Global trends in nutrient dynamics during the Ediacaran-Cambrian period as revealed by nitrogen and carbon isotope trends

Abstract

The evolution of metazoans during the Precambrian-Cambrian interval is known as the “Cambrian radiation event”. The stratigraphic record of this interval records characteristic carbon and nitrogen isotope fluctuations which suggest their close linkage to evolutionary innovations. It has been proposed that the transition to a fully oxygenated marine environment in the course of the Ediacaran and early Cambrian affected the carbon and nitrogen cycles by limiting the availability of reduced and oxidized nutrient species (e.g. NH4+, NO3-) for organisms. Integrated studies of the three isotope systems carbonate carbon (δ13Ccarb), organic carbon (δ13Corg) and nitrogen (δ15N) greatly assist in understanding biogeochemical cycling during a time of biological innovations at stratigraphic sections on two microcontinents. These span the Precambrian-Cambrian (Pc-C) boundary on the South China Yangtze craton and the Ediacaran to early Cambrian on the “Kazakh microcontinent” exposed in the Malyi Karatau range of southern Kazakhstan. Three prominent δ13Ccarb excursions representing the (1) “cap carbonate anomaly” (~635 Ma), (2) “Shuram-Wonoka anomaly” (end ~551 Ma) and (3) “Pc-C boundary anomaly” (~542 Ma) enable it for the first time to correlate Kazakh Pc C strata geochemically to comparable intervals in South China and Oman, thus supporting arguments for the global applicability of isotope records from these regions. A stepwise increase in δ15N values to 4.9‰ during the Ediacaran records a transition towards mildly oxygenated water conditions with an elevated bioproductivity. Data showed that seawater nitrate and hence oxygen became more widespread and stable through the Ediacaran. The Pc-C boundary interval however is marked by negative δ13Ccarb and δ15N anomalies, supporting widespread oceanic anoxia with intermittent episodes of euxinic conditions associated with the Cambrian ecosphere (r)evolution.

Die Entfaltung der Metazoen während des Präkambrium-Kambrium Intervalls ist bekannt als „Kambrische Radiation“ und eng assoziiert mit charakteristischen Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanomalien in Gesteinseinheiten, die diese Zeit umfassen. Die spezifischen Isotopentrends legen die Vermutung nahe, dass ein tiefgreifender biogeochemischer Wandel in den Ozeanen in großem Maße an den evolutionären Geschehnissen beteiligt war. Hierbei scheint die Anreicherung von Sauerstoff den Kohlen- und Stickstoffkreislauf wesentlich mit Hinsicht auf die Verfügbarkeit von reduzierten und oxidierten Nährstoffen (z.B. NH4+, NO3-) für die Primärproduktion im marinen Ökosystem modifiziert zu haben. Diese Arbeit widmet sich der integrierten Analyse von karbonatisch gebundenem Kohlenstoff (δ13Ccarb), organisch gebundenem Kohlenstoff (δ13Corg) und Stickstoff (δ15N) mit dem Ziel, biogeochemische Kreisläufe in Zeiten evolutionärer Innovationen anhand von stratigraphischen Abfolgen auf zwei Mikrokontinenten näher zu beschreiben. Isotopenanalysen erfolgten an Gesteinsabfolgen des südchinesischen Yangtze Kratons, die die Präkambrium- Kambrium Grenze umfassen, sowie an ediakarischen bis früh-kambrischen Gesteinen des Malyi Karatau Höhenzugs in Kasachstan. Die Kohlenstoffisotopendaten weisen drei prominente, negative δ13Ccarb Exkursionen auf: (1) Die „Cap Carbonate Anomalie“ (~635 Ma), (2) die „Shuram-Wonoka Anomalie“ (Ende ~551 Ma) und (3) die „Präkambrium-Kambrium Anomalie“ (~542 Ma). Zusammen ermöglichen die Daten erstmals eine globale chemostratigraphische Korrelation zwischen kasachischen Gesteinshorizonten und vergleichbaren, zeit-äquivalenten Sektionen aus Südchina und dem Oman. Ferner unterstützt dieses Ergebnis den global repräsentativen Charakter der Isotopensignaturen. Eine schrittweise Erhöhung der δ15N Werte auf 4.9‰ während des Ediakariums beschreibt eine allmählich sauerstoffreichere Wasserbeschaffenheit und erhöhte Bioproduktivität im Ozean. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass Nitrat und demzufolge auch Sauerstoff während des Ediakariums in weiten Teilen des Ozeans stabil vorhanden waren. Das Präkambrium-Kambrium Grenzintervall hingegen zeigt negative δ13Ccarb- und δ15N-Anomalien und bekräftigt somit ein „ozeanisch anoxisches Ereignis“ mit zeitweilig euxinischen Episoden, welches vermutlich eng mit den evolutionären Ereignissen in Verbindung stand.