Un registro ininterrumpido del clima durante la era de los dinosaurios

This is an authorized translation of an Eos article por Planeteando. Esta es una traducción al español autorizada de un artículo de Eos por Planeteando

Un proyecto de perforación científica en China ha recuperado un historial continuo de las condiciones del período de «invernadero» más reciente de la Tierra que puede ofrecer información sobre futuros escenarios climáticos.

El sitio de la perforación SK-3 en la cuenca china de Songliao de donde se han extraido núcleos de sedimentos para completar un registro del clima terrestre que abarca el período Cretácico, el clima de efecto invernadero más reciente de la Tierra. Crédito: Yanwei Zheng.

Por Chengshan Wang, Yuan Gao, Daniel E. Ibarra, Huaichun Wu, and Pujun Wang   |  17 de mayo del 2021

En el período del Cretácico, hace 100 millones de años más o menos, la Tierra era un lugar muy diferente al actual. Las plantas con flores y los árboles habían evolucionado recientemente para coexistir con las coníferas, los helechos, las cícadas y otros grupos, mientras una gran variedad de dinosaurios eran la forma de megafauna dominante en la tierra. El clima global en el que vivían estas plantas y animales era también muy diferente: más cálido, con más vapor y prácticamente sin hielo.

En la actualidad, la Tierra es notablemente más fría que en el Cretácico, y las capas de hielo y los glaciares siguen cubriendo grandes porciones de los polos. Sin embargo, sabemos que las condiciones están cambiando. El planeta ya es aproximadamente 1°C más cálido que en la época preindustrial debido a las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO2), y muchos gobiernos están trabajando para limitar un mayor calentamiento a no más de 2°C (o incluso 1,5°C) por encima de los niveles preindustriales [Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), 2018].

Mientras tanto, los científicos de la Tierra están evaluando intensamente la posibilidad y las consecuencias de los escenarios en los que el forzamiento radiativo (el excedente en la cantidad de energía solar que la Tierra absorbe en comparación con la que irradia al espacio) impulsa las temperaturas más allá de esos objetivos. Se preguntan qué ocurrirá si los niveles de CO2 atmosférico (pCO2) -alrededor de 280 partes por millón en volumen (ppmv) en la era preindustrial y más de 415 ppmv en la actualidad- alcanzan entre 800 y 1.300 ppmv y la atmósfera se calienta hasta 5 °C en 2100 [IPCC, 2018]. El cambio climático resultante elevaría el nivel del mar y podría producir cambios drásticos en el ciclo hidrológico que exacerbarían peligros como la sequía, las inundaciones, los incendios y las temperaturas extremas, todo lo cual podría afectar gravemente a los ecosistemas y a los seres humanos en todo el mundo.

En este esfuerzo por proyectar futuros escenarios climáticos, resulta muy valioso investigar épocas del pasado geológico en las que los niveles de pCO2 y las temperaturas eran más elevados que los actuales, porque son los mejores análogos naturales que tenemos para proporcionar puntos de referencia para el futuro [Tierney et al., 2020]. Una de esas épocas de interés es el Cretácico (hace entre 145,5 y 66,0 millones de años), cuando las condiciones atmosféricas crearon un intenso clima de «efecto invernadero» en el planeta.

En 2006, los trabajadores del proyecto SK, un ambicioso esfuerzo de investigación paleoclimática y paleoambiental terrestre en la cuenca china de Songliao, comenzaron a perforar las rocas de la cuenca para obtener el primer registro completo del clima terrestre del Cretácico (Figura 1). El proyecto, denominado SK a partir del Pinyin chino de la frase » Perforaciones científicos de Songliao», se está llevando a cabo en el marco del Programa Internacional de Perforaciones Científicas Continentales (ICDP) [Wang et al., 2013a, 2013b; Gao et al., 2019]. Los hallazgos tras las dos primeras fases de perforación ya han revelado valiosos conocimientos. Con la última fase de perforación recién concluida, prevemos que las nuevas investigaciones conducirán a revelaciones adicionales sobre las condiciones climáticas pasadas y potenciales del futuro.

Fig. 1. Los segmentos de núcleo del proyecto de perforación de SK en la cuenca de Songliao se almacenan en esta instalación de Pekín. Crédito: Yuan Gao

Un estándar de oro para leer el clima del Cretácico

El periodo Cretácico es un ejemplo típico de clima de efecto invernadero. Los niveles de pCO2 atmosférico llegaron a ser de unos 2.000 ppmv, las temperaturas medias eran aproximadamente entre 5 °C y 10 °C más altas que las actuales, y el nivel del mar era entre 50 y 100 metros más alto [O’Brien et al., 2017; Tierney et al., 2020]. Estas condiciones se asemejan al escenario más extremo que el IPCC ha predicho que podría ocurrir a finales de este siglo, con niveles de pCO2 superiores a 1.200 ppmv y temperaturas globales aproximadamente 4°C más altas [IPCC, 2018].

El Cretácico representa el último aliento del dominio de los dinosaurios en el ecosistema de la Tierra; además, fue una época de rápido recambio evolutivo y proliferación de mamíferos, aves y angiospermas (plantas con flores). Durante décadas, la comunidad científica se ha ocupado a fondo de comprender el clima del Cretácico, especialmente cómo contribuyeron a la evolución y a la extinción de los dinosaurios no aviares y otros biomas acontecimientos como el impacto del asteroide Chicxulub y el vulcanismo del Decán [Hull et al., 2020]. A pesar de este intenso interés, todavía carecemos de registros geológicos continentales largos y continuos del Cretácico.

La cuenca de Songliao conserva un registro terrestre continuo y completo del Cretácico.

En el noreste de China, la cuenca de Songliao se extiende a lo largo de unos 260.000 kilómetros cuadrados y, enterrada entre capas de lodolitas, limolitas y otras rocas sedimentarias, alberga ricos recursos petrolíferos que sustentan el yacimiento de Daqing, uno de los mayores de China y del mundo [Wang et al., 2013a, 2013b]. La cuenca de Songliao es también una de las mayores cuencas sedimentarias continentales y, con una profundidad máxima de más de 10.000 metros, conserva un registro terrestre continuo y completo del Cretácico [Wang et al., 2013a].

El proyecto SK incluye tres objetivos científicos principales. El primero es reunir, a partir de los núcleos de perforación recogidos, un «pilar de oro» terrestre para el Cretácico: un nuevo estándar de alta resolución para correlacionar y datar los estratos terrestres y marinos del Cretácico y para identificar los límites estratigráficos clave. Dichos límites incluyen los que marcan las transiciones Jurásico-Cretácico y Cretácico-Paleógeno (K-Pg), así como las respuestas terrestres a los eventos anóxicos oceánicos (OAE) del Cretácico, cuando los niveles de oxígeno en el océano descendieron precipitadamente.

El segundo objetivo es estudiar el cambio climático terrestre del Cretácico y sus vínculos con la evolución biológica y la extinción en Asia oriental, lo que nos ayudará a comprender las respuestas del clima de las latitudes medias del norte al cambio impulsado por el efecto invernadero. El tercer objetivo es comprender los mecanismos y procesos que subyacen a la acumulación masiva de materia orgánica en esta gran cuenca lacustre de larga duración, lo que mejorará nuestro conocimiento de los recursos petrolíferos del yacimiento de Daqing.

Tres fases y cuatro pozos

La perforación del proyecto SK incluyó tres fases (Figura 2). La primera fase, SK-1, se completó en 2006-2007 con dos pozos perforados cerca de la ciudad de Daqing, en la provincia de Heilongjiang. En esta fase se recuperaron 2.486 metros de testigos que datan del Cretácico tardío al Paleógeno temprano y que incluyen el límite K-Pg de 66 millones de años que representa la última extinción masiva y la desaparición de los dinosaurios [Wang et al., 2013a; Gao et al., 2015, 2019].

Fig. 2. Sección transversal de la cuenca de Songliao de noroeste a sureste, mostrando las capas de roca sedimentaria nombradas en la cuenca, así como la estrategia de perforación y extracción de núcleos de las tres fases del proyecto SK

La segunda fase, SK-2, se completó en 2014-2018 en el condado de Anda, ciudad de Suihua, provincia de Heilongjiang. SK-2 perforó hasta una profundidad de 7.018 metros, la más profunda jamás realizada por un proyecto ICDP en ese momento, y recuperó 4.134 metros de núcleo. Este núcleo abarca desde la roca basal del Pérmico-Triásico (con una antigüedad aproximada de entre 200 y 300 millones de años) hasta los sedimentos del Cretácico temprano [Gao et al., 2019]

En total, las tres fases del proyecto SK han recuperado unos 8.200 metros de sedimentos terrestres que abarcan todo el Cretácico.

La perforación de la tercera fase, SK-3, comenzó en septiembre de 2020 en el condado de Nong’an, en la ciudad de Changchun, provincia de Jilin, y a finales de enero se habían recuperado casi 1.600 metros de sedimentos terrestres del Cretácico medio. Este periodo de tiempo fue el intervalo más cálido de los últimos 150 millones de años e incluye el OAE2 de hace unos 94 millones de años. Este evento se considera una de las mayores perturbaciones del ciclo del carbono de la Tierra, un momento en el que la materia orgánica se acumuló en el fondo marino debido a la disminución de los niveles de oxígeno en el océano.

En febrero de 2021, el proyecto SK completó todas las perforaciones y extracciones de núcleos. En total, las tres fases han recuperado unos 8.200 metros de sedimentos terrestres que abarcan todo el Cretácico

Descifrando la historia en los estratos

Las investigaciones realizadas desde 2006 en los núcleos SK-1 y SK-2 han dado lugar a numerosos logros científicos multidisciplinares. Se ha establecido un marco cronoestratigráfico preciso -básicamente, una línea de tiempo de las capas sedimentarias- que fija las fechas con una precisión de 100.000 años para los núcleos de SK-1. Para construir esta línea de tiempo se utilizaron diversos métodos: datación radiométrica (análisis de las tasas de desintegración de diferentes isótopos radiactivos), magnetoestratigrafía (seguimiento de las orientaciones de la polaridad magnética conservadas en las capas de roca), bioestratigrafía (comparación de fósiles de determinadas edades en diferentes capas) y cicloestratigrafía (seguimiento de los ciclos de cambio climático inducidos por la órbita y registrados en los sedimentos) [Wu et al., 2014]. El modelo de edad resultante permite la correlación directa de los datos de la cuenca de Songliao con los datos de los registros sedimentarios recogidos en otros lugares del Cretácico.

Se descubrió que los isótopos estables de carbono y oxígeno conservados en los ostrácodos fósiles, diminutos crustáceos que habitan en los lagos, procedentes del Songliao, registran tanto una tendencia general de enfriamiento a lo largo del Cretácico Superior como señales locales de la evolución de la cuenca lacustre [Chamberlain et al., 2013]. Mientras tanto, los estudios de las estructuras sedimentarias, las composiciones mineralógicas y los isótopos estables en los sedimentos de los lagos y los paleosuelos (suelos antiguos) indicaron que durante los últimos 10 millones de años, antes de la extinción de los dinosaurios, se produjeron grandes fluctuaciones en las temperaturas del aire sobre la tierra, la humedad y las fuentes de humedad [Gao et al., 2015]. Estos hallazgos han demostrado que se produjeron cambios climáticos considerables antes de la desaparición de los dinosaurios, y han contribuido al debate actual sobre las relaciones entre el cambio climático, el vulcanismo, el impacto de Chicxulub y la extinción masiva [por ejemplo, Hull et al., 2020].

Los descubrimientos basados en los estudios de los núcleos SK también han alimentado las preguntas sobre las antiguas incursiones de agua de mar en el paleo lago Songliao, lo que se demuestra con los microfósiles de foraminíferos y otros biomarcadores orgánicos marinos encontrados en intervalos de los núcleos SK [Wang et al., 2013b; Xi et al., 2016]. Aunque los núcleos registran predominantemente un antiguo entorno lacustre durante este tiempo, las incursiones episódicas y rápidas de agua de mar pueden haber alterado la química del agua del lago y promovido la preservación de la materia orgánica en condiciones anóxicas (pobres en oxígeno).

Se sabe que durante el Cretácico se produjeron varias perturbaciones generalizadas en el ciclo del carbono de la Tierra -representadas por las EOA- a partir de los registros de enterramiento de carbono orgánico marino. Sin embargo, hasta hace poco, no se había encontrado ninguna relación directa entre estos datos marinos y los registros de enterramiento de carbono orgánico terrestre durante la misma época. El análisis de los primeros núcleos de SK reveló marcadores geoquímicos del OAE3 de hace unos 88 millones de años, el último OAE del Cretácico, que son contemporáneos con los marcadores del Mar Interior Occidental (el mar poco profundo que cubría gran parte de lo que hoy es América del Norte), lo que aporta pruebas de que esta alteración del ciclo del carbono afectó efectivamente tanto a la tierra como al mar [Jones et al., 2018].

Nuevas investigaciones en el horizonte

Estos estudios nos ayudarán a comprender cómo de cálido fue el reino terrestre durante el periodo más cálido de los últimos 150 millones de años y cómo de cálido puede llegar a ser en el futuro en las latitudes medias del norte.

La investigación sobre la nueva sección de núcleo extraída durante la fase de perforación SK-3, recientemente finalizada, explorará cuestiones sobre la evolución del clima terrestre en Asia oriental durante el Cretácico medio, el período de tiempo más cálido de los últimos 150 millones de años [O’Brien et al., 2017; Tierney et al., 2020]. Estos estudios nos ayudarán a comprender lo cálido que era el reino terrestre en esa época y lo cálido que puede llegar a ser en el futuro en las latitudes medias del norte, en las que vive actualmente más del 40% de la población mundial.

Esta perforación también proporcionará un nuevo registro terrestre del OAE2, que se caracteriza por la amplia distribución de pizarras negras marinas en las principales cuencas oceánicas y representa una importante perturbación del ciclo global del carbono. Este registro terrestre del Cretácico procedente de los núcleos del SK en la cuenca de Songliao se integrará además con los registros marinos homólogos del Western Interior Seaway en América del Norte para comprender mejor los vínculos tierra-océano en la superficie de la Tierra, por ejemplo, si los lagos eran anóxicos, como los océanos [Wang et al., 2013b].

El equipo del proyecto SK invita a la comunidad geocientífica a participar en la investigación colaborativa de los núcleos SK, que abarcan de forma continua desde el Jurásico tardío hasta el Paleógeno temprano. Siguiendo las normas establecidas por los programas de perforación científica oceánica, los núcleos SK están disponibles en un depósito a largo plazo en Pekín y están completamente abiertos a los científicos de la Tierra de todo el mundo.

Anticipamos que, gracias a los esfuerzos combinados de expertos de diversos campos de investigación, los más de 8.000 metros de núcleos de la cuenca de Songliao desvelarán la historia y los mecanismos de las interacciones entre el sistema climático, la biosfera y la litosfera en la era de los dinosaurios durante el estado de invernadero más intenso de la Tierra en los últimos 150 millones de años.

Referencias

Chamberlain, C. P., et al. (2013), Stable isotopic evidence for climate and basin evolution of the Late Cretaceous Songliao basin, China, Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 385, 106–124, https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2012.03.020.

Gao, Y., et al. (2015), Mid-latitude terrestrial climate of East Asia linked to global climate in the Late Cretaceous, Geology 43, 287–290, https://doi.org/10.1130/G36427.1.

Gao, Y., et al. (2019), Progress on Continental Scientific Drilling Project of Cretaceous Songliao Basin (SK-1 and SK-2), Sci. Bull., 64, 73–75, https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.12.017.

Hull, P. M., et al. (2020), On impact and volcanism across the Cretaceous-Paleogene boundary, Science, 367, 266–272, https://doi.org/10.1126/science.aay5055.

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2018), Summary for policymakers, in Global Warming of 1.5°C: An IPCC Special Report on the Impacts of Global Warming of 1.5°C Above Pre-industrial Levels and Related Global Greenhouse Gas Emission Pathways, in the Context of Strengthening the Global Response to the Threat of Climate Change, Sustainable Development, and Efforts to Eradicate Poverty, edited by V. Masson-Delmotte et al., 32 pp., World Meteorol. Organ., Geneva, Switzerland.

Jones, M. M., et al. (2018), Evaluating Late Cretaceous OAEs and the influence of marine incursions on organic carbon burial in an expansive East Asian paleo-lake, Earth Planet. Sci. Lett., 484, 41–52, https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.11.046.

O’Brien, C. L., et al. (2017), Cretaceous sea-surface temperature evolution: Constraints from TEX86 and planktonic foraminiferal oxygen isotopes, Earth Sci. Rev., 172, 224–247, https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2017.07.012.

Tierney, J. E., et al. (2020), Past climates inform our future, Science 370, eaay3701, https://doi.org/10.1126/science.aay3701.

Wang, C., et al. (2013a), Cretaceous paleogeography and paleoclimate and the setting of SKI borehole sites in Songliao Basin, northeast China, Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol., 385, 17–30, https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2012.01.030.

Wang, C., et al. (2013b), Late Cretaceous climate changes recorded in eastern Asian lacustrine deposits and North American Epeiric sea strata, Earth Sci. Rev., 126, 275–299, https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2013.08.016.

Wu, H., et al. (2014), Cyclostratigraphy and orbital tuning of the terrestrial upper Santonian–lower Danian in Songliao Basin, northeastern China, Earth Planet. Sci. Lett., 407, 82–95, https://doi.org/10.1016/j.epsl.2014.09.038.

Xi, D., et al. (2016), Late Cretaceous marine fossils and seawater incursion events in the Songliao Basin, NE China, Cretaceous Res., 62, 172–182, https://doi.org/10.1016/j.cretres.2015.10.025.

Informacion del autor

Chengshan Wang y Yuan Gao (yuangao@cugb.edu.cn), Laboratorio Estatal Clave de Biogeología y Geología Ambiental, Escuela de Ciencias y Recursos de la Tierra, Universidad China de Geociencias (Pekín); Daniel E. Ibarra, Departamento de Ciencias Geológicas, Universidad de Stanford, California. También en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias de la Universidad de California, Berkeley; en el Instituto de Brown para el Medio Ambiente y la Sociedad y en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Medio Ambiente y Planetarias de la Universidad de Brown, Providence, R.I.; Huaichun Wu, Laboratorio Estatal Clave de Biogeología y Geología Ambiental, Escuela de Ciencias Oceánicas, Universidad de Geociencias de China (Pekín); y Pujun Wang, Facultad de Ciencias de la Tierra, Universidad de Jilin, Changchun, China.

 

This translation was made possible by a partnership with Planeteando. Esta traducción fue posible gracias a una asociación con Planeteando. Traducción por Alejandra Gómez y edición de Edith E. Carriquiry Chequer (@eecarry)