Simulating our ability to accurately detect abrupt changes
in assemblage-based paleoenvironmental proxies
Plain Language Abstract
Sedimentary records and the fossils contained within them are critical records of past environmental changes. Reconstructing abrupt paleoenvironmental changes, such as those occurring at the decadal scale, are especially critical for understanding the variability of environments on time scales relevant to human society. However, the ability of sedimentary records to provide these records are dependent upon the rate at which sediments accumulated over time, how different the environmental change is from background conditions, how quickly the environmental change occurs, how long the environmental change persists, whether the sedimentary record is disturbed after deposition, and how the record is sampled for analyses. In this paper, we present a new framework for simulating the deposition, disturbance, and sampling of fossiliferous sedimentary records that will allow researchers using fossil assemblages for paleoenvironmental reconstruction to evaluate the ability of the sedimentary records they are studying to resolve abrupt changes. This simulation framework can also be used to plan sampling strategies so researchers can optimize their sampling to detect abrupt events. We demonstrate the use of this simulation framework using a benthic foraminiferal fossil record that was previously used to detect abrupt low-oxygen events.
Resumen en Español
Simulando nuestra capacidad para detectar con precisión cambios abruptos en proxies paleoambientales basados en asociaciones bióticas
Resolver los cambios ambientales abruptos en los registros sedimentarios es fundamental para comprender las perturbaciones ambientales relevantes en las escalas de tiempo humanas. El marco del mezclador de asociaciones paleontológicas (paleoAM) desarrollado aquí simula registros sedimentarios para medir el potencial de conservación de los cambios abruptos en los representantes faunísticos basados en conjuntos mientras varían las condiciones ambientales de fondo, las magnitudes y duraciones de las excursiones, la bioturbación, las tasas de sedimentación y la integridad del muestreo. Usando un registro de foraminíferos bentónicos fósiles, aplicamos paleoAM para determinar cuantitativamente qué tan distinto de las condiciones de fondo y qué tan duradero debe ser un cambio de asociación para ser detectado con precisión. Con las altas tasas de sedimentación del estudio de caso, los eventos de bajo nivel de oxígeno de un siglo de duración con frecuencia tienen una alta probabilidad de ser muestreados y detectados con precisión, estimados cuantitativamente con simulaciones a través de diferentes tasas de sedimentación, y el proxy basado en la asociación es robusto a la bioturbación. Incluso los eventos breves se distinguen con frecuencia de las condiciones de fondo, particularmente en el caso de los eventos extremos, aunque las magnitudes de los eventos se subestiman, en consonancia con la combinación proporcional de conjuntos de eventos y de fondo. Las magnitudes de los eventos nunca se sobreestiman, lo que indica que las excursiones de asociaciones de una sola muestra observadas en los registros empíricos son verdaderos cambios. La detección precisa disminuye de manera predecible cuando se permite la bioturbación, las tasas de sedimentación son más bajas, las muestras incluyen mayor potencia estratigráfica o el espacio entre muestras es mayor. Además, paleoAM puede estimar la estrategia de muestreo necesaria para detectar eventos abruptos dado un pequeño conjunto de muestras "piloto" representativas. El marco paleoAM es adaptable a cualquier distribución de abundancia y escala de eventos para crear planes de muestreo informados y evaluar la capacidad de los registros sedimentarios para resolver eventos objetivo dadas estimaciones sólidas de sedimentación y posibles tasas de mezcla.
Palabras clave: simulación; sedimentación; asociación; paleoecología; paleoambiente; ordenación
Traducción: Francesco Gascó (Grupo de Biología Evolutiva, UNED y Sociedad Española de Paleontología)
Deutsche Zusammenfassung
Simulieren unserer Fähigkeit, abrupte Veränderungen in paläoökologischen Proxies auf Basis von Assemblagen genau zu erkennen
Abrupte Umweltveränderungen in Sedimentaufzeichnungen aufzulösen ist entscheidend für das Verständnis von Umweltbeeinträchtigungen, die auf menschlichen Zeitskalen relevant sind. Der hier entwickelte paläontologische Assemblage-Mixer (paleoAM) simuliert sedimentäre Aufzeichnungen, um das Erhaltungspotenzial abrupter Veränderungen in Assemblage-basierten Faunenproxies zu messen, während Umwelt-Hintergrundbedingungen, Ausmaß und Dauer der Ausschläge, Bioturbation, Sedimentationsraten und Vollständigkeit der Probenahmen variiert werden. Anhand einer Aufzeichnung fossiler benthischer Foraminiferen wenden wir paleoAM an, um quantitativ zu bestimmen, wie stark sich eine Veränderung der Assemblage von den Hintergrundbedingungen unterscheiden und wie dauerhaft sie sein muss, um genau erkannt zu werden. Bei den hohen Sedimentationsraten der Fallstudie haben jahrhundertelange sauerstoffarme Ereignisse häufig eine hohe Wahrscheinlichkeit, beprobt und genau erkannt zu werden, und werden mit Simulationen über verschiedene Sedimentationsraten quantitativ geschätzt. Selbst kurze Ereignisse sind häufig von Hintergrundbedingungen unterscheidbar, insbesondere bei extremen Ereignissen, obwohl die Größe der Ereignisse unterschätzt wird, was mit der proportionalen Vermischung von Hintergrund- und Ereignisassemblagen übereinstimmt. Die Größenordnung der Ereignisse wird nie überschätzt, was darauf hindeutet, dass die in empirischen Aufzeichnungen beobachteten Ausschläge einzelner Proben echte Verschiebungen sind. Die Genauigkeit der Erkennung nimmt vorhersehbar ab, wenn Bioturbation zugelassen wird, die Sedimentationsraten geringer sind, die Proben stratigraphisch mächtiger sind oder die Probenabstände größer sind. Darüber hinaus kann paleoAM die Probenahmestrategie abschätzen, die erforderlich ist, um abrupte Ereignisse anhand einer kleinen Menge repräsentativer "Pilotproben" zu erkennen. Der paleoAM-Rahmen ist an jede Häufigkeitsverteilung und Ereignisskala anpassbar, um fundierte Probenahmepläne zu erstellen und die Fähigkeit von Sedimentaufzeichnungen zu bewerten und Zielereignisse zu lösen, wenn robuste Schätzungen der Sedimentations- und potenziellen Vermischungsraten vorliegen.
Schlüsselwörter: Simulation; Sedimentation; Assemblage; Paläoökologie; Paläoumgebung; Ordination
Translator: Eva Gebauer
Arabic
Translator: Ashraf M.T. Elewa
Polski
Symulowanie możliwości prawidłowej detekcji gwałtownych zmian wskaźników paleośrodowiska w oparciu o zespoły skamieniałości
Rozpoznanie gwałtownych zmian środowiska w zapisie kopalnym jest kluczowe dla zrozumienia zaburzeń środowiskowych w ludzkiej skali czasu. Rozwinięta w tej pracy struktura Mieszania Zespołów Paleontologicznych (paleoAM) symuluje zapis sedymentologiczny by zmierzyć potencjał fosylizacyjny gwałtownych zmian w obrębie wskaźników faunistycznych opartych na zespołach, w odniesieniu do różnych warunków środowiskowych, wielkości i czasu trwania odchyleń, bioturbacji, tempa sedymentacji oraz kompletności opróbowania. Wykorzystując zapis kopalnych otwornic bentonicznych, stosujemy paleoAM by jakościowo ocenić jak znaczna musi być zmiana charakteru zespołu względem tła oraz jak trwała musi być ta zmiana by można ją było prawidłowo zarejestrować. Przy wysokim tempie sedymentacji w badanym materiale, dla nisko-tlenowych zdarzeń o czasie trwania 100 lat istnieje wysokie prawdopodobieństwo ich opróbowania i wykrycia, a także oceny jakościowej z symulacjami przy różnych tempie sedymentacji; wskaźniki w oparciu o charakter zespołu w tym przypadku są odporne na ewentualne bioturbacje. Nawet krótkotrwałe zdarzenia są często wyróżnialne z tła, szczególnie w przypadku ekstremalnych epizodów, chociaż ich wielkości pozostają niedoszacowane, spójne z proporcjonalnym mieszaniem zespołów tła i zdarzeniowych. Wielkości dla zdarzeń nigdy nie są przeszacowane, co oznacza że odchylenia w oparciu o pojedyncze próbki notowane w zapisie rzeczywistym są prawdziwe. Możliwość przewidzenia dokładnej detekcji maleje w przypadku zaistnienia bioturbacji, przy niższym tempie depozycji, dla próbek obejmujących dłuższy odcinek czasu lub przy rzadszym opróbowaniu. Ponadto, paleoAM może oszacować strategię opróbowania konieczną do wykrycia gwałtownych zdarzeń w przypadku małej liczby reprezentatywnych próbek pilotażowych. Strukturę paleoAM można przystosować do każdego rozkładu liczebności i skali zdarzenia w celu utworzenia uzasadnionych planów opróbowania oraz oceny możliwości zapisu kopalnego do rozwiązywania konkretnych zdarzeń przy zgrubnych oszacowaniach tempa sedymentacji i potencjalnego mieszania się zespołów.
Słowa kluczowe: symulacja; sedymentacja; zespół; paleoekologia; paleośrodowisko; klasyfikacja
Translator: Anna Żylińska
Ukrainian
Симуляція нашої здатності точно виявляти раптові зміни палеоекологічних параметрів на основі сукупності даних
Виявлення різких змін палеосередовища за осадовими відкладами має вирішальне значення для розуміння змін навколишнього середовища, що відбуваються у часових масштабах, доступних для спостереження людиною. Розроблена тут структура палеонтологічного змішувача угруповань (paleoAM) моделює осадові записи для вимірювання потенціалу збереження різких змін фауністичних параметрів внаслідок фонових умов навколишнього середовища, магнітного поля, біотурбації, швидкості осадконакопичення та повноти відбору проб. Використовуючи знахідки викопних бентосних форамініфер, ми застосовуємо paleoAM, щоб кількісно визначити, наскільки відрізняються від фонових умов і наскільки довговічною має бути зміна угруповання, щоб її точно виявити. При високих швидкостях седиментації у цьому прикладі столітні події з низьким вмістом кисню часто мають високу ймовірність точного виявлення, кількісної оцінки за допомогою моделювання різних швидкостей осадконакопичення, а параметри, вирахувані на основі угруповання, стійкі до біотурбації. Навіть короткочасні події часто можна відрізнити від фонових умов, особливо для екстремальних випадків, хоча величини подій недооцінені, що відповідає пропорційному змішуванню фону та груп подій. Величина подій ніколи не переоцінюється, що вказує на те, що зміни у межах однієї вибірки, які спостерігаються емпірично, є достовірними. Точність виявлення таких подій передбачувано знижується за наявності біотурбації, меншої швидкості осадконакопичення, стратиграфічно масивніших зразків або більшій відстань між ними. РaleoAM може оцінити стратегію вибірки, необхідну для виявлення різких подій, враховуючи невеликий набір репрезентативних «пілотних» зразків. Структура paleoAM адаптується до будь-якого розподілу та масштабу подій, щоб створювати обґрунтовані плани відбору проб і оцінювати здатність осадових записів розв’язувати цільові події з урахуванням надійних оцінок седиментації та потенційних швидкостей змішування.
Ключові слова: моделювання; седиментація; угруповання; палеоекологія; палеосередовище; упорядкування.
Translator: Oleksandr Kovalchuk
Chinese
模拟准确检测基于组合的古环境代理突变的能力
解决沉积记录中的突然环境变化对于理解与人类时间尺度相关的环境扰动至关重要。这里开发的古生物组合混合器（paleoAM）框架模拟沉积记录，以测量基于组合的动物代理突变的保存潜力，同时改变环境背景条件、偏移幅度和持续时间、生物扰动、沉积速率和采样完整性。利用底栖有孔虫化石的记录，我们应用paleoAM来定量确定与背景条件的差异以及组合变化必须持续多久才能得到准确检测。在高沉积速率下，长达一个世纪的低氧事件经常有很高的概率被采样和准确检测，并通过不同沉降速率的模拟进行定量估计，并且基于组合的代理对生物扰动具有很强的应用性。即使是短暂的事件，特别是对于极端事件，也常常可以与背景条件区分开来，尽管事件幅度被低估，这与背景和事件组合的比例混合一致。事件幅度永远不会被高估，这表明在实际记录中观察到的单样本组合偏移是真正的转变。当允许生物扰动、沉积速率较低、样品地层较厚或样品间距较大时，准确度检测可预见地会下降。此外，在给定一小组代表性“试点”样本的情况下，paleoAM 可以估计检测突发事件所需的采样策略。paleoAM框架适用于任何丰度分布和事件规模，以设计合理的采样计划，并评估沉积记录解决目标事件的能力，并提供对沉积和潜在混合率的可靠估计。
关键词：模拟；沉积; 组合; 古生态；古环境；排列
Translator: Hongshan Wang
French
Simulation de notre capacité à détecter avec précision les changements brusques dans les proxys paléoenvironnementaux basés sur les assemblages
La résolution des changements environnementaux abrupts dans les enregistrements sédimentaires est essentielle à la compréhension des perturbations environnementales pertinentes à l'échelle humaine. La structure du mélangeur d'assemblages paléontologiques (paleoAM) développé ici simule des enregistrements sédimentaires pour mesurer le potentiel de préservation des changements abrupts dans les indices fauniques basés sur les assemblages, tout en faisant varier les conditions environnementales de base, l'ampleur et la durée des excursions, la bioturbation, les taux de sédimentation et l'exhaustivité de l'échantillonnage. À l'aide d'un enregistrement de foraminifères benthiques fossiles, nous appliquons la paléoAM pour déterminer quantitativement à quel point un changement d'assemblage doit être distinct des conditions de base et durable pour être détecté avec précision. Aux taux de sédimentation élevés de l'étude de cas, les événements centenaires à faible teneur en oxygène ont fréquemment une forte probabilité d'être échantillonnés et détectés avec précision, estimés quantitativement avec des simulations pour différents taux de sédimentation, et l'indicateur basé sur l'assemblage est robuste à la bioturbation. Même les événements de courte durée sont fréquemment distingués des conditions de fond, en particulier pour les événements extrêmes, bien que l'ampleur des événements soit sous-estimée, ce qui est cohérent avec le mélange proportionnel des assemblages de fond et des assemblages d'événements. L'ampleur des événements n'est jamais surestimée, ce qui indique que les excursions de l'assemblage d'un seul échantillon observées dans les enregistrements empiriques sont de véritables déplacements. La détection précise diminue de manière prévisible lorsque la bioturbation est autorisée, que les taux de sédimentation sont plus faibles, que les échantillons sont stratigraphiquement plus épais ou que l'espacement entre les échantillons est plus important. En outre, la méthode PaléoAM permet d'estimer la stratégie d'échantillonnage nécessaire pour détecter les événements abrupts à partir d'un petit ensemble d'échantillons "pilotes" représentatifs. PaléoAM est adaptable à toute distribution d'abondance et à toute échelle d'événement afin de créer des plans d'échantillonnage éclairés et d'évaluer la capacité des enregistrements sédimentaires à résoudre des événements ciblés à partir d'estimations robustes de la sédimentation et des taux de mélange potentiels.
Mots-clés : simulation ; sédimentation ; assemblage ; paléoécologie ; paléoenvironnement ; ordin
Translator: Vincent Perrier
Russian
Моделирование нашей способности точно обнаруживать резкие изменения палеоэкологических замещений в ассоциациях
Разрешение резких изменений окружающей среды в осадочной летописи имеет решающее значение для понимания возмущений окружающей среды, имеющих отношение к человеческим временным масштабам. Разработанная здесь основа смесителя палеонтологических ассоциаций (paleoAM) моделирует осадочную летопись для измерения потенциала сохранности резких изменений в фаунистических замещениях (faunal proxies) ассоциаций при различных фоновых условиях окружающей среды, величине и продолжительности отклонений, биотурбации, скорости осадконакопления и полноте отбора проб. Используя запись ископаемых бентосных фораминифер, мы применяем paleoAM для количественного определения того, насколько отличаются от фоновых условий и насколько устойчивыми должны быть изменения комплекса, чтобы их можно было точно обнаружить. При высоких скоростях осадконакопления столетние события с низким содержанием кислорода часто имеют высокую вероятность отбора проб, точного определения, количественной оценки с помощью моделирования при различных скоростях осадконакопления, и замещение в ассоциациях устойчиво к биотурбации. Даже кратковременные события часто можно отличить от фоновых условий, особенно экстремальные явления, хотя колебание событий недооценивается, что согласуется с пропорциональным смешением фоновых и совокупностей событий. Величины событий никогда не переоцениваются, что указывает на то, что отклонения скопления одной выборки, наблюдаемые в эмпирических записях, являются истинными сдвигами. Точность обнаружения предсказуемо снижается, когда разрешена биотурбация, скорость осадконакопления ниже, образцы стратиграфически толще или расстояние между образцами больше. Кроме того, paleoAM может оценить стратегию выборки, необходимую для обнаружения внезапных событий, учитывая небольшой набор репрезентативных "пилотных" проб. Структура paleoAM адаптируется к любому распределению численности и масштабу событий для создания обоснованных планов отбора проб и оценки способности осадочной летописи разрешать целевые события с учетом надежных оценок осадконакопления и потенциальной скорости перемешивания.
Ключевые слова: моделирование; осадконакопление; ассоциация; палеоэкология; paleoenvironment; классификация
Translator: Leonid Voyta
