Oxygen and sulfur isotopes of peridotite and gabbro from the Mid-Atlantic Ridge

Whole rock sulfur and oxygen isotope compositions of altered peridotites and gabbros from near the 15°20'N Fracture Zone on the Mid-Atlantic Ridge were analyzed to investigate hydrothermal alteration processes and test for a subsurface biosphere in oceanic basement. Three processes are identified. (1) High-temperature hydrothermal alteration (~250-350°C) at Sites 1268 and 1271 is characterized by 18O depletion (2.6-4.4 per mil), elevated sulfide-S, and high delta34S (up to ~2 wt% and 4.4-10.8 per mil). Fluids were derived from high-temperature (>350°C) reaction of seawater with gabbro at depth. These cores contain gabbroic rocks, suggesting that associated heat may influence serpentinization. (2) Low-temperature (<150°C) serpentinization at Sites 1272 and 1274 is characterized by elevated delta18O (up to 8.1 per mil), high sulfide-S (up to ~3000 ppm), and negative delta34S (to -32.1 per mil) that reflect microbial reduction of seawater sulfate. These holes penetrate faults at depth, suggesting links between faulting and temperatures of serpentinization. (3) Late low-temperature oxidation of sulfide minerals caused loss of sulfur from rocks close to the seafloor. Sulfate at all sites contains a component of oxidized sulfide minerals. Low delta34S of sulfate may result from kinetic isotope fractionation during oxidation or may indicate readily oxidized low-delta34S sulfide derived from microbial sulfate reduction. Results show that peridotite alteration may be commonly affected by fluids +/- heat derived from mafic intrusions and that microbial sulfate reduction is widespread in mantle exposed at the seafloor.

Chemical and isotopic compositions of altered MORB from ODP Holes 187-1154A, 187-1155B, and 187-1160B

Boron and Pb isotopic compositions together with B-U-Th-Pb concentrations were determined for Pacific and Indian mantle-type mid-ocean ridge basalts (MORB) obtained from shallow drill holes near the Australian Antarctic Discordance (AAD). Boron contents in the altered samples range from 29.7 to 69.6 ppm and are extremely enriched relative to fresh MORB glass with 0.4-0.6 ppm B. Similarly the d11B values range from 5.5? to 15.9? in the altered basalts and require interaction with a d11B enriched fluid similar to seawater ~39.5? and/or boron isotope fractionation during the formation of secondary clays. Positive correlations between B concentrations and other chemical indices of alteration such as H2O CO2, K2O, P2O5, U and 87Sr/86Sr indicate that B is progressively enriched in the basalts as they become more altered. Interestingly, d11B shows the largest isotopic shift to +16? in the least altered basalts, followed by a continual decrease to +5-6? in the most altered basalts. These observations may indicate a change from an early seawater dominated fluid towards a sediment-dominated fluid as a result of an increase in sediment cover with increasing age of the seafloor. The progression from heavy d11B towards lighter values with increasing degrees of alteration may also reflect increased formation of clay minerals (e.g., saponite). A comparison of 238U/204Pb and 206Pb/204Pb in fresh glass and variably altered basalt from Site 1160B shows extreme variations that are caused by secondary U enrichment during low temperature alteration. Modeling of the U-Pb isotope system confirms that some alteration events occurred early in the 21.5 Ma history of these rocks, even though a significant second pulse of alteration happened at ~12 Ma after formation of the crust. The U-Pb systematics of co-genetic basaltic glass and variably low temperature altered basaltic whole rocks are thus a potential tool to place age constraints on the timing of alteration and fluid flow in the ocean crust.

Global biodiversity and the ancient carbon cycle

Paleontological data for the diversity of marine animals and land plants are shown to correlate significantly with a concurrent measure of stable carbon isotope fractionation for approximately the last 400 million years. The correlations can be deduced from the assumption that increasing plant diversity led to increasing chemical weathering of rocks and therefore an increasing flux of carbon from the atmosphere to rocks, and nutrients from the continents to the oceans. The CO2 concentration dependence of photosynthetic carbon isotope fractionation then indicates that the diversification of land plants led to decreasing CO2 levels, while the diversification of marine animals derived from increasing nutrient availability. Under the explicit assumption that global biodiversity grows with global biomass, the conservation of carbon shows that the long-term fluctuations of CO2 levels were dominated by complementary changes in the biological and fluid reservoirs of carbon, while the much larger geological reservoir remained relatively constant in size. As a consequence, the paleontological record of biodiversity provides an indirect estimate of the fluctuations of ancient CO2 levels.

Reconstituição da paleoprecipitação no sul do Nordeste Brasileiro durante os dois últimos ciclos glaciais a partir da aplicação de registros isotópicos de oxigênio de estalagmites da Chapada Diamantina, Bahia.

Registros isotópicos de oxigênio obtidos em alta resolução das estalagmites CL2 e MAG das cavernas Calixto e Marota, região da Chapada Diamantina (CD) (12ºS), Estado da Bahia, sul do Nordeste brasileiro (sNEB), permitiram reconstituir as mudanças passadas da precipitação entre 165-128 e 59-39 mil anos A.P. Para a reconstituição paleoclimática considerou-se resultados de um estudo de calibração realizado em duas cavernas da CD o qual demonstrou uma relação entre composição isotópica da água meteórica e de gotejamento e sugeriu um ambiente adequado para a deposição do espeleotema em condições equilíbrio e/ou próximas com a água de gotejamento. A interpretação da paleoprecipitação através dos registros isotópicos \'\'delta\' POT.18\'O das estalagmites também foi baseada na relação entre composição isotópica da água da precipitação e a quantidade de chuva obtidos em estações da IAEA-GNIP no Brasil e de simulações das variações do \'\'delta\' POT.18\'O da chuva através do modelo climático ECHAM-4. Esses dados indicaram o efeito quantidade (amount effect) como fator preponderante de controle isotópico da água da chuva que formam os espeleotemas na CD, significando que a diminuição dos valores de \'\'delta\' POT.18\'O está associada ao aumento do volume de chuvas e vice-versa. Os registros de \'\'delta\' POT.18\'O dos espeleotemas permitiram reconstituir a variação da paleoprecipitação na escala orbital e milenar durante o penúltimo glacial bem como correlacionar mudanças na paleoprecipitação no sNEB com eventos milenares registrados na Groelândia no último glacial. Os registros da CD indicaram um aumento (diminuição) da paleoprecipitação na Bahia relacionado a diminuição (aumento) da insolação austral de verão a 10ºS durante o penúltimo glacial, similar ao observado no último ciclo precessional. Na escala orbital os registros da CD estiveram em antifase com os paleoindicadores isotópicos do Sudeste brasileiro e em fase com os valores de\'\'delta\' POT.18\'O dos espeleotemas do leste da China. Esse padrão de precipitação é similar ao observado na última glaciação e sugere que a variação na insolação de verão afetou as monções sul-americanas (MSA) promovendo mudanças na precipitação no sNEB no penúltimo glacial. Condições áridas no sNEB durante o aumento da insolação de verão estariam provavelmente associadas ao aprofundamento da subsidência de ar provocado pelo fortalecimento da circulação leste-oeste da MSA devido ao aumento das atividades convectivas na Amazônia o que teria, favorecido um posicionamento mais a sul da Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS). O oposto também ocorreria durante as fases de baixa insolação de verão quando a MSA estaria provavelmente mais desintensificada. Durante o penúltimo glacial (Terminação Glacial II) abruptas oscilações nos registros da CD para valores mais baixos de \'\'delta\' POT.18\'O indicaram um profundo aumento da precipitação coincidente com o evento Heinrich (H11). Nesse período a paleoprecipitação no sNEB esteve correlacionada negativamente com as mudanças climáticas na China e no oeste amazônico (Peru) e positivamente com o Sudeste brasileiro. Interpretou-se que as anomalias positivas da precipitação no sNEB podem ter estado relacionadas ao deslocamento para sul da Zona de Convergência Intertropical (ZCIT) bem como com a intensificação da MSA e ZCAS nesse período. Finalmente, oscilações isotópicas abruptas para valores mais altos observadas durante o estágio marinho isotópico 3 coincidentes com os eventos quentes registrados na Groelândia, denominados de eventos Dansgaard-Oeschger (DO), foram interpretados como a ocorrência de eventos muito secos no sNEB. Essas variações da precipitação na escala milenar, que estão em fase com os registros no Peru, podem ter estado relacionadas ao deslocamento para norte da ZCIT o que teria promovido uma profunda desintensificação da MSA.

General responses of Thoracosphaera heimii grown under a range of pCO2

Ocean acidification is considered a major threat to marine ecosystems and may particularly affect calcifying organisms such as corals, foraminifera and coccolithophores. Here we investigate the impact of elevated pCO2 and lowered pH on growth and calcification in the common calcareous dinoflagellate Thoracosphaera heimii. We observe a substantial reduction in growth rate, calcification and cyst stability of T. heimii under elevated pCO2. Furthermore, transcriptomic analyses reveal CO2 sensitive regulation of many genes, particularly those being associated to inorganic carbon acquisition and calcification. Stable carbon isotope fractionation for organic carbon production increased with increasing pCO2 whereas it decreased for calcification, which suggests interdependence between both processes. We also found a strong effect of pCO2 on the stable oxygen isotopic composition of calcite, in line with earlier observations concerning another T. heimii strain. The observed changes in stable oxygen and carbon isotope composition of T. heimii cysts may provide an ideal tool for reconstructing past seawater carbonate chemistry, and ultimately past pCO2. Although the function of calcification in T. heimii remains unresolved, this trait likely plays an important role in the ecological and evolutionary success of this species. Acting on calcification as well as growth, ocean acidification may therefore impose a great threat for T. heimii.