Marine silicon cycle through the Cenozoic

Abstract

Silicon (Si) cycle is one of Earth's major biogeochemical cycles. Furthermore, the dissolved form of Si (DSi) is an essential nutrient for both terrestrial and marine ecosystems. DSi ultimately derives from the slow process of chemical weathering of silicate minerals, a mechanism that consumes carbon dioxide, and therefore participates in regulating Earth's climate over geologic timescales. Si is delivered to the ocean mostly by rivers and will be used by a variety of organisms (e.g. diatoms, siliceous sponges, radiolarians, and silicoflagellates) that precipitate DSi into an amorphous form (biogenic silica, BSi) and control the export of Si out of seawaters. While the modern Si cycle and the processes controlling it are becoming better and better understood, its evolution through Earth's history are still poorly constrained.

Hence, this thesis aims at shedding more light on the evolution of the marine Si cycle on millennial to million-years timescales. To do so, we investigated the Si isotopic composition (expressed as δ30Si) of siliceous microfossils recovered from marine sediments. The analysis of δ30Si from the remains of marine diatoms, radiolarians, and siliceous sponges is a powerful tool to reconstruct several facets of the oceanic Si cycle in the past.

On millennial timescales, the marine Si cycle is mostly dominated by variations in biologic productivity in the surface ocean and riverine inputs of DSi. On the other hand, on million-years time scales, the marine Si cycle appears to be mostly controlled by oceanic circulation. Further, the analysis of sponge δ30Si, performed during this thesis, allowed us to reconstruct the concentrations of DSi in the bottom waters in the North Atlantic and Equatorial Pacific. Our results indicate that contrary to previous hypotheses, the ocean did not experience a rapid decline in oceanic DSi content during the Paleogene (65.5 to 23.03 Ma). Conversely, we show that the North Atlantic already had low DSi concentrations, similar to today, during the early Cenozoic, whereas the Equatorial Pacific has become progressively enriched in DSi since at least 35 Ma.

Overall, although research into the evolution of the ocean Si cycle is still at an early stage, the work carried out in this thesis fills some of the existing knowledge gaps regarding the development of the marine Si cycle through geologic times.

Abstract (Swedish)

Omsättningen av kisel (Si) är en av de viktiga biogeokemiska processerna på jorden. Den lösta formen av Si (DSi) är ett nödvändigt näringsämne för såväl markens som havens ekosystem. Löst kisel kommer från den långsamma kemiska vittringen av kiselmineral. Denna process förbrukar koldioxid och bidrar därför till att reglera jordens klimat genom årmiljonerna. Kisel transporteras huvudsakligen via oder till havet och används där av en mängd olika organismer (t.ex. kiselalger, kiselhaltiga svampdjur, radiolarier (amöbiska encelliga organismer) och kisel agellater) som fäller ut den lösta kiseln till amorft, biologiskt producerat, kisel (BSi). På så sätt kan biologiska processer påverka exporten av kisel från havsvatten till bottensediment. Medan kunskapen kring den nutida kiselomsättningen och de processer som styr denna har förbättrats i takt med att de oceanogra ska mätmetoderna har för nats så är variationerna i havens kiselkoncentrationer längre tillbaka i jordens historia fortfarande ofullständigt kartlagda.
Denna avhandling syftar till att öka kunskapen om hur den marina kiselomsättningen har förändrats på tidsskalor som sträcker sig från tusentals till miljontals år. För att åstadkomma detta har vi undersökt den isotopiska sammansättning av kisel (uttryckt som δ30Si) i marina kiselhaltiga mikrofossil som tagits fram ur havssediment. Analys av δ30Si från marina kiselalger, radiolarier och fragment av kiselhaltiga svampdjur är ett kraftfullt verktyg för att kunna klargöra era olika aspekter i havets kiselomsättning även långt tillbaka i tiden.
På tidsskalor av tusentals år domineras den marina kiselomsättningen främst av variationer i biologisk produktivitet i havens ytvatten och av tillförsel av löst kisel från oder. På tidsskalor av miljontals år så verkar kiselomsättningen framför allt styras av den storskaliga cirkulationen av havsvattnet. Analysen av svampdjurs δ30Si i den här avhandlingen möjliggjorde en rekonstruktion av koncentrationen löst kisel i bottenvattnet i Nordatlanten och de ekvatoriala delarna av Stilla havet. I motsats till vad som tidigare antagits så tyder våra resultat på att havet inte genomgick en fas av snabbt sjunkande koncentration av löst kisel under Paleogen (perioden för ca 65 till 23 miljoner år sedan). Vi visar att Nordatlanten under Paleogen hade en låg koncentration av löst kisel, ungefär i nivå med dagens koncentration. Koncentrationen av löst kisel i den ekvatoriella delen av Stilla havet är idag högre än i Nordatlanten och har ökat under åtminstone de senaste 35 miljoner åren.
Allt sammantaget så bidrar denna avhandling till att utöka den be ntliga kunskapen genom att fylla tidigare luckor i förståelsen kring hur kiselomsättningen i havet har förändrats genom årmiljonerna.

• author: Fontorbe, Guillaume
• supervisor: Daniel Conley; Svante Björck; Helena Filipsson; Christina De La Rocha; Katharine Hendry
• opponent: Professor Frank, Martin, GEOMAR, Kiel, Germany
• organization: Quaternary Sciences
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Natural Sciences; Geochemistry; Geosciences, Multidisciplinary
• keywords: Si isotopes, Paleogene, PETM, glacial-interglacial, ocean circulation
• pages: 107 pages
• defense location: Geocentre II, lecture hall “Pangea”, Sölvegatan 12, Lund
• defense date: 2016-05-13 13:15:00
• ISBN: 978-91-87847-18-9
• ISBN: 978-91-87847-19-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a6fa4082-239c-4cc5-8226-e8a3a416a722
• date added to LUP: 2016-04-18 14:48:28
• date last changed: 2018-11-21 21:22:58