MODERN AND ANCIENT EPEIRIC SEAS AND THE SUPER-ESTUARINE CIRCULATION MODEL OF MARINE ANOXIA Thomas J. Algeo 1 , Philip H. Heckel 2 , J. Barry Maynard 1 , Ronald C. Blakey 3 and Harry Rowe 4 1 Department of Geology, University of Cincinnati, Cincinnati, Ohio 45221-0013, U.S.A.; Thomas.Algeo@uc.edu 2 Department of Geoscience, University of Iowa, Iowa City, Iowa 52242, U.S.A. 3 Department of Geology, Northern Arizona University, Flagstaff, Arizona 86011, U.S.A. 4 Department of Geological Sciences, University of Kentucky, Lexington, Kentucky 40506, U.S.A. ABSTRACT The boundary conditions and environmental characteristics conducive to widespread benthic anoxia in ancient epeiric seas are not well understood, in part due to a paucity of modern analogues. Three modern epicontinental seas (Hudson Bay, Baltic Sea and Gulf of Carpentaria) are examined with the goal of identifying key factors that contribute to the development of water-column stratification and deep-water oxygen depletion in such systems. The insights gained are applied to an analysis of the North American Late Pennsylvanian Mid-continent Sea (LPMS), an ancient epicontinental sea that developed sulfidic bottom- waters over a large area (~10 6 km 2 ) during a series of glacio- eustatic highstands. None of the modern epicontinental seas is a good analogue for the LPMS. The Gulf of Carpentaria, located at low latitudes in proximity to an active orogen subject to monsoonal precipitation, is closest to the LPMS in terms of geographic, tectonic and climatic boundary conditions, but its bottom-waters are well oxygenated owing to strong tidal mixing and anti-estuarine circulation. Hudson Bay is closest to the LPMS in terms of size, but diminished primary productivity at higher latitudes and lateral advection of oxygenated deep-waters inhibit development of benthic anoxia. The Baltic Sea is closest to the LPMS in terms of benthic redox conditions, with sulfidic bottom-waters over ~15% of its area, but its redox status is dependent on shallow marginal sills (<30 m) limiting deep-water renewal and on rates of primary productivity (120–240 g C m -2 y -1 ) sufficient to deplete bottom-water of dissolved oxygen. By contrast, the LPMS seafloor was widely anoxic despite marginal sill(s) too deep (>100 m) to restrict renewal of the subpycnoclinal watermass and levels of primary productivity (<21 g C m -2 y -1 ) insufficient to impose a high respiratory oxygen demand. Although the LPMS shares certain important boundary conditions with the modern Baltic Sea (e.g., a humid climate and largely landlocked setting), while necessary were insufficient factors for the development of widespread RESUME On ne comprend bien ni les conditions des bordures ni les traits de l’environnement favorables à l’anoxie benthique générale dans des mers épicontinentales anciennes, en partie parce qu’il n’y a pas beaucoup d’analogues modernes. Ici on examine trois mers épicontinentales modernes (la Baie d’Hudson, la Mer Baltique et le Golfe de Carpentarie) avec le but d’identifier les facteurs principaux qui contribuent au développement de la stratification de colonnes d’eaux et à l’épuisement d’oxygène dans les eaux profondes de tels systèmes. Ensuite on applique les aperçus obtenus à une analyse de la Mer du Mid-Continent de l’Amérique du Nord du Pennsylvanien Supérieur (LPMS), une mer épicontinentale ancienne qui a développé des eaux de fond sulfidiques à travers une grande étendue (10 km) durant une série de périodes de hautes eaux glacio-eustatiques. Aucune des mers épicontinentales modernes n’est un bon analogue pour la LPMS. Le Golfe de Carpentarie, qui se trouve à des latitudes basses près d’une orogène active exposée à la précipitation de moussons, ressemble le plus à la LPMS quant aux conditions de bordures géographiques, tectoniques et climatiques; mais ses eaux de fond sont bien oxygénées à cause d’un fort mélange de marées et d’une circulation anti- estuarine. La Baie d’Hudson ressemble le plus à la LPMS quant à son volume; mais la productivité primaire diminuée à de plus hautes latitudes et l’avection latérale d’eaux profondes oxygénées empêchent le développement d’anoxie benthique. La Mer Baltique ressemble le plus à la LPMS quant aux conditions rédox benthiques avec des eaux sulfidiques à travers ~15 % de son étendue; mais son rédox dépend de seuils marginaux peu profonds (<30 m) qui limitent le renouvellement d’eaux profondes, et de taux de productivité primaire (120–240 g C m -2 y -1 ), suffisants pour épuiser l’oxygène dissolu dans les eaux du fond. Par contraste, le fond de la mer de la LPMS était largement anoxique malgré des seuils marginaux trop profond (>100 m) pour empêcher From Special Paper 48: Dynamics of Epeiric Seas, edited by Pratt and Holmden, copyright 2008 Geological Association of Canada