Carbon dynamics within cyclonic eddies: insights from a biomarker study

It is generally assumed that episodic nutrient pulses by cyclonic eddies into surface waters support a significant fraction of the primary production in subtropical low-nutrient environments in the northern hemisphere. However, contradictory results related to the influence of eddies on particulate organic carbon (POC) export have been reported. As a step toward understanding the complex mechanisms that control export of material within eddies, we present here results from a sediment trap mooring deployed within the path of cyclonic eddies generated near the Canary Islands over a 1.5-year period. We find that, during summer and autumn (when surface stratification is stronger, eddies are more intense, and a relative enrichment in CaCO3 forming organisms occurs), POC export to the deep ocean was 2-4 times higher than observed for the rest of the year. On the contrary, during winter and spring (when mixing is strongest and the seasonal phytoplankton bloom occurs), no significant enhancement of POC export associated with eddies was observed. Our biomarker results suggest that a large fraction of the material exported from surface waters during the late-winter bloom is either recycled in the mesopelagic zone or bypassed by migrant zooplankton to the deep scattering layer, where it would disaggregate to smaller particles or be excreted as dissolved organic carbon. Cyclonic eddies, however, would enhance carbon export below 1000 m depth during the summer stratification period, when eddies are more intense and frequent, highlighting the important role of eddies and their different biological communities on the regional carbon cycle

Transferència de material fi i registre ambiental en conques marginals: les conques d'Alboran i de Bransfield.

El desenvolupament de models acurats pels cicles biogeoquímics d'elements clau, especialment pel carboni,depèn del coneixement dels fluxos d'aquests elements a través dels límits de l'oceà. La quantificació delsfluxos entre l'oceà obert i els marges continentals dels mars marginals és crucial per al desenvolupament d'aquests models. Les taxes d'acumulació de sediment als marges continentals són ordres de magnitud més altes que a l'oceà obert i, per tant, els sediments marginals poden contenir registres d'alta resolució dels processos desencadenats com a resposta de la variabilitat de les condicions ambientals. Els estudis de fluxos de partícules en els marges continentals són determinants per entendre les taxes de transferència de la matèria particular entre la columna d'aigua i els sediments de fons. La present tesis està centrada en la transferència i acumulació de la matèria particular en la Conca d'Alborán (Mar Mediterrània) i en l'evolució ambiental passada enregistrada pels sediments profunds de la Conca de Bransfield (Península Antàrtica). Els estudis dels fluxos de partícules a la Conca Occidental d'Alboran entre juliol de 1997 i maig de 1998 mostren que la transferència vertical de material en la part alta de la columna d'aigua està controlada per la focalització de material des de la vora de la conca cap al seu centre. L'advecció cap avall i cap al sud al llarg de les superfícies d'igual densitat del front associat al límit del Gir Occidental d'Alboran (Western Alboran Gyre, WAG) produeix una tendència d'augment dels fluxos de partícules cap a mar obert, fet que és inusual en la majoria dels marges continentals. L'evolució dels fluxos a profunditats intermèdies de la columna d'aigua és variable al llarg de l'any. Totes les sèries mostren una evolució general comú amb un primer pic a l'inici de l'estiu de 1997, un segon pic ample compost durant la darrera part de la tardor i l'hivern i un tercer pic a la primavera de 1998. La descàrrega fluvial pot ser responsable dels fluxos litogènics més alts durant el pic de tardor/hivern, mentre que l'elevada producció primària a la perifèria del WAG promou la generació de partícules biogèniques al llarg de l'any i especialment durant la primavera i l'estiu. Els resultats de l'experiment dels Fluxos d'Alta Freqüència (High Frequency Flux, HFF), realitzat durant la primavera de 1998, mostren que, a més de l'elevada producció a la vora del gir, l'advecció de masses d'aigua riques en fitoplàncton, l'agregació de partícules i la predació per zooplàncton són mecanismes necessaris perintensificar l'exportació des de les aigües superficials del WAG. El mateix experiment mostra que la desagregació, la disminució en la mida de les partícules i l'advecció física pel flux pausat de les aigües intermèdies i profundes cap a l'oest provoca probablement el decreixement substancial en la transferència de partícules a profunditats mesopelàgiques. L'evolució temporal dels fluxos prop del fons està controlada per la transferència cap avall de matèria particular des d'aigües intermèdies i l'aportació advectiva per capes nefeloides de material majoritàriament litogènic i carbonàtic. Durant els períodes d'exportació intensificada des de les aigües superficials hi ha també una important transferència, talús avall i prop del fons, de material ric en fracció biogènica acumulat prèviament en el fons de les àrees més somes. Les dades dels correntímetres mostren com els polsos del flux d'aigua profunda cap a l'oest influencien l'activitat nefeloide al fons. Ambdós, la degradació de la matèria orgànica i l'advecció durant la sedimentació a través de profunditats mesopelàgiques, i la redistribució prop del fons talús avall, constitueixen mecanismes pel qual el carboni pot ésser extret efectivament des de les aigües superficials i reconduït cap a masses d'aigua i sediments profunds. El darrer procés mostra a més que els sediments profunds del Mar d'Alboran poden enregistrar acuradament els esdeveniments productius de les aigües superficials que afecten tota la conca. Els estudis geoquímics dels sediments superficials mostren que, a escales temporals de desenes a centenars d'anys, les taxes d'acumulació de sediment decreixen a mida que la profunditat augmenta, i que el relleu submarí profund juga un paper determinant en la distribució de sediment a la Conca d'Alboran. La comparació de les dades dels sediments profunds amb les dades de les trampes de sediment de la Conca Occidental d'Alboran mostra que l'aportació advectiva de partícules fins a 30 metres sobre el fons correspon al 50-70% del material acumulat en el fons. L'abundància i les taxes d'acumulació de matèria orgànica concorden amb la distribució espacial de la producció primària al Mar d'Alboran, que és més alta a l'oest. La comparació amb les dades de les trampes de sediment permet estimar que la degradació de la matèria orgànica és d'almenys el 30-40% de la que arriba al fons. La sílice biogènica produïda i exportada des de les aigües superficials no s'acumula de manera efectiva en el fons. L'anàlisi granulomètric i geoquímic dels sediments recuperats a la Conca de Bransfield mostra que s'han acumulat majoritàriament a través de processos hemipelàgics, i en menor proporció, per corrents de terbolesa. La comparació amb dades de trampes mostra que els processos hemipelàgics a la Conca de Bransfield estan dominats per l'advecció lateral prop del fons (70%)i la sedimentació vertical des de les aigües superficials(30%). Les fluctuacions en la contribució de partícules per aquests dos processos explicaria la formació de làmines amb diferents gruixos i abundàncies en constituents biogènics. La relació entre clima i la contribució d'aquests dos processos és utilitzada per a reconstruir les fluctuacions ambientals dels darrers 3000 anys, el que demostra que els sediments hemipelàgics de la Conca de Bransfield contenen un registre d'alta resolució de les fluctuacions climàtiques durant l'Holocè

Holocene neoglacial events in the Bransfield Strait (Antarctica). Paleogeographic and paleoclimatic significance

The morphological characterisation of the western submarine island flanks of El Hierro and La Palma differentiates four type-zones that may give new insights into the evolution of oceanic island slopes. The different type-zones result from the interplay between constructive volcanic processes, hemipelagic settling and volcano collapses. The latter results in massive debris avalanche deposits, which form large volcaniclastic aprons. In most cases, the headwall scarps are clearly exposed on the emerged part of the islands. The events that occurred in the youngest and westernmost islands of El Hierro and La Palma have vertical runouts exceeding 6,000 m and volumes that can reach several hundred km3. The landslide frequency for the entire Canaries is one major event per 90 ka. Triggering mechanisms are closely related to magmatic processes. The increase in the shear stress is directly linked with the forceful intrusion of magma along ridge-rift systems, while in the western Canary Islands it seems that the main process reducing shear resistance may be related to the rise in pore pressure due to hydrothermal circulation

Sedimentación biogénica y evolución paleoceanográfica del Estrecho de Bransfield durante el Holoceno

VI Simposio Español de Estudios Antárticos, del 11 al 14 de septiembre de 1996, Miraflores de la Sierra, Madrid.-- 1 pageSe aborda el estudio de tres testigos de gravedad localizados en el Estrecho de Bransfield, recuperados durante las campañas del BIO Hespérides GEBRA-93 y FRUELA-96. Los tres testigos están compuestos por sedimentso de "fondo de cuenca" y se distribuyen en cada una de las tres subcuencas. [...]Peer reviewe

Holocene neoglacial events in the Bransfield Strait (Antarctica). Paleogeographic and paleoclimatic significance

The morphological characterisation of the western submarine island flanks of El Hierro and La Palma differentiates four type-zones that may give new insights into the evolution of oceanic island slopes. The different type-zones result from the interplay between constructive volcanic processes, hemipelagic settling and volcano collapses. The latter results in massive debris avalanche deposits, which form large volcaniclastic aprons. In most cases, the headwall scarps are clearly exposed on the emerged part of the islands. The events that occurred in the youngest and westernmost islands of El Hierro and La Palma have vertical runouts exceeding 6,000 m and volumes that can reach several hundred km3. The landslide frequency for the entire Canaries is one major event per 90 ka. Triggering mechanisms are closely related to magmatic processes. The increase in the shear stress is directly linked with the forceful intrusion of magma along ridge-rift systems, while in the western Canary Islands it seems that the main process reducing shear resistance may be related to the rise in pore pressure due to hydrothermal circulation

Carbon dynamics within cyclonic eddies: insights from a biomarker study

It is generally assumed that episodic nutrient pulses by cyclonic eddies into surface waters support a significant fraction of the primary production in subtropical low-nutrient environments in the northern hemisphere. However, contradictory results related to the influence of eddies on particulate organic carbon (POC) export have been reported. As a step toward understanding the complex mechanisms that control export of material within eddies, we present here results from a sediment trap mooring deployed within the path of cyclonic eddies generated near the Canary Islands over a 1.5-year period. We find that, during summer and autumn (when surface stratification is stronger, eddies are more intense, and a relative enrichment in CaCO3 forming organisms occurs), POC export to the deep ocean was 2-4 times higher than observed for the rest of the year. On the contrary, during winter and spring (when mixing is strongest and the seasonal phytoplankton bloom occurs), no significant enhancement of POC export associated with eddies was observed. Our biomarker results suggest that a large fraction of the material exported from surface waters during the late-winter bloom is either recycled in the mesopelagic zone or bypassed by migrant zooplankton to the deep scattering layer, where it would disaggregate to smaller particles or be excreted as dissolved organic carbon. Cyclonic eddies, however, would enhance carbon export below 1000 m depth during the summer stratification period, when eddies are more intense and frequent, highlighting the important role of eddies and their different biological communities on the regional carbon cycle

Reexposure and advection of C-14-depleted organic carbon from old deposits at the upper continental slope

Outcrops of old strata at the shelf edge resulting from erosive gravity-driven flows have been globally described on continental margins. The reexposure of old strata allows for the reintroduction of aged organic carbon (OC), sequestered in marine sediments for thousands of years, into the modern carbon cycle. This pool of reworked material represents an additional source of C-14-depleted organic carbon supplied to the ocean, in parallel with the weathering of fossil organic carbon delivered by rivers from land. To understand the dynamics and implications of this reexposure at the shelf edge, a biogeochemical study was carried out in the Gulf of Lions (Mediterranean Sea) where erosive processes, driven by shelf dense water cascading, are currently shaping the seafloor at the canyon heads. Mooring lines equipped with sediment traps and current meters were deployed during the cascading season in the southwestern canyon heads, whereas sediment cores were collected along the sediment dispersal system from the prodelta regions down to the canyon heads. Evidence from grain-size, X-radiographs and Pb-210 activity indicate the presence in the upper slope of a shelly-coarse surface stratum overlying a consolidated deposit. This erosive discontinuity was interpreted as being a result of dense water cascading that is able to generate sufficient shear stress at the canyon heads to mobilize the coarse surface layer, eroding the basal strata. As a result, a pool of aged organic carbon (Delta C-14 = -944.5 +/- 24.7%; mean age 23,650 +/- 3,321 ybp) outcrops at the modern seafloor and is reexposed to the contemporary carbon cycle. This basal deposit was found to have relatively high terrigenous organic carbon (lignin = 1.48 +/- 0.14 mg/100 mg OC), suggesting that this material was deposited during the last low sea-level stand. A few sediment trap samples showed anomalously depleted radiocarbon concentrations (Delta C-14 = -704.4 +/- 62.5%) relative to inner shelf (Delta C-14 = -293.4 +/- 134.0%), mid-shelf (Delta C-14 = -366.6 +/- 51.1%), and outer shelf (Delta C-14 = -384 +/- 47.8%) surface sediments. Therefore, although the major source of particulate material during the cascading season is resuspended shelf deposits, there is evidence that this aged pool of organic carbon can be eroded and laterally advected downslope

Sediment undulations on the Llobregat prodelta: Signs of early slope instability or sedimentary bedforms?

A field of sediment undulations has been mapped by means of high resolution multibeam bathymetry and seismic reflection profiles in the Llobregat River prodelta, off the city of Barcelona, Catalonia, Spain. Similar features had previously been recognized in other prodelta environments and interpreted either as downslope sediment deformation or sedimentary structures induced by bottom currents or hyperpycnal flows. Since the study area is undergoing significant offshore development, proper interpretation of such sediment undulations is needed for a correct risk assessment. The occurrence of the sediment undulations is restricted to the prodelta front on slope gradients between 3 and 0.2º. The undulations have developed at the edge and atop an area of gas bearing sediments within the Late-Holocene high-stand mud wedge. An evaluation is made of the characteristics of the sediment undulations in order to determine the most likely process for the origin of these structures. Amongst these characteristics are the continuity of the reflections and lack of diffractions in between different undulations, their size distribution (large to small) both from shallow to deep and with depth in section, the asymmetry (decreasing from proximal to distal), the crest to trough vertical distance on the landward side of the undulations (up to 0.5 m), and the lack of features that could indicate a progressive movement such as growth structures and drag folds. These characteristics indicate that the sediment undulations on the Llobregat River prodelta do not result from sediment deformation, but rather from the interaction of bottom currents generated by hyperpycnal flows from the Llobregat River with regional sea water circulation. Their identification as sediment waves implies that such features do not pose a major hazard for urther offshore development