Climate forcing on water column and sedimentary environments of an ancient semi-enclosed basin: insights from the late Miocene (Messinian) Mediterranean Basin

Abstract

The late Miocene (11.6 to 5.3 Ma) was characterized by a global trend of cooling and aridification. In such a scenario, the Mediterranean Basin was experiencing increasing tectonic restriction and climate fluctuations driven by changes in orbital parameters of the Earth (mostly precession). The concurrence of these factors ultimately led to the most dramatic paleoceanographic event in the history of the basin, the Messinian salinity crisis (MSC; 5.97–5.33 Ma). Although this event is known since more than 50 years, a detailed understanding of the environmental conditions established at the onset and during the MSC has not been reached yet. This is due to the inaccessibility of sediments deposited in the Messinian Mediterranean depocenters (> 1000 m paleodepth), the lack of modern analogs, and the scarcity of body fossils in the stratigraphic record. A so far rarely explored possibility to solve the riddle of the enigmatic environmental change accompanying the MSC onset is the study of sediments deposited at intermediate paleobathymetric depths (200–1000 m). In fact, these sediments represent the link to the still inaccessible early MSC sediments deposited in the depocenters of the late Miocene Mediterranean. The aim of this thesis is to widen our knowledge on the paleoenvironmental conditions established at the MSC onset. Shale/marl couplets from intermediate paleobathymetric settings of the northernmost late Miocene Mediterranean sub-basin, the Piedmont Basin (NW Italy), were investigated. A multiproxy approach was applied, merging organic geochemical proxies (lipid biomarkers; compound-specific hydrogen (d2H) and carbon (d13C) stable isotopes) with inorganic geochemical proxies (Al, Si, Ti, and Zr; bulk-rock carbon (d13C) and oxygen (d18O) stable isotopes). Stratigraphic and petrographic studies complemented the investigations. One of the outcomes of this thesis is that prior to the onset of the MSC moister conditions prevailed at precession minima, resulting in enhanced riverine runoff. Such conditions favored phytoplankton blooms in the upper water column and led to a strong thermohaline stratification. Oxygen-depleted and sulfidic conditions developed at the seafloor and in the water column, occasionally extending into the photic zone, promoting deposition of organic-rich shales. Conversely, marls deposited at precession maxima when the climate was drier. The thermohaline stratification was disrupted towards the margins, where the water column was characterized by a dissolved inorganic carbon (DIC) pool with d13CDIC values ranging from −1‰ to +2‰. Closer to the depocenter, however, thermohaline stratification and oxygen-depleted conditions at the seafloor and in the water column remained stable. Therefore, the deep-water body close to the depocenter was characterized by an estimated d13CDIC of about −6‰. After the MSC onset, no development of aridification or of hypersaline conditions was detected in the Piedmont Basin. Rather, an increase of humidity and freshwater input was identified in the northern Mediterranean, superimposed on analogous precession-paced climate and hydrologic variability as in pre-MSC times. Increasing humidity was due to an enhanced contribution of moisture sourced from the Mediterranean Sea to precipitation, coinciding with the exacerbation of the Mediterranean Basin restriction. Such conditions allowed the extension of stable thermohaline stratification towards the margin of the Piedmont Basin even at precession maxima, excluding areas shallower than 200 m. Marine conditions persisted in the upper water column, where a 13C-enriched DIC pool developed, occasionally reaching d13CDIC values as high as +5‰. The enrichment was attributed to limited replenishment of remineralized DIC due to the stabilization of thermohaline stratification and export of 12C to the seafloor after phytoplankton blooms. Persistent water-column stratification at precession maxima, coupled to oxygen-depleted conditions at the seafloor, promoted organoclastic sulfate reduction. The latter triggered the precipitation of bacterially mediated dolomite in intermediate paleobathymetric settings while preventing the deposition of gypsum due to a faster rate of sulfate reduction vs. replenishment. Gypsum could presumably have precipitated at precession maxima since 5.97 Ma only where the thermohaline stratification was disrupted and the activity of sulfate reducing bacteria suppressed. This study highlights the sensitivity of ancient semi-enclosed basins to climate and hydrologic fluctuations. These fluctuations have the potential of altering the physicochemical properties of water bodies, in turn affecting sedimentary products and the carbon cycle.

Das späte Miozän (von 11,6 bis 5,3 Ma) war durch einen globalen Trend hin zu einem kühleren und trockeneren Klima gekennzeichnet. Während dieser Zeit war das Mittelmeerbecken einer zunehmenden tektonischen Einschränkung und Klimaschwankungen ausgesetzt, die durch Änderungen der Umlaufbahnparameter der Erde (hauptsächlich Präzession) verursacht wurden. Das Zusammentreffen dieser Faktoren führte letztendlich zu dem dramatischsten paläozeanografischen Ereignis in der Geschichte des Beckens, der messinischen Salinitätskrise (MSC; 5,97–5,33 Ma). Obwohl dieses Ereignis seit mehr als 50 Jahren untersucht wird, gibt es noch kein klares Verständnis hinsichtlich der Umweltbedingungen zu Beginn und während des MSC-Ereignisses. Dies ist auf die Unzugänglichkeit von Sedimenten zurückzuführen, die in den heutigen zentralen Ablagerungsräumen des Mittelmeeres liegen, und den messinischen Ablagerungsraum von > 1000 m Paläotiefe repräsentieren. Zudem fehlen moderne Analoga sowie ausreichende Körperfossilien in der stratigraphischen Überlieferung. Eine bisher kaum erforschte Möglichkeit, um das Rätsel der noch unbekannten Umweltveränderungen zu lösen, die mit dem Einsetzen der MSC einhergehen, ist die Untersuchung von Sedimenten, die sich in mittleren paläobathymetrischen Tiefen (200–1000 m) abgelagert haben. Tatsächlich stellen diese Sedimente die Verbindung zu den noch unzugänglichen und frühen MSC-Sedimenten dar, die in den damaligen zentralen Ablagerungsräumen des spätmiozänen Mittelmeers abgelagert wurden. Ziel dieser Arbeit ist es, unser Wissen über die zu Beginn des MSC herrschenden paläoökologischen Bedingungen zu erweitern. Darauf basierend wurden Ton-/Mergel-Wechselfolgen aus intermediären paläobathymetrischen Bereichen des nördlichsten Teilbeckens des spätmiozänen Mittelmeers, dem Piemont-Becken (Nordwestitalien), untersucht. Es wurde ein Multiproxy-Ansatz angewendet, bei dem organisch-geochemische Proxies (Lipidbiomarker; verbindungsspezifische stabile Isotope von Wasserstoff (d2H) und Kohlenstoff (d13C) mit anorganischen geochemischen Proxies (Al, Si, Ti und Zr; stabile Isotope vom Gesamtgestein-Kohlenstoff (d13C) und Sauerstoff (d18O)) kombiniert wurden. Stratigraphische und petrographische Studien ergänzten die Untersuchungen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass vor dem Einsetzen der MSC feuchtere Bedingungen bei Präzessionsminima herrschten, was zu einem verstärkten fluviatilen Eintrag führte. Solche Bedingungen begünstigten die Phytoplanktonblüte in der oberen Wassersäule und resultierten in einer starken thermohalinen Schichtung. Am Meeresboden und in der Wassersäule entwickelten sich sauerstoffarme und sulfidische Bedingungen, die sich gelegentlich bis in die photische Zone erstreckten und die Ablagerung von organisch-reichen Tonen förderten. Umgekehrt lagerten sich Mergel bei Präzessionsmaxima ab, wenn das Klima − relativ gesehen − trockener war. Die thermohaline Schichtung wurde in Richtung der randlichen Beckenbereiche unterbrochen, sodass dort die Wassersäule durch einen Pool an gelöstem anorganischem Kohlenstoff (DIC) mit einem d13CDIC zwischen −1‰ und +2‰ gekennzeichnet war. In der Nähe des zentralen Ablagerungsraumes herrschten jedoch weiterhin eine stabile thermohaline Schichtung und sauerstoffarme Bedingungen am Meeresboden und in der Wassersäule vor. Der tiefere Wasserkörper unter der Grenzschicht wies einen geschätzten d13CDIC von etwa –6‰ auf. Nach dem Einsetzen der MSC konnte weder eine Aridifizierung noch die Entwicklung hypersaliner Bedingungen für das Piemont-Becken beobachtet werden. Vielmehr nahm sowohl die Luftfeuchtigkeit als auch der Süßwassereintrag im nördlichen Mittelmeerraum zu, gleichzeitig überlagert durch die Oszillationen eines präzessionsgesteuerten Klimas und der damit einhergehenden hydrologischen Variabilität, wie es bereits vor der MSC der Fall war. Die zunehmende Luftfeuchtigkeit hing mit einem verstärkten Beitrag der aus dem Mittelmeerraum stammenden Feuchtigkeit zu den lokalen Niederschlägen zusammen, was gleichzeitig mit der zunehmenden Restriktion des Mittelmeerbeckens zusammenfiel. Diese Bedingungen ermöglichten die Ausdehnung einer stabilen thermohalinen Schichtung bis in die randlichen Bereiche des Piemont-Beckens, selbst bei Präzessionsmaxima. Ausnahmen bildeten die Bereiche, die flacher als 200 m Wassertiefe waren. Die marinen Umweltbedingungen in der oberen Wassersäule blieben stabil und es bildete sich ein mit 13C angereicherter DIC-Pool, der mitunter d13CDIC Werte von bis zu +5‰ erreichte. Die 13C-Anreicherung wird auf eine begrenzte Wiederauffüllung des remineralisierten DIC aufgrund der Stabilisierung der thermohalinen Schichtung und des Exports von 12C zum Meeresboden nach einer Phytoplanktonblüte zurückgeführt. Die anhaltende Schichtung der Wassersäule bei Präzessionsmaxima, gekoppelt mit sauerstoffarmen Bedingungen am Meeresboden, förderte den Abbau organischer Substand durch mikrobielle Sulfat-Reduktion. Letzteres löste die Ausfällung von bakteriell induziertem Dolomit in intermediären paläobathymetrischen Bereichen aus und verhinderte gleichzeitig die Ablagerung von Gips, aufgrund einer schnelleren Sulfatreduktionsrate im Vergleich zur Ergänzung des Sulfatpools. Gips konnte vermutlich nur bei Präzessionsmaxima seit 5,97 Ma und nur dann ausfallen, wenn die thermohaline Schichtung gestört und die Aktivität sulfatreduzierender Bakterien unterdrückt war. Diese Studie hebt die Sensitivität von randlichen Becken gegenüber klimatischen und hydrologischen Schwankungen hervor. Letztere können die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Gewässer verändern und sich somit wiederum auf die Sedimentprodukte und den Kohlenstoffkreislauf auswirken.