ASHLANTIC: Volcano-climate interactions during the Palaeocene-Eocene Thermal Maximum (PETM)

Klima spiller en viktig rolle i å opprettholde livet på jorda. Det har vært en kontinuerlig arts evolusjon de siste 4 milliarder årene, noe som betyr at jorda i denne perioden må ha hatt et levelig klima. Det betyr at klimaet må holdt seg relativt stabilt også over lange tidsskalaer. Allikevel har det i løpet av jordas historie oppstått flere økologiske kriser hvor de mest ekstreme har ført til masseutryddelser av opptil 90 % av alt liv. Slike hendelser viser at det har vært perioder hvor klimaet har vært utenfor det som kan betraktes som normalt. Vi vet at klimaet kan variere over ulike tidsskalaer; lokale værfenomener kan oppstå i løpet av så kort tid som timer eller dager, mens på den andre siden av skalaen kan endringer skje svært sakte i løpet av flere millioner av år. I ekstreme tilfeller kan det oppstå flere grader global oppvarming i løpet av bare noen tusen år, noe som er svært raskt sett i et geologisk perspektiv. Masseutryddelser har i jordas historie sammenfalt med slike raske globale oppvarminger, noe som indikerer at klimaendringer er en direkte årsak til økologiske kriser. Et eksempel på en slik rask klimaendring er en hendelse med navn «Paleocene-Eocene Thermal Maximum» (PETM), som skjedde for omtrent 56 millioner år siden. PETM ble forårsaket av massive karbonutslipp og påfølgende økt drivhuseffekt, og førte til en ekstrem global oppvarming (4-5 °C) over veldig kort tid (< 20,000 år). Vi vet ikke med sikkerhet hvor karbonet kom fra, men mulige kilder inkluderer havbunnssedimenter, et meteorittnedslag, eller vulkaner. Ved å forske på PETM og prøve å forstå hvordan og hvorfor slike raske klimaendringer oppstår, kan vi bedre forutse konsekvensene av karbonutslipp og global oppvarming. Prosjektet ASHLANTIC fokuserer på hvordan stor-skala vulkanisme kan ha påvirket klimaet. Samtidig med PETM oppstod det nemlig massive vulkanutbrudd langs kysten av Grønland og Storbritannia (under dannelsen av det nordlige Atlanterhavet). Disse vulkanutbruddene førte til direkte utslipp av karbon gjennom magmatiske gasser (CH4, CO2) fra lavaen. De førte også potensielt til indirekte karbonutslipp gjennom oppvarming av sedimenter i jordskorpen da lavaen var på vei opp til overflaten. Dersom disse sedimentene inneholdt organisk materiale (for eksempel olje), kunne oppvarmingen fra den stigende lavaen ha ført til en drastisk økning i karbonutslipp. Gjennom prosjektet ASHLANTIC har vi brukt ulike teknikker for å finne presise aldre for vulkanutbruddene, og dermed se om de samsvarer i tid med klimaendringene. Vi har også brukt nye banebrytende geokjemiske metoder for å spore klimaendringene i Nordsjøen under og etter PETM. Disse inkluderer endringer i havoverflate temperatur, i oksygennivået i havet, og i den hydrologiske syklusen, samt hvilke bergarter som ble mest utsatt for erosjon. Vi har funnet ut at havoverflate temperaturene i den østlige delen av Nordsjøen steg med mer enn 10 °C ved begynnelsen av PETM, opp til så mye som 33 °C! Det var også en stor økning i nedbørsmengden, noe som førte til stigende vannføring og transport av sedimenter ut i havet både fra det gamle grunnfjellet rundt Nordsjøen og fra nye lavaplatåer i Nord-Atlanteren. Dette arbeidet er banebrytende, ettersom det er en av de første gangene alle disse metodene er blitt kombinert for en lokalitet. Vår forskning viser også at den vulkanske aktiviteten økte i løpet av de sist tusenårene før den globale oppvarmingen startet, men at det var mindre aktivitet i løpet av selve PETM. Dette kan bety at selv om den vulkanske aktiviteten bidro til å sette i gang den globale oppvarmingen, så var det sannsynligvis andre forsterkende mekanismer igangsatt av den opprinnelige oppvarmingen som opprettholdt de høye temperaturene over så lang tid. Etter PETM finner vi hundrevis av vulkanske askelag i Nordsjøen, produsert av de største og mest eksplosive basaltiske vulkanutbruddene som har blitt dokumentert. Det har til nå vært uklart hva som forårsaket disse utbruddene. Vår forskning viser at de ikke er et resultat av økt vulkansk aktivitet som tidligere antatt, men derimot av en endring i type utbrudd til en mye mer eksplosiv form som oppstår når magma kommer i kontakt med vann. Dette skjedde sannsynligvis under åpningen av det Nord-Atlantiske havet, når det vulkanske systemet sank under vann og ble gradvis til et undersjøisk vulkansystem. Prosjekt ASHLANTIC har vært en strålende suksess, både fordi de opprinnelige målene har blitt oppnådd, og fordi det har gitt utgangspunkt for flere nye forskningsprosjekter. Blant annet har teamet bak ASHLANTIC fått tilslag på forskningsmidler til å samle to nye kjerneprøver i løpet av det kommende året. En kjerne vil bli boret på den Norske kontinentalsokkelen av «The Integrated Ocean Discovery Program (IODP) Expedition 396» i 2021. Den andre kjernen vil bores av «The International Continental Drilling Program (ICDP)» i 2022, og fortsetter der ASHLANTIC slapp ved å samle mer av den Danske stratigrafien.

Objective A aimed to drill Danish sediments to define a new type locality for the PETM. The drilling was unsuccessful, but an ideal section was found by digging a 45 m long trench in the beach. The beach section is now one of the best preserved expanded PETM sections in the world. The results have laid the foundation for two drilling (IODP and ICDP) campaigns that are scheduled for the coming years. Objective B aimed to implement novel proxies for volcanic activity across the PETM. The use of Hg as a volcanic proxy was a great success, showing significant regional variations between sites. The cause(s) of these variations will be tested during the upcoming IODP and ICDP drilling campaigns. Geochemical fingerprinting and studies of volcanic ash morphologies in Danish sediments suggest that many eruptions occurred underwater. The results suggest that the Danish ash layers mark the transition of volcanic activity from subaerial to submarine as the ocean began to open.

Identifying the historical triggers and feedbacks of rapid changes to Earth's climate represents a major scientific challenge of our time, as these processes provide a valuable analogue for future environmental perturbations. A key and timely field of research is the role that volcanoes play in regulating, replenishing, and disturbing atmospheric and oceanic chemistry over time. In particular, periods when huge volumes of magma reached the Earth surface in a short time frame often coincide with major climate change, suggesting a causal relationship. However, given the complexity of the Earth system, the multiple effects of volcanism on the climate are poorly constrained. The primary aim of this project is to establish a precise temporal relationship between the Palaeocene-Eocene Thermal Maximum (PETM) and the 2nd major pulse of activity from the North Atlantic Igneous Province (NAIP). The PETM at 55.8 Ma is one of the most extreme global warming events in prehistorical times, which saw a rapid 5-6 °C warming due to the catastrophic release of carbon that affected marine and terrestrial ecosystems worldwide. To achieve this aim, this project will collect a borehole drill core through the Fur Formation in Denmark. This key locality provides a rare continuous sequence through the PETM on land, containing hundreds of tephra layers derived from the NAIP that are relatively unaltered. The analyses will combine high-precision stratigraphic scanning and radio-isotopic dating techniques to refine the timing of the onset, duration, and termination of the PETM. A range of novel geochemical techniques will then assess the role that the NAIP played in the start and/or end of this rapid climate change. The interdisciplinary nature and wide scope of this project will be of high impact and of great value to the scientific community. The project, based at a Norwegian Centre of Excellence at the University of Oslo, will foster excellent national and international collaboration.