This thesis focuses on gaining a better understanding of organic carbon cycle perturbations following the Permian-Triassic mass extinction (PTME). The PTME took place roughly 252 million years ago and is considered the largest extinction in Earth’s history due to its high loss of fauna. The Early Triassic is the epoch following the PTME and it is marked by delayed biotic recovery and major carbon cycle perturbations.
The carbon cycle is the amalgamation of a multitude of processes by which carbon moves through the Earth system. It involves the transfer of carbon between living organisms, the atmosphere, soil, ocean, and geosphere, which are also referred to as carbon pools. Carbon can exist in different forms, including carbon dioxide, organic matter, and inorganic carbon. The transfer of carbon between different pools is essential for regulating the Earth’s climate and supporting life on our planet. When the carbon cycle is disrupted, it can lead to significant changes in the Earth’s climate and ecosystems. By studying past carbon cycle perturbations, particularly in occurrence with mass extinctions, one can gain insight into how the Earth’s climate and ecosystems responded to such disruptions. This is relevant as it can help predict and potentially mitigate the effects of ongoing and future climate change.
Carbon cycle perturbations are evidenced today as well as in the geological past through carbon isotope variations in the different carbon pools. Isotopes are defined by the different numbers of neutrons in the nuclei of an element. The stable carbon isotopes are 12C and 13C. 12C is the most common and the lighter isotope of carbon, while 13C is rarer and heavier as it contains one more neutron. This difference in weight will result in preferential incorporation of 12C over 13C in chemical reactions such as photosynthesis. During photosynthesis, when living organisms take up carbon dioxide (CO2) from the atmosphere to form sugars (i.e., organic carbon), the lighter 12C is more likely incorporated. This creates a C-isotope composition (13C to 12C ratio), which is referred to as δ13C. This preferential uptake is called fractionation and this process allows carbon isotopes to be used to trace origin, fluxes and relationships between the various carbon pools within the carbon cycle.
My thesis focuses on the Smithian and Spathian substages of the Early Triassic approximately 2 million years (My) after the PTME and spanning a time interval of about 2.5 My. Past work has shown that the transition from Smithian to the Spathian is marked by a global δ13C positive excursion, a change from a hot house to a cold house world, biological radiation and extinction pulses of marine organisms, and a shift in terrestrial vegetation. The results of my thesis further our knowledge by showing that increased carbon sequestration from the atmosphere to slower cycling pools, such as the deep ocean, was happening earlier and more rapidly than previously thought. Marine and terrestrial systems seem to have contributed differently to the global carbon cycle via emission and sequestration of atmospheric carbon at separate times during the studied
interval. This is indicated in differences between δ13C values of terrestrial and marine pools. These differences can be linked to various mechanisms influencing the production, preservation, and destruction of organic carbon. These include primary productivity, which is coupled with the nutrient cycle, biotic and abiotic factors controlling organic matter preservation in sediments and soils as well as physical factors such as oceanic circulation, which are linked to temperature. The terrestrial carbon cycle varied likely due to the change in dominant vegetation, the increased storage of carbon in soils via the hypothesized formation of permafrost soils, and the decrease of soil organic matter decomposition. In the marine system the efficiency of the biological carbon pump determined carbon sequestration in the deep ocean and marine sediments. The biological carbon pump refers to the process by which marine organisms facilitate the transfer of carbon from the surface to the deep ocean.
To summarize, the findings of this work reflect an irreversible change of the carbon cycle across the studied time interval in both marine and terrestrial environments. The measurable changes of the carbon cycle are intertwined and have positive feedback mechanisms with other biogeochemical cycles and temperature. As with most research more work needs to be conducted to better constrain the global change.
--
Die vorliegende Doktorarbeit zielt darauf ab, die Störungen des Kohlenstoffkreislaufs nach dem Massenaussterben an der Perm-Trias Grenze besser zu verstehen. Dieses Massenaussterben fand vor rund 252 Millionen Jahren statt und gilt aufgrund des unglaublich hohen Verlusts an Fauna als folgenschwerstes Ereignis dieser Art in der Weltgeschichte. Die frühe Trias, also die Zeit nach dem Massenaussterben an der Perm-Trias-Grenze, ist geprägt von einer verzögerten biotischen Erholung und Störungen grösseren Ausmasses des Kohlenstoffkreislaufs.
Der Kohlenstoffkreislauf ist die Summe einer Vielzahl von Transportprozessen des Kohlenstoffs durch das Erdystem. Er umfasst den Austausch von Kohlenstoff zwischen lebenden Organismen, Atmosphäre, Boden, Ozean und Geosphäre, die allesamt Kohlenstoffspeicher sind. Kohlenstoff existiert in verschiedenster Form, unter anderem als Kohlenstoffdioxid, organisches Material und anorganischer Kohlenstoff. Der Austausch unter den verschiedenen Kohlenstoffspeichern ist unabdingbar für die Regulierung des Erdklimas und für das Leben auf unserem Planeten. Wird der Kohlenstoffkreislauf gestört, kann dies signifikante Veränderungen des Klimas und in den Ökosystemen mit sich ziehen. Indem wir vergangene Störungen des Kohlenstoffkreislaufs untersuchen, gerade im Zusammenhang mit Massenaussterben, können wir nachvollziehen, wie das Erdklima und die Ökosysteme auf solche Störungen reagiert haben. Das ist insofern relevant, als dass damit Auswirkungen des aktuellen und zukünftigen Klimawandels vorausgesagt und möglicherweise gemildert werden können.
Störungen des Kohlenstoffkreislaufs sind sowohl heute als auch in der geologischen Vergangenheit erkennbar an Kohlenstoffisotopenschwankungen. Isotope werden definiert anhand der Anzahl Neutronen im Nucleus eines Elements. Stabile Kohlenstoffisotope sind 12C und 13C. Ersteres ist das am weitesten verbreitete und leichtere Kohlenstoffisotop, Letzteres tritt seltener auf und ist schwerer, da es ein Neutron mehr enthält. Dieser Gewichtsunterschied führt dazu, dass 12C in chemischen Reaktionen wie der Photosynthesis eher aufgenommen wird als 13C. Bei der Photosynthesis, also der Prozess, bei dem lebende Organismen atmosphärisches Kohlenstoffdioxid (CO2) aufnehmen und in Glukose (d.h. organischen Kohlenstoff) umwandeln, wird das leichtere 12C-Isotop eher aufgenommen. So entsteht ein charakteristisches Verhältnis von 13C zu 12C, das sogenannte δ13C. Dieser Prozess der begünstigten Aufnahme heisst Fraktionierung und ermöglicht es, anhand von Kohlenstoffisotopen die Herkunft, Ströme und Wechselbeziehungen zwischen den verschiedenen Kohlenstoffspeichern innerhalb des Kohlenstoffkreislaufs zurückzuverfolgen.
Die vorliegende Doktorarbeit konzentriert sich auf die Stufen des Smithium und Spathium der frühen Trias, rund zwei Millionen Jahre (mya) nach dem Massenaussterben an der Perm- Trias-Grenze und deckt einen Zeitraum von rund 2.5 mya ab. Bisherige Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass der Übergang vom Smithium zum Spathium geprägt ist von einer globalen δ13C-positiven Abweichung, dem Wechsel von einem Treibhausklima zu einer Kältephase,
biologischer Strahlung, wellenartigem Aussterben von Meereslebewesen und einem Wandel der terrestrischen Vegetation. Die Resultate dieser Arbeit schärfen unser Verständnis und legen nahe, dass die Bindung von atmosphärischem Kohlenstoff in trägeren Kohlenstoffspeichern wie der Tiefsee schon früher und schneller stattgefunden hat als bisher angenommen. Terrestrische und marine Systeme scheinen mit der Emission und dem Binden von atmosphärischem Kohlenstoff zu verschiedenen Zeitpunkten im untersuchten Zeitfenster unterschiedlich zum globalen Kohlenstoffkreislauf beigetragen zu haben. Dies lässt sich an den unterschiedlichen δ13C-Werten von terrestrischen und marinen Kohlenstoffspeichern erkennen, die im Zusammenhang stehen mit Mechanismen, die sich auf die Produktion, den Erhalt und die Zerstörung von organischem Kohlenstoff auswirken. Zu diesen zählen die Primärproduktion, die an den Nährstoffkreislauf gekoppelt ist, biotische und abiotische Faktoren, die den Erhalt von organischem Material in den Sedimenten und im Boden steuern, und physikalische Faktoren wie die Meeresströmung, die von der Temperatur beeinflusst wird. Die Veränderungen im terrestrischen Kohlenstoffkreislauf liegen voraussichtlich an einem Wechsel der dominanten Vegetation, der vermehrten Speicherung von Kohlenstoff im Boden im Zuge einer vorausgesetzten Bildung von Permafrost und der geringeren Zersetzung organischer Stoffe im Boden. Im marinen Kohlenstoffkreislauf hingegen bestimmt die Wirksamkeit der biologischen Kohlenstoffpumpe die Aufnahme von Kohlenstoff in der Tiefsee und den Meeressedimenten. Die biologische Kohlenstoffpumpe bezeichnet den Prozess, bei dem marine Organismen den Transport von Kohlenstoff von der Wasseroberfläche in die Tiefe beschleunigen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Resultate der vorliegenden Doktorarbeit sowohl im marinen als auch im terrestrischen Umfeld in der untersuchten Zeitspanne eine unumkehrbare Veränderung des Kohlenstoffkreislaufs widerspiegeln. Die beobachteten Veränderungen des Kohlenstoffkreislaufs sind miteinander verflochten und weisen positive Rückkopplungsmechanismen mit anderen biogeochemischen Kreisläufen und der Temperatur auf. Wie bei einem Grossteil der Forschungsarbeiten bedarf es auch hier weiterer Arbeiten, um die globalen Veränderungen besser einzugrenzen.
--
La présente thèse vise à mieux comprendre les perturbations du cycle du carbone suite à l’extinction Permien-Trias il y a environ 252 millions d’années, aujourd’hui considérée comme l’extinction la plus massive dans l’histoire de la Terre en raison de l’énorme perte de faune qu’elle a entraînée. Le Trias inférieur, l’époque après l’extinction Permien-Trias, est marqué par un rétablissement biotique ralenti et de grandes perturbations du cycle du carbone.
Le cycle du carbone est l’ensemble d’une multitude de processus de déplacement du carbone dans le système terrestre. Il inclut le transfert du carbone entre les organismes vivants, l’atmosphère, le sol, les océans et la géosphère, également appelés des réservoirs de carbone. Le carbone existe sous différentes formes, notamment le dioxyde de carbone, la matière organique et le carbone inorganique. Le déplacement du carbone entre les réservoirs est essentiel pour réguler le climat sur la Terre et pour la vie sur notre planète. Les perturbations du cycle du carbone peuvent entraîner des changements considérables du climat et des écosystèmes. L’étude de perturbations du cycle du carbone survenues dans le passé, en particulier celles liées à des extinctions massives, permet de comprendre comment le climat de la Terre et les écosystèmes ont réagi à ces perturbations. Ces connaissances sont d’autant plus importantes parce qu’elles peuvent contribuer à anticiper et à atténuer potentiellement les effets du changement climatique actuel et futur.
Aujourd’hui comme dans le passé géologique, les perturbations du cycle de carbone se manifestent par les fluctuations des isotopes de carbone. Les isotopes sont définis par le nombre de neutrons dans le noyau d’un élément. Les isotopes stables de carbone sont 12C et 13C, le premier étant le plus commun et le plus léger isotope de carbone, le deuxième plus rare et plus lourd, car il contient un neutron de plus. Cette différence de poids entraîne une incorporation préférentielle de 12C dans les réactions chimiques telles que la photosynthèse. Dans la photosynthèse, lorsque les organismes vivants absorbent le dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère pour les transformer en sucres (c.-à-d. en carbone organique), l’isotope de carbone 12C, plus léger, est plus susceptible d’être incorporé. Il en résulte un rapport 13C/12C caractéristique, le δ13C. Cette absorption préférentielle s’appelle fractionnement, et elle permet d’utiliser les isotopes de carbone pour retracer l’origine, les flux et les rapports entre les différents réservoirs de carbone au sein du cycle du carbone.
Ma thèse porte sur les sous-étages stratigraphiques du Smithien et du Spathien du Trias inférieur, environ 2 millions d’années (Ma) après l’extinction Permien-Trias et s’étendant sur quelques 2,5 Ma. Les travaux réalisés par le passé ont montré que la transition du Smithien au Spathien est marquée par une variation positive de δ13C à l’échelle globale, le passage d’un climat « de serre » à un climat « glaciaire », la radiation biologique, des vagues d’extinction d’organismes marins et un changement de la végétation terrestre. Les résultats de ma thèse approfondissent nos connaissances en montrant que la séquestration du carbone de l’atmosphère vers les réservoirs plus lents, tels que l’océan profond, s’est produite plus tôt et plus rapidement que ce que l’on pensait auparavant. Les systèmes marins et terrestres semblent avoir contribué différemment au cycle global du carbone par l’émission et la séquestration du carbone atmosphérique au cours de la période étudiée. C’est ce que montrent les différences entre les valeurs δ13C des réservoirs terrestres et marins. Ces différences peuvent être liées à divers mécanismes qui ont une influence sur la production, le stockage et la destruction de carbone organique, notamment la productivité primaire, qui est associée au cycle des éléments nutritifs, mais aussi des facteurs biotiques et abiotiques contrôlant la préservation de la matière organique dans les sédiments marins et les sols, et des facteurs physiques liés à la température tels que la circulation océanique. Le cycle terrestre du carbone était soumis à des fluctuations probablement en raison du changement de la végétation dominante, de l’augmentation du carbone piégé dans les sols par le biais de la création hypothétique de pergélisol et du ralentissement de la décomposition de la matière organique. Quant au système marin, l’efficacité de la pompe biologique du carbone a déterminé la séquestration du carbone dans l’océan profond et les sédiments marins. La pompe biologique du carbone désigne le processus par lequel les organismes marins facilitent le transport du carbone de la surface vers les fonds marins.
Pour résumer, les résultats de cette thèse reflètent un changement irréversible des cycles terrestre et marin du carbone au cours de la période étudiée. Les changements observés du cycle du carbone sont étroitement liés à et ont des effets positifs sur d’autres cycles biogéochimiques et la température. Comme pour la plupart des recherches, il reste beaucoup de travail à faire afin d’atténuer davantage les effets du changement global.
--
Questa tesi si concentra sulla comprensione delle perturbazioni del ciclo del carbonio organico in relazione all’estinzione di massa permiano-triassica (PTME). La PTME è avvenuta circa 252 milioni di anni fa ed è considerata la più grande estinzione nella storia della Terra data l’incredibilmente elevata perdita di fauna. Il Triassico inferiore è l’epoca successiva alla PTME ed è caratterizzata da una lenta ripresa biotica e da importanti perturbazioni del ciclo del carbonio.
Il ciclo del carbonio è l’insieme di una moltitudine di processi attraverso i quali il carbonio si muove nel sistema terrestre, tra cui il trasferimento di carbonio tra gli organismi viventi, l’atmosfera, il suolo, l’oceano e la geosfera, che vengono anche definiti pool di carbonio. Il carbonio esiste in diverse forme, fra l’altro anidride carbonica, materia organica e carbonio inorganico. Il trasferimento di carbonio tra i diversi pool è essenziale per regolare il clima terrestre e sostenere la vita sul nostro pianeta. Le perturbazioni del ciclo del carbonio possono portare a cambiamenti significativi nel clima e negli ecosistemi della Terra. Studiando le perturbazioni del ciclo del carbonio del passato, in particolare nel contesto delle estinzioni di massa, si può capire come il clima e gli ecosistemi terrestri abbiano risposto a tali perturbazioni. Questo è importante perché può aiutare a prevedere e potenzialmente mitigare gli effetti dei cambiamenti climatici oggi come domani.
Le perturbazioni del ciclo del carbonio sono evidenziate oggi e nel passato geologico attraverso le fluttuazioni degli isotopi del carbonio. Gli isotopi sono definiti sulla base del numero di neutroni nei nuclei di un elemento. Gli isotopi stabili del carbonio sono 12C e 13C, il primo essendo l’isotopo più comune e più leggero del carbonio, mentre il 13C è più raro e più pesante perché contiene un neutrone in più. Questa differenza di peso determina l’incorporazione preferenziale del 12C rispetto al 13C nelle reazioni chimiche come la fotosintesi. Nella fotosintesi, quando gli organismi viventi assorbono anidride carbonica (CO2) dall’atmosfera per formare zuccheri (cioè carbonio organico), è più probabile che venga incorporato il 12C più leggero. Questo crea un rapporto 13C-12C caratteristico, denominato δ13C. Questo assorbimento preferenziale, anche chiamato frazionamento, permette di tracciare l’origine, i flussi e le relazioni tra i vari pool di carbonio all’interno del ciclo del carbonio sulla base degli isotopi del carbonio.
La mia tesi si concentra sui sottostadi Smithian e Spathian del Triassico inferiore, circa 2 milioni di anni (My) dopo la PTME e compre un periodo di circa 2,5 Ma. Il lavoro svolto in passato ha dimostrato che la transizione dallo Smithian allo Spathian è caratterizzata da un’escursione positiva globale del δ13C, dal passaggio da un clima serra a un periodo di freddo, da radiazioni biologiche ma anche da eventi di estinzione di organismi marini nonché da un cambiamento nella vegetazione terrestre. I risultati della mia tesi approfondiscono le nostre conoscenze dimostrando che il sequestro del carbonio atmosferico dei pool più passivi, come l’oceano profondo, è avvenuto prima e più rapidamente di quanto si pensasse. I sistemi marini e terrestri sembrano aver
contribuito in modo diverso al ciclo globale del carbonio attraverso l’emissione e il sequestro del carbonio atmosferico in momenti diversi durante l’intervallo di tempo studiato. Ciò è indicato dalle differenze tra i valori di δ13C dei pool terrestri e marini. Queste differenze possono essere collegate a vari meccanismi che influenzano la produzione, la conservazione e la distruzione del carbonio organico, tra cui la produttività primaria, che è accoppiata al ciclo dei nutrienti, i fattori biotici e abiotici che controllano la conservazione della materia organica nei sedimenti e nei suoli e i fattori fisici come la circolazione oceanica, che sono legati alla temperatura. Le variazioni del ciclo del carbonio terrestre sono probabilmente legate al cambiamento della vegetazione dominante, all’aumento dell’assorbimento del carbonio nei suoli attraverso l’ipotizzata formazione del permafrost con conseguente diminuzione della decomposizione della materia organica del suolo. Nel sistema marino, l’efficienza della pompa biologica del carbonio ha determinato il sequestro del carbonio nell’oceano profondo e nei sedimenti marini. La pompa biologica del carbonio si riferisce al processo con cui gli organismi marini facilitano il trasferimento del carbonio dalla superficie alle profondità oceaniche.
In sintesi, i risultati di questo lavoro riflettono un cambiamento irreversibile del ciclo del carbonio nell’intervallo di tempo studiato, sia in ambiente marino che terrestre. I cambiamenti osservati nel ciclo del carbonio sono intrecciati e hanno meccanismi di feedback positivi con altri cicli biogeochimici e con la temperatura. Come per la maggior parte delle ricerche, è necessario condurre ulteriori lavori per meglio comprendere il cambiamento globale.
--
The Early Triassic epoch (252–247 Ma) is characterized by major carbon cycle perturbations evidenced through some of the largest carbon isotope excursions in the Phanerozoic. The Permian-Triassic mass extinction, which is considered the largest extinction in Earth’s history, precedes this epoch and is thought to have triggered this series of carbon isotope excursions. Understanding changes in carbon cycling in the geological past is essential as it can help predict and mitigate the effects of ongoing and future climate change. This thesis focuses on the organic carbon cycle perturbations of the Smithian-Spathian substages (250–247 Ma). The Smithian- Spathian transition is marked by global cooling, a positive δ13C excursion, biological radiations and extinction pulses of marine organisms as well as a shift in terrestrial vegetation. This study concentrates on developing our understanding of the mechanisms controlling atmospheric carbon emissions and sequestration by applying both organic and inorganic geochemical proxies and combining these results with insights from other research in palynology, paleontology, and numerical modeling. This study shows that atmospheric carbon concentrations were high within the middle Smithian following modeled reconstructions of δ13Cphytane. Compound specific isotope analysis on long-chained n-alkanes δ13C25,27,29 indicate that negative δ13C terrestrial input (e.g., methane) must have been an atmospheric carbon source. δ13Cn-alkanes further demonstrate that carbon sequestration took place in the late middle Smithian preceding the global temperature decrease. Initially, carbon was primarily being sequestered into the deep ocean dissolved inorganic and organic carbon pool via the enhanced efficiency of the biological carbon pump. It was not until the late Smithian that increased organic carbon burial became evident in the sedimentary record in low- to mid-latitude settings. Increased organic carbon burial was likely linked to marine bottom water anoxia causing enhanced release of phosphorus back into the water column, which increased primary productivity and affected the biological carbon pump. In the late Smithian substage the change in terrestrial vegetation and paleoenvironmental conditions caused changes in the terrestrial carbon cycle, for example, the decline in low δ13C terrestrial carbon input to the atmosphere. Decreasing temperatures likely led to the formation of permafrost soils forming a further pool for carbon sequestration. In the Spathian organic carbon-rich sediments declined in low-mid latitudes settings and increased organic carbon burial in mid-high latitude settings can be observed. With these findings, this study provides a more detailed picture of the carbon cycle by reconstructing possible reservoirs, sources, and fluxes of carbon in a time characterized by global cycle perturbations and ecological crises.
--
Le Trias inférieur (252-247 Ma) est caractérisé par des perturbations majeures du cycle du carbone, mises en évidence par des variation des isotopes de carbone qui sont parmi les plus importantes du Phanérozoïque. L’extinction Permien-Trias, aujourd’hui considérée comme l’extinction la plus massive dans l’histoire de la Terre, précède cette époque et serait à l’origine de cette série de variations des isotopes de carbone. Il est essentiel de comprendre les changements du cycle du carbone dans le passé géologique, car cela peut contribuer à anticiper et à atténuer potentiellement les effets du changement climatique actuel et futur. Cette thèse porte sur les perturbations du cycle du carbone dans les sous-étages stratigraphiques du Smithien et du Spathien (250-247 Ma). La transition du Smithien au Spathien est marquée par un refroidissement du globe, une excursion positive de δ13C, la radiation biologique, des vagues d’extinction d’organismes marins et un changement de la végétation terrestre. Cette étude vise à améliorer notre compréhension des mécanismes régissant les émissions et la séquestration atmosphériques de carbone en appliquant des méthodes géochimiques organiques et inorganiques et en associant les conclusions aux résultats d’autres recherches en palynologie, en paléontologie et en modélisation numérique. Sur la base de reconstructions modélisées de δ13Cphytane, cette étude montre que les concentrations de carbone atmosphérique étaient élevées au Smithien moyen. L’analyse isotopique spécifique aux composés de n-alcanes à chaine longue δ13C25,27,29 indique que l’apport terrestre négatif en δ13C (notamment le méthane) est lié à une source de carbone atmosphérique. δ13Cn-alcanes montre également que la séquestration du carbone a commencé vers la fin du Smithien moyen, avant la baisse de la température globale. À l’origine, le carbone était piégé avant tout dans le réservoir de carbone inorganique et organique dissous des fonds marins grâce à la meilleure efficacité de la pompe biologique du carbone. Ce n’est qu’au Smithien supérieur que l’augmentation de l’enfouissement du carbone organique s’est manifesté dans les relevés sédimentaires des latitudes basses à moyennes. L’augmentation de l’enfouissement du carbone organique est probablement liée à l’anoxie des eaux de fond marines, qui a entraîné une libération accrue de phosphore dans la colonne d’eau, ce qui a conduit à une augmentation de la productivité primaire et affecté la pompe biologique du carbone. Au Smithien supérieur, l’évolution de la végétation terrestre et des conditions paléoenvironnementales a entraîné des changements dans le cycle terrestre du carbone, par exemple la baisse de l’apport terrestre négatif en δ13C dans l’atmosphère. La baisse des températures aurait conduit à la création du pergélisol, qui constitue un nouveau réservoir pour la séquestration du carbone. Au Spathien, les sédiments riches en carbone organique des latitudes basses à moyennes ont diminué, tandis que l’enfouissement du carbone organique des latitudes moyennes à hautes a augmenté. Grâce à ces observations, cette étude offre un tableau plus détaillé du cycle du carbone en reconstruisant les réservoirs, les sources et les flux possibles du carbone dans une période marquée par des perturbations du cycle global et des crises écologiques.