The Cenozoic deep sea microfossil record: Explorations of the DSDP/ODP sample set using the Neptune database. Cinzia Spencer-Cervato

Plain Language Abstract

Marine sediments contain the most complete record of the evolution of life on Earth. After the mass extinction event of the Cretaceous/Tertiary boundary, 65 million years' worth of sediments have accumulated on the sea floor. The Deep Sea Drilling Project and its successor, the Ocean Drilling Program, have drilled, retrieved and analysed kilometers of cores, as well as described their paleontological content. The Neptune database was established to compile the most valuable and significant data, and to use them to study the evolution of marine plankton. The global geographic coverage (165 holes), the high number of species described (1400+) from four marine plankton groups, the improved age control on the sediments, and the relatively high sample resolution (a few hundred thousand years) make this relational database the most complete paleontological data set currently available.

The analysis of these data has shown different evolutionary patterns in different plankton groups. On average a plankton species ‘survives’ 7 to 10 millions of years. Siliceous plankton (diatoms and radiolarians) tend to speciate and become extinct at distinct climatic and oceanographic boundaries independently from their nutritional habits (photosynthetic algae or plankton feeders). On the other hand, calcareous plankton seems to be more independent from these conditions. The results also show that the total number of species preserved in the sediments as fossils (a subset of the total number of species that existed at each given time and location) has gradually increased through time, but has also fluctuated strongly in the last 65 million years perhaps in response to climatic changes. This database has the potential to allow paleontologists to study the complex interactions between marine life and environment at a geological scale.

Resumen en Español

Desde hace treinta años, el Proyecto de Sondeos de Alta Mar (DSDP) y el Programa de Sondeos Oceánicos (ODP) han perforado los fondos oceánicos y recuperado testigos sedimentarios. En este estudio se presenta NEPTUNE, una base de datos micropaleontológicos y estratigráficos relacionados, por medio de la cual se accede a una selección de los estudios publicados sobre estos sedimentos. Los sondeos seleccionados con sus extensiones estratigráficas representan un subconjunto, reproducible estadísticamente, del conjunto total de datos del DSDP y ODP hasta 1995 (hasta el Leg 135).

Los sedimentos cenozoicos de 165 sondeos globalmente distribuidos fueron datados utilizando la biocronología de cuatro grupos planctónicos marinos (diatomeas, nanofósiles, foraminíferos y radiolarios). Se suministra la localización de cada sondeo con sus coordenadas paleogeográficas. También se hace una revisión taxonómica de las 8.000 especies registradas. La base de datos es explorable y se suministran varias rutinas. Los datos pueden ser exportados para producir cuadros de distribución en el tiempo, mapas de distribución geográfica y cuadros de apariciones.

Se presenta una evaluación rigurosa del potencial y limitaciones de la base de datos, así como un resumen de los estudios publicados que han sido realizados con los datos. Estos incluyen estudios estratigráficos (diacronía del plancton del Neógeno, hiatos en la distribución de sedimentos cenozoicos) y estudios evolutivos (cladogénesis y evolución de un linaje de foraminíferos). Se presentan datos no publicados sobre pautas macroevolutivas (longevidad y riqueza de especies, tasas de especiación y extinción) como ejemplo del potencial de NEPTUNE para la investigación paleobiológica. Finalmente, se presentan algunas sugerencias respecto a cómo NEPTUNE puede ser más completamente explotado mediante la adición de datos isotópicos y sedimentológicos. Una amplia variedad de cuestiones críticas, sedimentológicas y paleoceanográficas, pueden ser estudiadas con esta base de datos.

Palabras clave: Cenozoico, base de datos relacional, plancton, evolución, modelos de longevidad

Traducción: Prof. José Mª González-Donoso; Depto. de Ecología y Geología, Facultad de Ciencias; Universidad de Málaga; Campus Universitario de Teatinos s/n; E-29071 Málaga

Résumé en Français

Depuis trente ans le Deep Sea Drilling Project (DSDP) et le Ocean Drilling Program (ODP) receuillent des carottes de sédiments des fonds des océans. Cette étude présente une banque de donnés relationnelle micropaléontologique et stratigraphique, Neptune, dans laquelle une sélection des études publiés à partir de ces sédiments sont disponibles. Les sites selectionnés et leur portée stratigraphique représentent un sous-groupe statistiquement reproduisible de l’entité des données DSDP et ODP jusqu’à 1995 (course 135). Les sédiments Cénozoïques de 165 sites distribués partout au monde sont datés avec des diagrammes âge/profondeur selon la biochronologie de quatre groupes planctoniques (diatomés, nonnofossiles, foraminifères et radiolaires). La localisation de chaque forage est disponible avec des coordonnés paléogéographiques. Une révision taxonomique de plus de 8000 noms d’espèces rapportées a aussi été faite. La banque de données peut être fouillée, et une variété de routines sont disponibles. Les données peuvent être extraites pour créer des graphiques de portée stratigraphique, d’aires de distributions, et des cartes d’occurrence.

Une évaluation rigoureuse des potentiels et des limites de la banque de données est présentée avec un sommaire des publications découlant des données. Ceux-ci incluent des études stratigraphiques (diachronisme des planctons Néogènes, distribution des hiatus dans les sédiments Cénozoïques) et d’évolution (cladogénèse et évolution d’une lignée de foraminifère). Des données inédites relevants des patrons macroévolutionaires (longévité et richesse des espèces, taux de spéciation et d’extinction) sont présentées comme exemples du potentiel de Neptune pour les recherches paléobiologiques. Finalement, je présente des idées pour l’exploitation avenir de Neptune avec l’ajout de données sédimentologiques et isotopiques. Avec de telles extensions, cette banque de données admettrait l’analyse de plusieurs questions d’ordre sédimentologiques et paléocéanographiques.

Mots clés: Cénozoïque, banque de donnés relationnelle, plancton, évolution, modèles d’âge

Deutsche Zusammenfassung

Über 30 Jahre wurde im Deep Sea Drilling Project (DSDP) und Ocean drilling Project (ODP) der Ozeanboden erbohrt und Sedimentkerne gewonnen. Diese Arbeit stellt Neptune, eine relationale mikropaläontologische und stratigraphische Datenbank vor, mit der eine Auswahl der veröffentlichten Untersuchungen an diesen Sedimenten verfügbar ist. Die ausgewählten Bohrlokationen und ihre stratigraphische Reichweite stellen eine statistisch reproduzierbare Teilmenge der gesamten DSDP und ODP Daten bis 1995 dar (bis zu Leg 135). Känozoische Sedimente von 165 global verteilten Bohrlöchern wurden mit Altersmodellen aufgrund der Biochronologie von vier marinen Planktongruppen datiert (Diatomeen, Nannofossilien, Foraminiferen und Radiolarien). Die Position jedes Bohrlochs steht mit paläogeographischen Koordinaten zur Verfügung. Ebenfalls wurden die über 8000 benutzten Artnamen taxonomisch revidiert. Die Datenbank ist abfragbar und eine Anzahl von Routinen sind verfügbar. Daten können zur Erzeugung von Reichweitetabellen, geographischen Verbreitungskarten und Tabellen für das Auftreten exportiert werden.

Eine kritische Bewertung von Möglichkeiten und Grenzen der Datenbank wird vorgestellt, mit einer Zusammenfassung der publizierten Untersuchungen mit diesen Daten. Darunter fallen stratigraphische Studien (Diachronie des neogenen Plankton, Verteilung von Schichtlücken in känozoischen Sedimenten) und solche zur Evolution (Cladogenese und Evolution in einer Entwicklungsreihe von Foraminiferen). Unpublizierte Daten über Makroevolution (Langlebigkeit von Arten, Artenreichtum, Artentstehungs- und Aussterberaten) werden als Beispiele für das Potential für paläobiologische Forschungen vorgestellt, die Neptun hat. Schliesslich gebe ich Anregungen, wie Neptune noch weitergehend durch das Zufügen von sedimentologischen und Isotopendaten genutzt werden könnte. Eine Anzahl von wesentlichen sedimentologischen und paläoozeanographischen Fragen könnte mit dieser erweiterten Datenbank bearbeitet werden.

STICHWORTE: Känozoikum, relationale Datenbank, Plankton, Evolution, Altersmodelle

ITALIANO

Per 30 anni il Progetto di Perforazione in Mare Profondo (Deep Sea Drilling Project, o DSDP) e il Programma di Perforazione Oceanica (Ocean Drilling Program, o ODP) hanno permesso di perforare i fondi oceanici e di recuperare carote di materiali sedimentari. In questo lavoro viene introdotto Neptune, un database micropaleontologico e stratigrafico relazionale, dove viene resa disponibile una selezione degli studi pubblicati compiuti su questi sedimenti. Le localita' selezionate e la loro estensione stratigrafica rappresentano un sottoinsieme statisticamente riproducibile dell'intero dataset del DSDP e dell'ODP fino al 1995 (leg 135 compreso). I sedimenti Cenozoici, provenienti da 165 sondaggi distribuiti in tutto il mondo, sono stati datati tramite dei grafici eta'/profondita', servendosi della biocronologia di quattro gruppi planctonici (diatomee, nannofossili, foraminiferi e radiolari). Per ogni sondaggio sono disponibili le relative coordinate paleogeografiche. E' stata infine compiuta una revisone tassonomica delle oltre 8000 specie riconosciute. E' possibile effettuare ricerche nel database e sono disponibili piu' routines. I dati possono essere esportati per produrre grafici di distribuzione temporale e di comparsa e mappe della distribuzione geografica.

In questo lavoro viene presentata una valutazione rigorosa dei potenziali e dei limiti del database assieme ad un breve riassunto degli studi pubblicati tramite l'utilizzo di questi dati. Questi studi comprendono studi stratigrafici (diacronia del plankton Neogenico, distribuzione delle lacune nei sedimenti cenozoici) e studi evolutivi (cladogenesi ed evoluzione di un lineage di foraminiferi). Dati non pubblicati su pattern macroevolutivi (longevita' e ricchezza di specie, speciazione e tassi d'estinzione) vengono presentati come esempi delle potenzialita' di Neptune per la ricerca paleobiologica. Vengono infine forniti alcuni suggerimenti su come si possa sfruttare pienamente Neptune tramite l'integrazione con dati sedimentologici ed isotopici. L'uso di un database cosi' allargato consente di dare risposta a numerosi quesiti fondamentali sia nel campo paleoceanografico che in quelloi sedimentologico. 

Parole chiave: Cenozoico, Database relazionale, Plankton, Evoluzione, Modelli d'eta'. 

Traduzione: Alessandro Grippo, Department of Earth Sciences, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089-0740, USA