Geochemical proxy records identifying climatic and environmental changes across the Permian-Triassic boundary of key sections in NW Iran

Abstract

This thesis presents quantitative evidence for climatic and environmental changes, which characterize the transition from the Palaeozoic into the Mesozoic. The study concentrates on better resolving the causes and causal relationships, which are responsible for the end-Permian mass extinction, the largest mass extinction of the Phanerozoic. This is achieved by investigating the geochemical signatures locked in the sedimentary rocks and their fossil content of sections in northwestern Iran. The geochemistry of sedimentary rocks as well as fossil organisms and their shells is known to archive information about the physical and chemical parameters of the ambient environment in which the studied minerals were precipitated. Excursions in geochemical records visualized by isotopic analysis of conodont apatite, carbonate-associated sulphate and bulk-sedimentary rock, straddling the Permian-Triassic interval, are indicative of profound climatic and environmental changes. The oxygen isotope record from conodonts strongly supports an abrupt warming event paralleling the end-Permian mass extinction. This climate change is associated with synergistic effects acting on global warming and corroborates with a scenario of a more active hydrological cycle and subsequent increase of weathering fluxes from the continent, possibly documented as a contemporaneous lithological change in the studied sections to more clay-rich deposits. Simultaneous sulphur and oxygen isotope fluctuations measured in sulphate, which is structurally substituted in carbonate, provides an insight into the sulphur biogeochemical cycle within the extinction interval. A change towards increased organic matter production and consequential remineralization by sulphate-reducing bacteria is a scenario that can explain the patterns observed in the isotope proxies from sulphate associated with carbonate. This is likely linked to eutrophication of marine shelf settings by large fluxes of terrestrial material entering the ocean, a potential effect of climatic warming. These observations underline the interactions between Earth surface processes and imply proximal causes, such as thermal stress and widespread marine anoxia as well as euxinia, as drivers behind the mass extinction. The findings presented in this study cannot unequivocally be assigned to an ultimate cause for the environmental and biotic catastrophe in the latest Permian. However, large-scale volcanism related to time-equivalent emplacement of Siberian trap basalts is a likely culprit that could have initiated this CO2 induced climate catastrophe. A volcanic injection of isotopically depleted carbon into the ocean/atmosphere could explain the long-term negative carbon isotope excursion of the studied marine bulk-carbonate rock. This carbon isotope pattern is similar to that observed at other localities worldwide.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit paläoklimatischen und paläoökologischen Veränderungen am Paläozoikum–Mesozoikum-Übergang. Die Studie konzentriert sich auf Ursachen und Wechselwirkungen, die für das größte Massenaussterben des Phanerozoikums am Ende des Perms verantwortlich gewesen sein könnten. Dafür wurden Isotopenanalysen an Sedimentgesteinen und Fossilien von nordwest-iranischen Sektionen durchgeführt. Die geochemischen Signaturen stellen, bei guter Erhaltung des Probenmaterials, ein Archiv für die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Paläomerwassers zur Zeit der Ausfällung dar. Die Charakteristik der Schwankungen im Isotopensignal zeigt, dass tiefgreifende klimatische und ökologische Veränderungen an der Perm /Trias-Grenze existierten. Die Sauerstoffisotopen von Conodonten-Apatit zeigen eine abrupte Erwärmung unmittelbar während des Massenaussterbens. Dieser deutliche globale Klimawandel erzeugte Synergieeffekte, die in einem verstärkten Wasserkreislauf und eine dadurch verursachte erhöhte kontinentale Verwitterung resultierten. Der daraus folgende erhöhte Eintrag von Siliziklastika ins Meerwasser verursachte wahrscheinlich den vorübergehenden lithologischen Wechsel zu tonreicheren Sedimenten in den untersuchten Karbonatabfolgen. Schwankungen im Schwefel- und Sauerstoffisotopensignal im karbonatsubstituiertem Sulfat beweisen am und nach dem Aussterbeereignis eine erhöhte Produktion von organischem Material im Meerwasser. Die daraus resultierende Remineralisierung durch sulfatreduzierende Bakterien war wahrscheinlich gekoppelt mit einer Eutrophierung des Meeresbodens ausgelöst durch den verstärkten fluviatilen Eintrag von nährstoffreichem, terrestrischen Material. Dieses Szenario wurde wahrscheinich durch die Klimaerwärmung verursacht. Die Ergebnisse und Interpretationen der vorliegenden Studie unterstreichen, wie das Zusammenspiel von Erdoberflächenprozessen mit globaler Erwärmung und daraus resultierender weit verbreiteter mariner Anoxia/Euxinia das P/Tr-Massenaussterben verursacht haben könnte. Die neu generierten Daten können noch nicht eindeutig die ultimative Ursache für die biotische Krise erklären. Es kann jedoch eine kausale Verbindung zwischen der zeitgleichen und umfangreichen CO2-Injektion aus dem sibirischen Trap-Vulkanismus und der der Erderwärmung erkannt werden. Die vulkanisch induzierte Injektion von isotopisch leichtem Kohlenstoff in das Atmosphäre/Ozean System kann die langfristige negative Kohlenstoffisotopenexkursion von Karbonatsedimenten erklären. Ähnliche Kohlenstoffisotopenmuster wurden an verschiedenen Sektionen unterschiedlicher Regionen für dasselbe Zeitintervall nachgewiesen.