Modelling Seawater Chemistry of the East Baltic Basin in the Late Ordovician - Early Silurian

Käesolevas töös on merevee kemismi vaadeldud hapnikusisalduse ja karbonaatse süsteemi aspektist. Vastavaid mudeleid on nimetatud Eh- ja pH-mudeliks. Modelleerimine lähtub hilisordoviitsiumi ja varasiluri kivimite litoloogilisest ja mineraalsest koostisest. Eh-mudel tugineb varasiluri kesk-ja ülem-Llandovery sügavaveelistel läbilõigetel. Tugipuurauguks ja mitmete keemiliste ning mineraloogiliste andmete allikaks on olnud lääne-Läti Aizpute-41 puursüdamik. Sügavaveelistes läbilõigetes tuleb selgelt esile merevee hapnikusisalduse ja sellega seotud teiste keskkonnatingimuste erinevus eri ajalõikude vahel. Kesk-Llandovery on esindatud musta kilda 7-10 m paksuse intervalliga, mis viitab hapnikuvaestele tingimustele merevee põhjalähedases osas. Samavanuselisteks kivimiteks madala shelfi suunal on afaniitsed lubjakivid 100 kuni 170 m paksuses. Lubjakivid sisaldavad ränimugulaid ja teisi ränistumisnähtusi, samuti on siin leitud barüüti. Iseloomuliku fatsiaalse järgnevuse ja mineraloogia alusel on kogu seda tunnuste kompleksi vaadeldud kui suurenenud fotosünteetilise bioproduktsiooni tulemust. Suurenenud primaarne bioproduktsioon oli ühe kindla protsessi, upwelling’u ehk mere tõusevhoovuse, tagajärg. Upwelling, mis tõusis shelfile Paleozoikumi hapnikuvaestest süvavetest, tõi enesega kaasa toitaineid, põhjustas suure planktoonse bioproduktsiooni ja merevee hapnikupuuduse. Hapnikupuudus tuli esile lainetuse segunemistsoonist sügavamal, kus tekkis musta kilt.

Hilis-Llandovery on, vastandina eelkirjeldatud kesk-Llandovery’le, vähese primaarse bioproduktsiooniga ja hapnikurikaste vetega. Seda tõendab süvaveelise shelfi kivimite punavärvilisus ja nii sügava kui madala shelfi kivimites suure bioproduktsiooni indikaatorite puudumine. Punavärvilisuse kandjaks on saviosakesi kattev peendispersne hematiit ja vähemal määral esinev götiit. Juhtivaks protsessiks merevee hapnikurezhiimi kujundamisel oli downwelling, ehk merevee langevhoovus. Langevhoovuse teke oli seotud kliima ja valdava tuulesuuna muutusega Balti mandriplaadi liikumise tõttu ekvaatori suunas. Passaatide vööndis kandis tuul ookeani pindmise hapnikurikka, kuid toitainetevaese veekihi Ida-Balti Basseini. Selle tagajärjel langes primaarne bioproduktsioon ja vesi muutus hapnikuküllaseks. Aeglase settimiskiirusega sügaval shelfil avaldus see punavärviliste setete kujunemises.

Karbonaatne sedimentatsioon hilisordoviitsiumis ja varasiluris toimus madalal shelfil erineva intensiivsusega, sügaval shelfil karbonaadid lahustusid. Hilisordoviitsiumis nihkus karbonaatne faatsies globaalse regressiooni tõttu avamere poole, mistõttu lahustumine sügavas vees on vähesem kui varasiluris. Karbonaatide tekkimise-lahustumise jaotuspilt ja andmed temperatuuri ning atmosfääri CO2 sisalduse kohta erinevate uurijate tööde põhjal võimaldas välja eristada karbonaatse süsteemi muutuvad tegurid eri geoloogilistel aegadel. Põhiline globaalne faktor, atmosfääri CO2 sisaldus, saavutas oma suurima mõju hilis-Llandovery’s. Kõrgenenud CO2 sisaldus põhjustas merevee pH languse, mis vähendas pinnakihis karbonaatide teket ja soodustas sügavamal põhjalähedases vees lahustumist. Hilis-Llandovery’s oli ka fotosünteetiline CO2 sidumine Ida-Balti Basseinis vähenenud, mistõttu pinnakihi pH oli tundlik atmosfääri CO2 mõjudele. Downwellingu-tüüpi veetsirkulatsioon basseinis viis lahustunud kaltsiumi ja karbonaatioonid shelfilt ookeani, vähendades sellega veelgi karbonaatide küllastusastet ja sadenemist madalal shelfil. Vastavalt nendele tingimustele kujunesid Balti shelfil Velise eal valdavalt merglid ja sügavamal savikivimid. Kesk-Llandoverys oli atmosfääri CO2 sisaldus veel mõõdukas. Suurenenud fotosünteesi ja CO2 sidumise tõttu oli merevee pindmine kiht suurema pH-ga soodustades karbonaatide teket. Sügaval shelfil, vastupidi, lisandus lagunevast orgaanilisest ainest täiendavat CO2, mis vähendas pH-d ja soodustas karbonaatide lahustumist. Upwelling tõstis lahustunud Ca ja karbonaatiooni tagasi madalale shelfile, kus see uuesti karbonaadina välja sadenes. Kõigist nimetatud asjaoludest tingituna ongi Raikküla eal madalal shelfil ja üleminekutsoonis paks lubjakivide lasund, sügava shelfi must kilt aga on karbonaadivaene.

Tänapäevaga võrreldes on ordoviitsiumi-siluri merevesi olnud erinev nii hapniku jaotuse kui karbonaatse süsteemi osas. Ainult üksikutes maailmamere paikades võib tänapäeval leida analooge muistsele ookeanis laialt levinud anoksilisele keskkonnale. Tänapäeva hapnikurikkad ookeaniveed ja laialt levinud punavärvilised ookeani setted esinesid piiratult ordoviitsiumi-siluri ajal shelfil. Seoses Mesozoikumis karbonaatide tekke nihkumisega shelfilt ookeani pinnakihti on muutunud atmosfääri süsihappegaasi ja karbonaatse sette tasakaal. Tõenäoliselt on suurenenud ookeani puhverdusvõime, mis stabiliseerib kliimat, kui inimtegevusest lähtuv kasvuhoonegaaside õhkupaiskamine ei muutu liiga kiireks.

Abstract

The models describing seawater chemistry base on lithology, mineralogy and chemical composition of the rock. Two aspects of seawater chemistry are considered, 1) the oxygenation of deep shelf waters, yielding the Eh-model, and 2) the carbonate system responsible for calcite -- dolomite formation -- dissolution, giving the pH-model.

The Eh-model was worked out on the basis of the Raikküla Regional Stage, the Aeronian, and Adavere Regional Stage, the Telychian, the Llandovery Series of early Silurian. The pH model deals with times from the late Ordovician Pirgu Regional Stage, the Ashgill Series, to the early Silurian Adavere Regional Stage.

The Aeronian and Telychian of the East Baltic basin differed from each other by the oxygen regime of deep shelf bottom waters, primary bioproductivity of surface waters, organic carbon preservation in deep shelf sediments, carbonate accumulation, and eustasy-related water depth. Wind-driven coastal up- and downwellings regulated the nutrient and oxygen supply in the East Baltic shelf and were responsible for most of the redox changes at the Aeronian/Telychian boundary.

Carbonate distribution varied between stages from the late Ordovician to early Silurian. Ca-carbonate distribution was widest in the late Ashgill, its production was most prominent in the mid-Llandovery. In the Telychian, the late Llandovery, the carbonate production diminished. This can be explained by the rise in atmospheric CO2 culminating in the late Llandovery.

Dissolution of the carbonates in the deep shelf was due to relatively low pH coming from high atmospheric CO2. Primary bioproductivity modified the influence of atmospheric CO2 on the seawater pH. The Aeronian great primary bioproductivity created favourable conditions for carbonate formation in the surface waters of the shallow shelf, but great organic carbon flux enhanced the dissolution of calcite in deep waters. Up- and downwelling increased and decreased, correspondingly, the concentration of carbonate and calcium ions in the shallow shelf, additionally regulating the carbonate saturation state.