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Toffanin, Federica (2012) Biochronologic and evolutionary study of calcareous nannofossil assemblages during the Middle Eocene Climatic Optimum. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

In my PhD project, I’ve studied calcareous nannofossil assemblages from three different sites during the Middle Eocene Climatic Optimum (MECO). The MECO is a global transient short-lived hyperthermal episode characterized by a global prominent perturbation both in oxygen and carbon stable isotopes, it occurred at Chron C18r-C18n transition (ca. 40 Ma) and lasted ca. 500-600 kyr (Bohaty et al., 2009). It represents a significant climate reversal during the Middle-Late Eocene long-term cooling trend. The MECO event is one of several hyperthermal events occurred in the Paleogene, after the well known Paleocene Eocene Thermal Maximum (Kennett and Stott, 1991). Actually, interest in these issues is raising because they are considered potential analogues in the past of the expected global warming we are going to experience in the next future. The most accredited hypothesis regarding the onset of the MECO warming involves a huge CO2 degassing event, linked to major plate tectonic reorganization, occurred during the Eocene (Bohaty et al., 2009).
The study sections are located in different depositional settings and geographical areas. In particular, the first study succession, the Alano section, is set in north-eastern Southern Alps of the Veneto region and spans the middle to late Eocene. From a paleogeographic point of view, the section has a paleodepth of 600-1000 m and belongs to the Belluno Basin in the central-western Tethys; the second study section was recovered from IODP Site 1333 during Exp.320 in the Equatorial Pacific. The paleodepth estimate for this Site is ca. 3800 m, while the modern water depth is ca. 4800. The third study section was recovered during ODP Leg 171B located in the Blake Nose (NW Atlantic) with a paleodepth of ca. 1500 m.
The first aim of this study is to verify if there is a unique and global change of calcareous nannofossil assemblages in response to the MECO event. A wide spectrum of paleodepositional settings and locations (Alano section, Site 1051A and U1333C) has been analyzed during this extreme paleoclimatic phase eventually providing paleoenviromental reconstructions based on modifications observed in calcareous nannofossil assemblages. The second aim of this study is focused on biostratigraphic and biochronologic issues related to Middle Eocene to Early Oligocene interval, with a special emphasis on the MECO. Standard and additional biohorizons have been tested and compared with previous data available from literature, providing estimates of the degree of reliability of considered bioevents and of their calibrations.
The first chapter of this thesis is a brief general overview of the early Paleogene paleoclimatic evolution, followed by a description of the study materials and common methods and strategies adopted in this work.
In the second chapter of this thesis, a high resolution study on calcareous nannofossil across the MECO event is presented. Our data from the middle-bathial Alano section indicate that the MECO interval seems to coincide with significant changes in calcareous nannofossil assemblages. Eutrophic/cold taxa and reworked specimens show an overall increase in abundance during the warming event. Conversely, oligotrophic/warm taxa are characterized by a peculiar anticovariant trend with respect to meso-eutrophic taxa, decreasing significantly during the MECO and post-MECO intervals. These results are interpreted as a transient enrichment in dissolved nutrients in warmer sea surface waters and suggest that the enhanced availability of nutrient in the water column overrides other environmental factors in the make-up of calcareous nannofossil assemblage. Morevover, the increase in reworking is consistent with an augment in terrigenous input, likely due to accelerated chemical weathering triggered by the enhanced hydrological cycle.
In the third chapter of this thesis, I provide results of sediments recovered from IODP Exp. 320 (U1333C - Pacific Equatorial Ocean) in a time interval comprised from the Middle Eocene to Early Oligocene. These data show dramatic changes in preservation state, with the number of specimens counted on a specific area (1 mm2) virtually collapsing to zero during the MECO event. In the same interval, we also observed changes in calcareous nannofossil assemblages that are consistent with strong dissolution phenomena. As already said, a strong decrease of specimens/mm2 is clear, but a even stronger argument for pervasive dissolution conditions is based on the fact that if we consider the relative abundance (%) of the most resistant genus, Discoaster, there is a remarkable increase of this taxon, as it is expected if the pristine assemblages were altered/biased by preferential dissolution. At Site U1333C, the MECO can be considered a semi-barren interval and thus any paleoenviromental inference is definitively hindered. For this reason, I decided to focus on a longer interval with the purpose of providing biostratigraphic and biochronologic datums from one of the rare carbonate successions available for the Middle Eocene to Early Oligocene in the Equatorial Pacific. We used this refined framework to analyze the mode and tempo of evolution of some calcareous nannofossil taxa (i.e., sphenoliths and Dictycoccites).

The fourth chapter of this thesis provides a highly resolved documentation of the MECO as recorded from the ODP Site 1051A (NW Atlantic). Our results evidence changes in calcareous nannoflora assemblages during this transient episode of global warming that are consistent with an increase in nutrient availability. Small reticulofenestrids, typically thriving in eutrophic environments and stressed conditions, show a long-term gradual increase in their relative abundance thus suggesting increased nutrient availability of the sea surface waters at ODP Site 1051A. A similar trend is also recorded by eutrophic large Dictyococcites which sharply increase in abundance at the same stratigraphic level (LCO) providing a further evidence of a shift toward more eutrophic conditions. This scenario is also supported by the slight decline showed by Sphenolithus and Discoaster. These genera are considered as k-specialist warm-oligotrophic taxa and their decrease in abundance during a phase of gradual warming is clearly related to an increase of nutrient availability. Finally, if we go into detail on genus Sphenolithus, a profound reorganization was found to take place: S. furcatolithoides goes extinct, S. predistentus and S. obtusus firstly appear and most of the other species temporary increase/decrease their abundance. Overall, our data from ODP Site 1051A indicate that changes in calcareous nannofossil assemblages started well after the onset of the MECO and before the peak warming following two different modes, a first type has been defined as abrupt (e.g., the LCO of Dictyococcites, the HO of S. furcatolithoides) while the second as gradual (the increase of small Reticulofenestra).

Abstract (italian)

Durante il mio progetto di dottorato ho studiato le associazioni a nannofossili calcarei provenienti da tre siti nell’intervallo corrispondente al Middle Eocene Climatic Optimum (MECO). Il MECO è un episodio ipertermale transitorio e di breve durata, caratterizzato da un’importante perturbazione a livello globale degli isotopi stabili sia dell’ossigeno che del carbonio, osservato alla transizione tra Chron C18r-C18n (ca. 40 Ma) ha una durata di circa 500-600 kyr (Bohaty et al., 2009). Esso rappresenta un’inversione significativa del clima durante il trend di raffreddamento di lunga durata dell’Eocene medio e superiore. Il MECO è uno tra gli eventi ipertermali, assieme al meglio conosciuto Paleocene Eocene Thermal Maximum, riconosciuti nel Paleogene (PETM, Kennett and Stott, 1991). Attualmente l’interesse verso questi argomenti è crescente perché essi sono considerati potenziali analoghi nel passato dell’atteso riscaldamento globale che sarà in atto nel prossimo futuro. L’ipotesi più accreditata riguardo le cause del MECO è connessa ad un enorme evento di degassazione di CO2, legato a una importante riorganizzazione delle placche tettoniche avvenuta durante l’Eocene (Bohaty et al., 2009).
Le sezioni studiate sono situate in diversi setting deposizionali e aree geografiche. In particolare la prima successione, la sezione di Alano, è localizzata nelle Alpi nord orientali del Veneto e comprende l’Eocene medio e superiore. Dal punto di vista paleogeografico, la sezione ha una paleoprofondità di 600-1000 m ed è parte del bacino di Belluno, entro la Tetide centro occidentale; la seconda sezione di studio è stata recuperata nell’IODP Site 1333 durante l’Exp.320 svoltasi nel Pacifico Equatoriale. La paleoprofondità stimata per questo Site è di 3800 m, mentre la profondità attuale è ca. 4800 m. La terza sezione di studio è stata recuperata dal Leg ODP 171B nell’area del Blake Nose (Atlantico nord occidentale) ed ha paleoprofondità stimata di ca. 1500 m.
Il primo obiettivo di questo studio è verificare se c’è un cambiamento unico e globale nelle associazioni a nannofossili calcarei in risposta al MECO. Un ampio spettro di setting paleodeposizionali e aree diverse (sezione di Alano, Site 1051A and U1333C) è stato analizzato durante questa fase paleoclimatica estrema e sono state fornite ricostruzioni paleoambientali basate su modificazioni osservate nelle associazioni a nannofossili calcarei. Il secondo obiettivo di questo studio è centrato sulla biostratigrafia e biocronologia dell’intervallo Eocene medio a Oligocene inferiore, con particolare attenzione al MECO. Biorizzonti standard e addizionali sono stati testati e confrontati con dati precedenti presenti in letteratura, fornendo stime del grado di affidabilità dei bioeventi considerati e delle loro calibrazioni.
Il primo capitolo della tesi è una breve presentazione generale dell’evoluzione paleoclimatica del Paleogene inferiore, seguita dalla descrizione dei materiali di studio e dei metodi e strategie adottate in questo lavoro.
Nel secondo capitolo di questa tesi viene presentato uno studio sui nannofossili calcarei ad alta risoluzione attraverso il MECO. I nostri dati dalla sezione medio batiale di Alano indicano che l’intervallo riguardante il MECO sembra coincidere con cambiamenti significativi nelle associazioni a nannofossili calcarei. Taxa che preferiscono acque eutrofiche/fredde e forme rimaneggiati mostrano un aumento nelle abbondanze durante l’evento ipertermale. Al contrario, taxa con preferenze per acque oligotrofiche/calde mostrano un trend peculiare anticovariante rispetto ai taxa meso-eutrofici, diminuendo in modo significativo durante gli intervalli del MECO e post-MECO. Questi risultati possono essere interpretati come un arricchimento temporaneo dei nutrienti disciolti nelle acque più calde superficiali, e suggeriscono che la aumentata disponibilità di nutrienti nella colonna d’acqua ricopre un’importanza maggiore rispetto ad altri fattori ambientali nel determinare l costituzione dell’associazione a nannofossili calcarei. Inoltre il maggior rimaneggiamento è coerente con un aumentato input di terrigeno, probabilmente dovuto all’accelerato weathering (alterazione) chimico, scatenato dall’aumentato ciclo idrologico.
Nel terzo capitolo di questa tesi, fornisco i risultati dei sedimenti recuperati dall’IODP Site 1333 durante l’Exp.320 nel Pacifico Equatoriale, in un intervallo di tempo compreso tra l’Eocene medio e l’Oligocene inferiore. Questi dati evidenziano un importante cambiamento nello stato di preservazione, con il numero di individui contati entro un’area specifica (1 mm2) che si avvicinano allo zero durante il MECO. Nello stesso intervallo abbiamo osservato modifiche nelle associazioni a nannofossili calcarei coerenti con un evento di intensa dissoluzione. Oltre alla evidente forte diminuzione di individui/mm2 già citata, un argomento ancora più forte a favore di condizioni di dissoluzione pervasiva è basato sul fatto che, se consideriamo l’abbondanza relativa (%), Discoaster, il genere più resistente, aumenta considerevolmente, come atteso nel caso in cui l’associazione originaria sia alterata da dissoluzione preferenziale. Al Site U1333C, il MECO si può considerare un intervallo semi sterile, quindi nessuna interpretazione paleoambientale è possibile. Per questo motivo ho deciso di focalizzarmi su un intervallo più lungo, con l’obiettivo di ottenere dati biostratigrafici e biocronologici da una delle rare successioni carbonatiche disponibili dall’Eocene medio all’Oligocene inferiore nel Pacifico equatoriale. Abbiamo usato questo modello per analizzare il modo e tempo dell’evoluzione di alcuni taxa di nannofossili calcarei (i.e., sfenoliti e Dictycoccites).
Il quarto capitolo della tesi fornisce una serie di dati ad alta risoluzione del MECO, ottenuti dal Site 1051A (Atlantico nordoccidentale). I nostri risultati evidenziano cambiamenti nelle associazioni a nannofossili calcarei durante questo episodio transitorio di riscaldamento globale coerenti con un aumento nella disponibilità di nutrienti. I reticulofenestridi di piccole dimensioni, che tipicamente prosperano in ambienti eutrofici e in condizioni di stress, mostrano un aumento graduale di lunga durata nelle loro abbondanze relative, suggerendo quindi una aumentata disponibilità di nutrienti nelle acque superficiali dell’ODP Site 1051A. Un andamento simile si registra anche nei Dictyococcites di grandi dimensioni, eutrofici, che aumentano bruscamente in abbondanza allo stesso livello stratigrafico (LCO), fornendo una ulteriore evidenza di uno shift verso condizioni più eutrofiche. Questo scenario è supportato anche dal lieve declino che si evidenza in Sphenolithus e Discoaster. Questi generi sono considerati taxa di acque calde ed oligotrofiche, K-specialisti, e la loro diminuzione in abbondanza durante una fase di graduale riscaldamento è chiaramente correlabile ad un aumento dei nutrienti disponibili. Infine, entrando all’interno del genere Sphenolithus, si è osservata una profonda riorganizzazione, S. furcatolithoides si estingue, S. predistentus e S. obtusus fanno la loro prima comparsa, e molte delle altre specie subiscono aumenti o diminuzioni temporanee delle loro abbondanze. Nel complesso, i dati provenienti dal Site ODP 1051A indicano che i cambiamenti nelle associazioni a nannofossili calcarei sono iniziati molto dopo l’inizio del MECO e prima del picco di riscaldamento, presentando due diversi andamenti: un primo tipo può essere definito brusco (ad es. la LCO di Dictyococcites, la HO di S. furcatolithoides), mentre un secondo tipo è graduale (ad es. l’aumento delle Reticulofenestra di piccole dimensioni).

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Agnini, Claudia
Ph.D. course:Ciclo 24 > Scuole 24 > SCIENZE DELLA TERRA
Data di deposito della tesi:30 January 2012
Anno di Pubblicazione:30 January 2012
Key Words:micropaleontology calcareous nannofossils hyperthermals
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 04 - Scienze della terra > GEO/01 Paleontologia e paleoecologia
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Geoscienze
Codice ID:4903
Depositato il:30 Oct 2012 10:29
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