately reemerged between 2.6–2.5 Ma and intermittently up until at least 2.0 Ma. This suggests that that the reorganization of heat between the two basins at the Plio-Pleistocene transition represented a short-lived event rather than a permanent state change, and that a modern-like thermal structure in the Pacific and Atlantic was only established in the last ~2.0 Ma.

To summarize, the three thesis papers provide new insights on evolution and variability of Plio-Pleistocene climate and highlight the usefulness of the multi-proxy approach of combining foraminiferal Δ47 and Mg/Ca to reconstruct past ocean temperatures. While Mg/Ca provides the possibility of resolving relative temperatures changes at high resolution, Δ47 provides a critical cross-check on the absolute values.