Late Eocene Asian Climate Seasonality inferred  from δ18O of Tarim Basin Oyster Shell Laurie Bougeois

Internship supervised by Guillaume Dupont­Nivet in the Paleomagnetic Laboratory, University of Utrecht

Introduction

Eocene – Oligocene World

Blackey, NAU

Localisation

Tarim Basin We st  Ku n

lun

Tibetan Plateau

Hi ma

lay a

maps.google.com

Bosboom 2008

Our study : localisation

Oyster

Bosboom 2008

Geological background

Bashibulake  Formation

Yin et al., 2002

MARINE

CONTINENTAL

Stratigraphy Early  Priabonian Red mudstones + siltstones

Around  36Ma

Limestones + green  calcareous siltstones Green  marls

Oyster ­60,6 m Massive calcareous  green sandstones + limestones

Bosboom 2008

Determination of oyster

16 cm Xiu, 1997 and personal communication

 Problem : Sokolowia buhsii assigned to Wulagen Formation

➔

Material This oyster provides an unique record of seasonality ● ● ●

Direct record of water chemistry Continuous record Very high resolution

4 cm

Material How? ● ●

Oxygen isotopes analysis Study along a perpendicular transect  of growth lines in the ligamental area

Section

4 cm

Isotopes analysis

The MicromillTM

Isotopes analysis

93 lines drilled perpendicularly  to the growth direction.

Length = between 0,2 and 0,4 cm Width = 30 µm Space between each lines = 120 µm

Methods – Notions of geochemistry What is δ18O ?

18

0  16  sample 0  18 O ‰=  18 − 1×1000 0  16  ref 0

Reference :  ● PDB for calcite ● SMOW for seawater

Fractionation between 16O and 18O during phase transitions

→ δ O depending on temperature and chemistry 18

δ18O = Climatic Indicator

Methods

precipitations??

δ18Op= ­20‰

Mountains elevation?? δ18Op= ­3‰

Connexion??

Open ocean

Paratethys  δ18Ow = ???

 δ18Ow = ­1‰

T(°C)  = 16 – 4.14 * (δ18Oc – δ18Ow)     =>     ΔT = ­4,14  * Δδ18Oc  ???

calculated

???

Expected results Result from Buick and Ivany on the fossil bivalve Cuculaea  raea, from the Eocene of Antartica

Buick and Ivany, 2004

Expected results 3 possible cases

 Big range of temperature variations between winter and summer ➔ Arid climate  Small range of temperature variations between winter and summer ➔ Temperate climate  No temperature variations ➔ No record because of a secondary effect (diagenesis, chemical  reactions...)

Results

Unfortunately, we are still waiting for results....

Conclusion and prospects What kind of climate during Late Eocene in West Kunlun Shan? ➔

arid/semi arid area humid area

Consistent with proxies data?

Zang et al., 2007

Conclusion and prospects What kind of climate during Late Eocene in West Kunlun Shan? ➔

Consistent with climate models?

Eldrett et al. 2009

Conclusion and prospects

For my study: ●

●

Study of δ13C correlated with δ18O → fractionation with the  growth rate? Possibility to study the Sr which is an indicator of open sea

After: ● ● ●

Extend the study troughout time and space Other isotopes methods → absolute T Comparison with other global data

Thanks for your attention ~~~~ Questions?

References Anderson T.F. and Arthur M.A. 1983. Stable isotopes of oxygen and carbon and their application to sedimentologie and paleoenvironnmental problems. In  Stable Isotopes in Sedimentary Geology (ed. M.A. Arthur, T.F. Anderson, I.R. Kaplan, J. Veizer, and L. Land). Society of Ecomo;ic Paleontologists and  mineralogists, Short Course, p 1­151 Bosboom, R.E. 2008. The retreat of the Paratethys from the Tarim Basin (West China) linked to the Eocene­Oligocene climate transition and the Indo­Asia  collision. p1­17 Charlier B.L.A., Ginibre C., Morgan D., Nowell G.M., Pearson D.G., Davidson J.P., Ottley C.J. 2006. Methods for the microsampling and high­precision  analysis of strontium and rubidium isotopes at single crystal scale for petrological and geochronolical applications. Chemical Geology 232. p 114­133 Craig H. 1965. Mesurment of oxygen  isotope paleotemperatures. In Stable Isotopes in Oceanographic Studies and Paleotemperatures (ed. E. Tongiorgi),  Consiglio Nazionale Delle Richerche Laboratorio Di Geologica Nucleare. P 9­130 DeConto, R.M., and Pollard, D., 2003, Rapid Cenozoic glaciation of Antarctica induced by declining atmospheric CO2: Nature, v. 421, p. 245­249. Dupont­Nivet, G., Krijgsman, C.G., Abels, H.A., Dai, S., Fang, X., 2007. Tibetan Plateau aridification linked to global cooling at the Eocene­Oligocene  transition. Nature 445, p 635­638 Epstein S., Buchsbaum R., Lowenstam H.A., Urey H.C. !(%! Carbonate­water isotopic temperature scale. Bulletin of the Geological Society of America  64, p 1315­1326 Graham S.A., Chamberlain C., Yue Y. Ritts B., Hanson A.D., Horton T.W., Walldbauer J.R., Poage M.A., Feng X. 2005. Stable isotope records of Cenozoic  climate and topography, Tibetan Plateau and Tarim Basin. American Journal of Science vol. 305. p101–118 Jin  X.,  Wang  J.,  Chen  B.,  Ren  L.  2003  Cenozoic  depositional  sequences  in  the  piedmont  of  the  west  Kunlun  and  their  paleogeographic  and  tectonic  implications . Journal of Asian Earth Sciences 21. p755–765 Kaandorp, Vonhof, Wesselinghb, Romero Pittmand, Kroona, van Hinte. 2005. Seasonal Amazonian rainfall variation in the Miocene Climate Optimum .  Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 221. p1­6 Kaandorp,  Wesselingh,  Vonhof.  2006.  Ecological  implications  from  geochemical  records  of  Miocene  Western  Amazonian  bivalves  .  Journal  of  South  American Earth Sciences 21. p54­74 Katz, M.E., Miller, K.G., Wright, J.D., Wade, B.S., Browning, J.V., Cramer, B.S., and Rosenthal, Y., 2008, Stepwise transition from the Eocene greenhouse  to the Oligocene icehouse: Nature Geosciences, v. 1, p. 329­334.

Kennett, J.P., 1977, Cenozoic evolution of Antarctic glaciation, the circum­Antarctic oceans and their impact on global paleoceanography: J. Geophys. Res.,  v. 82, p. 3843­3859. Langlet  D.  2002.  Enregistrement  haute  fréquence  des  conditions  environnementales  par  les  tests  de  bivalves.  Application  des  techniques  de  marquage,  cathodoluminescence, et chimie à l'huître Crassostrea gigas de l'étang de Tha (Hérault, France). Thèse doctorale de l'université Pierre et Marie Curie Paris  VI.  Langlet D., Alunno­Bruscia M., Rafelis M., Renard M., Roux M., Schein E., Buestel D. 2006. Experimental and natural manganese­ induced cathodoluminescence in the shell of the Japanese oyster Crassostrea gigas (Thunberg, 1793) from Thau Lagoon (Hérault, France) : ecological and  environment implications. Marine Ecology Progress Series 317. p 143­156 Lartaud F. 2007. Les fluctuations haute fréquence de l'environnement au cours des temps géologiques. Mise au point d'une modèle de référence actuel sur  l'enregistrement des contrastes saisonniers dans l'Atlantique Nord. Thèse doctorale de l'université Pierre et Marie Curie Paris VI. Meehl, G.A., 1992, Effect of tropical topography on global climate: Annual review of Earth and Planetary Sciences, v. 20, p. 85­112 Popov, S., Rögl, F., Rozanov, A.Y., Steininger, F.F., Shcherba, I.G., and Kovac, M., 2004, Lithological­Paleogeographic maps of Paratethys 10 Maps Late  Eocene to Pliocene: Courier Forschungsinstitut Senckenberg, v. 250, p. 1­42. Ramstein G., Fluteau F., Besse J., Joussaume S. 1997. Effect of orogeny, plate motion and land­sea distribution on Eurasian climate change over the past 30  million years. Nature vol 386 p 788­795 Raymo, M.E., Ruddiman, W.F., and Froelich, P.N., 1988, Influence of late Cenozoic mountain building on ocean geochemical cycles: Geology, v. 16, p.  649­653. Ritts B., Yue Y., GRAHAM S., Sobel E., Abbink O.A., Stockli D. 2008. From sea leveal to high elevation in 15 million years : uplift history of the northern  Tibetan Plateau margin in the Altun Shan. American Journal of Science vol. 308. 657– 678 Schmidt G.A. 1999 Forward modelling of carbonate proxy data from planktonic foraminifera using oxygen isotope tracers in a global ocean model.  Paleoceanography> 14 p 482­498 Xiu L. 1997 Paleogene bivalve communities in the Tarim Basin and their paleoenvironmental implications. Paleowords Number 7. p137­157 Yin A., P.E. Rumelhart, R. Butler, E. Cowgill, T.M. Harrison. 2002. Tectonic history of the Altyn Tagh fault system in northern Tibet inferred from  Cenozoic sedimentation . GSA bulletin vol. 114. p1257–1295 Zhang, Z., Wang, H., Guo, Z., and Jiang, D., 2007, What triggers the transition of palaeoenvironmental patterns in China, the Tibetan Plateau uplift or the  Paratethys Sea retreat?: Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, v. 245, p. 317­331.

Acknowledgments

Guillaume Dupont­Nivet Gert­Jan Reichart Miriam Shutter Arnold van Dijk

Methods – Notions of geochemistery What is δ18O ?

18

0  16  sample 0  18 O ‰=  18 − 1×1000 0  16  ref 0

●

●

Reference :  ● PDB for calcite ● SMOW for seawater

In water : 160 is heavier than 180 → so during a phase transition, 160 goes  in the more volatile phase In calcite : role of temperature ➔ For 2 cases : FRACTIONATION

δ18O of sea water is a proxie of the ice volume

Methods  Relationship between temperature of seawater T(°C), δ18Oc of calcite  shell (‰, PDB) and δ18Ow of surrounding water (‰, SMOW) (Epstein et al.,  1951 ­ Craig,1965 ­ Anderson and Arthur, 1983)

T(°C)  = 16 – 4.14 * (δ18O  – δ18O ) + 0.13 * (δ18O  – δ18O )² c w c w ???

calculated

???

 According to Zachos et al. (2004) : average for seawater during Eocene is  δ18Ow (SMOW) = ­1‰ (Earth without ice)

BUT ➔

 large fluctuations (until 5‰ (Schmitt, 1999)) ➔  not applicable for an epicontinental sea

Methods

precipitations??

δ18Op= ­20‰

Mountains elevation?? δ18Op= ­3‰

Connexion??

Open ocean  δ18Ow = ­1‰

Paratethys  δ18Ow = ???

Method T(°C)  = 16 – 4.14 * (δ18O  – δ18O ) + 0.13 * (δ18O  – δ18O )² c w c w ???

calculated

???

δ18Ow unknown → absolute T unknown

BUT  we can reconstitute the variations of temperature

➔

ΔT ≈ ­4,14 * (Δδ18Oc – Δδ18Ow)

End: sea water oxygen isotope composition remains constant throughout the year → Δδ18Ow = 0

So:  ΔT ≈ ­4,14 * Δδ18Oc