Paleoenvironmental evolution of Pliocene sapropelic layers in the South Aegean Sea, NE Mediterranean

Η περίοδος που ακολούθησε μετά την κρίση αλατότητας του Μεσσηνίου (5.971–5.332 Ma) αποτελεί ένα από τα πιο αινιγματικά γεγονότα της γεωλογικής ιστορίας στο χώρο της Μεσογείου καθώς μπορεί να προσφέρει κλιματικά ανάλογα για το κλίμα του μέλλοντος στην Γη της κλιματικής αλλαγής. Το όριο Μειοκένου – Πλειοκαίνου, χαρακτηρίζεται από ένα μεταβατικό διάστημα με πλούσιες σε οργανικό υλικό αποθέσεις, που ακολουθούνται από θαλάσσιες αποθέσεις του Κατώτερου Πλειοκαίνου. Το Κατώτερο Πλειόκαινο, σύμφωνα με κλιματικά μοντέλα, είναι η πιο πρόσφατη περίοδος στην ιστορία της Γης όταν οι μέσες παγκόσμιες θερμοκρασίες ήταν υψηλότερες σε σχέση με σήμερα (2.70–4.05 °C) όπως και η στάθμη της θάλασσας (5–70m). Ταυτόχρονα, οι ατμοσφαιρικές συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακα (pCO2) ήταν κοντά ή ελαφρώς πάνω από τις σύγχρονες τιμές (330-400 ppm). Η μελέτη της βιοκοινωνίας βενθονικών τρηματοφόρων είναι πολύ σημαντική, καθώς τα βενθονικά τρηματοφόρα αποτελούν έναν χρήσιμο δείκτη για την ανακατασκευή παλαιοπεριβαλλόντων. Μέσα από τη μελέτη της ολοκληρωμένης βενθονικής πανίδας που είναι διαθέσιμη από τη γεώτρηση στη θέση 378A του προγράμματος DSDP (Deep Sea Drilling Project) η οποία περιέχει αναλυτικές πληροφορίες για την πανίδα των βενθονικών τρηματοφόρων, είναι δυνατή η μελέτη και ο εντοπισμός δυνητικών σαπροπηλικών στρωμάτων, περιοχών με χαμηλά επίπεδα οξυγόνου και περιβάλλον πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά, για την περιοχή της λεκάνης του Κρητικού Πελάγους. Μέσα από αυτή τη μελέτη επιχειρείται να γίνει ένας προσδιορισμός των πιθανών αυτών στρωμάτων που φέρουν χαρακτηριστικά απόθεσης σαπροπηλικού στρώματος κατά το Κατώτερο Πλειόκαινο, η σύγκριση των συνθηκών απόθεσης με εκείνες του Ολοκαινικού σαπροπηλού S1 στην περιοχή του Αιγαίου Πελάγους και μια παλαιοπεριβαλλοντική ανακατασκευή της βενθονικής πανίδας και των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της στην λεκάνη της οπισθοτάφρου του Κρητικού Πελάγους. Από τη μελέτη της βενθονικής πανίδας προκύπτει ότι η περιοχή χαρακτηρίζεται από συνθήκες τυπικού περιβάλλοντος ανοιχτής θάλασσας (απόλυτες συγκεντρώσεις με μέγιστο (55,3 f/g), με περιόδους υψηλής οργανικής ροής και χαμηλών συγκεντρώσεων οξυγόνου. Η πανίδα αποτελείται από δείγματα κανονικού μεγέθους με αυξημένη αφθονία ενδοπανιδικών ειδών (π.χ. Bolivina spp., Β. Costata, U. pregrina) και περιοδικές εμφανίσεις κάποιων επιφυτικών ειδών (π.χ. C. lobatulus, Neoconorbina sp ., C. refulgens) που αποτελούν προϊόν μεταφοράς εντός λεκάνης. Πέντε πιθανά σαπροπηλικά στρώματα παρατηρήθηκαν μέσω της μικροπαλαιοντολογικής μελέτης σε βάθος πυρήνα 4 - 437cm. Τα δυνητικά σαπροπηλικά στρώματα παρουσιάζουν χαμηλές τιμές BFOI (-20 – 24,4%) και R.I. (0, 6 – 25%) γεγονός που υποδηλώνει συνθήκες με χαμηλές συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου και υψηλές τιμές σχετικής αφθονίας των ειδών ενδοπανίδας Bolivina spp., B. costata και U. Pregrina. Επιπλέον, εντοπίστηκαν 3 διακριτά γεγονότα με συνθήκες περιορισμένου οξυγόνου σε βάθος πυρήνα 485 - 755cm. Κατά τη διάρκεια αυτών των συμβάντων, οι τιμές BFOI (40,85 – 42,86%) συνεχίζουν να δείχνουν συνθήκες χαμηλής συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου, ωστόσο υπάρχει σημαντική αύξηση των ειδών – δεικτών οξικών συνθηκών C. pseudoungerianus και S. reticulata που δηλώνουν καλύτερη οξυγόνωση του θαλάσσιου πυθμένα. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης μπορούν να δώσουν μια εικόνα για τις συνθήκες των αποθέσεων που παρουσιάζουν παρόμοια χαρακτηριστικά με τα σαπροπηλικά στρώματα κατά το Κατώτερο Πλειόκαινο και δείχνουν ότι οι συνθήκες σχηματισμού τους είναι παρόμοιες με αυτές του Ολοκαινικού σαπροπηλού S1 (10.2-6.4 ka BP) στο Αιγαίο Πέλαγος. Οι συναθροίσεις των βενθονικών τρηματοφόρων του Κατώτερου Πλειοκαίνου στην λεκάνη του Κρητικού Πελάγους επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τις διακυμάνσεις της οργανικής ροής και του διαλυμένου οξυγόνου και ως αποτέλεσμα κυριαρχούν τα ενδοπανιδικά είδη που είναι ανεκτικά σε χαμηλά επίπεδα οξυγόνου στα δυνητικά σαπροπηλικά στρώματα, ενώ στα γεγονότα με χαμηλές συγκεντρώσεις οξυγόνου παρατηρούνται υψηλότερες σχετικές αφθονίες οξικών ειδών-δεικτών που δηλώνουν καλύτερη οξυγόνωση του πυθμένα σε σχέση με τις αποθέσεις πιθανών σαπροπηλικών στρωμάτων, όπως και στην περίπτωση του σαπροπηλού S1 που χαρακτηρίζεται από έντονα δυσοξικές συνθήκες με επεισοδιακά γεγονότα εμπλουτισμού σε οξυγόνο στην περιοχή του Αιγαίου Πελάγους.One of the most challenging features of the long-term Cenozoic climatic evolution, with some analog potential for present/ future global climate change, is the last sustained warm and high-atmospheric CO2 interval in Earth's history, which started after the end of the Messinian Salinity Crisis (5.971–5.332 Ma) in the Mediterranean Sea. The Messinian/ Pliocene boundary commonly includes a transitional organic-rich interval, followed by early Pliocene marine deposits. The early Pliocene is the most recent period in Earth history when the average global temperature (2.70–4.05 °C or 3–9 °C according to climatic models) and multi-proxy (e.g. Uk’37) paleothermometers and sea-level (5–70m) were higher than today. Moreover, the atmospheric carbon dioxide concentrations (pCO2) were close to or slightly above modern values, between 330 and 400 ppm. The study of benthic foraminiferal assemblages is of high importance, as benthic foraminifera can be used as indicators for reconstructing environments of the past. The availability of more complete DSDP sedimentary successions containing well - preserved benthic assemblages of the Early Pliocene Cretan Basin, which were studied in order to determine the past environmental conditions, to observe the different foraminiferal assemblages and identify the existence of Early Pliocene potential sapropelic layers and the comparison of the conditions in which Early Pliocene potential sapropelic layers were deposited with the conditions that characterized the deposition of sapropel S1 during Holocene in the Aegean Sea and wether we can observe similar trends. The study of the benthic foraminiferal assemblages of the Early Pliocene Cretan Basin indicates that the area was characterized by open marine conditions with periods of high organic flux and low oxygen rates. The benthic foraminiferal fauna of the area consists of normal-sized specimens with an increasing abundance of lower epibathyal fauna (i.e. Bolivina spp., B. costata, U. pregrina) and periodic occurences of some epiphytic taxa (i.e. C. lobatulus, Neoconorbina sp., C. refulgens) that are the product of in-basin transfer. Five potential sapropelic layers were observed through the micropaleontological study in the interval 4 – 437cm core depth. The potential sapropelic layers showcase low values of Benthic Foraminiferal Oxygen Index and Redeposition Index, indicating low oxic conditions with high values of infaunal species Bolivina spp., B. costata and U. pregrina. Additionally, 3 distinct Low Oxic events occurred in the interval 485 – 755cm core depth. During these low oxic events, BFOI values continue to indicate low oxic conditions, however there is major increase of oxic indicator species C. pseudoungerianus and S. reticulata that point to a better oxygenation of the sea floor. The results that are acquired from this study can offer insight to the deposition trends of the Early Pliocene depositions that share similar characteristics with sapropelic layers and indicate that their formation conditions are similar to those of sapropel S1 (10.2–6.4 ka BP) during Holocene in the Aegean Sea. The Early Pliocene benthic foraminiferal assembladges are heavily impacted by organic flux and dissolved oxygen fluctuations and as a result are dominated by infaunal taxa that can tolerate low oxygen levels in the potential sapropelic layers and with higher abundances of oxic indicator species in the Low Oxic events, as in the case of sapropel S1, which is characterized by severe dysoxic conditions, interrupted with episodes of better oxygenation of bottom waters in the Aegean Sea

Coccolithophore community response along a natural CO₂ gradient off Methana (SW Saronikos Gulf, Greece, NE Mediterranean)

<div><p>A natural pH gradient caused by marine CO₂ seeps off the Methana peninsula (Saronikos Gulf, eastern Peloponnese peninsula) was used as a natural laboratory to assess potential effects of ocean acidification on coccolithophores. Coccolithophore communities were therefore investigated in plankton samples collected during September 2011, September 2016 and March 2017. The recorded cell concentrations were up to ~50 x10³ cells/l, with a high Shannon index of up to 2.8, along a pH gradient from 7.61 to 8.18, with values being occasionally <7. Numerous holococcolithophore species represented 60–90% of the surface water assemblages in most samples during September samplings. <i>Emiliania huxleyi</i> was present only in low relative abundances in September samples, but it dominated in March assemblages. Neither malformed nor corroded coccolithophores were documented. Changes in the community structure can possibly be related to increased temperatures, while the overall trend associates low pH values with high cell densities. Our preliminary results indicate that in long-termed acidified, warm and stratified conditions, the study of the total coccolithophore assemblage may prove useful to recognize the intercommunity variability, which favors the increment of lightly calcified species such as holococcolithophores.</p></div

Coccolithophore corroded specimens in Methana acidified environments (Ω<1).

<p>1. <i>Rhabdosphaera clavigera</i>, P2-2 m, September 2016. 2. <i>Syracosphaera pulchra</i>, P2-8 m, September 2011. 3. <i>Syracosphaera pulchra</i>, P2-20 m, September 2011. 4. <i>Syracosphaera mediterranea</i> HOL <i>(hellenica)</i>, P1-20 m, September 2011. 5. <i>Emiliania huxleyi</i>, P1-2 m, September 2016. 6. <i>Homozygosphaera arethusae</i>, P1-2 m, September 2016.</p

Sample information.

<p>Stations’ location, sampling dates, physicochemical parameters, total coccolithophore density (cells l^-1) resulting from both inverted microscopy and Scanning Electron Microscopy techniques and coccolithophore diversity (<i>H’</i>) based on SEM countings.</p

The structure of plankton community.

<p>Abundance (cells l^-1) of the major plankton groups Dinophyceae, Bacillariophyceae and the Coccolithophores component, during the two sampling periods.</p

Coccolithophores of Methana acidified environments.

<p>1. <i>E</i>. <i>huxleyi</i>, P1-5 m, September 2016 (Ωmin<1). 2. <i>E</i>. <i>huxleyi</i>, P2-5 m, March 2017 (pH<8). 3. <i>Pontosphaera syracusana</i>, P2-2 m, March 2017. 4. <i>Syracosphaera halldalii</i>, P1-2 m, September 2016 (Ωmin<1). 5. <i>Syracosphaera ossa</i>, P1-2 m, September 2016. 6. <i>Algyrosphaera robusta</i> HOL, P1-2 m, September 2016 (Ωmin<1). 7. <i>Syracosphaera mediterranea</i>, P1-2 m, September 2016 Ωmin<1). 8. <i>Rhabdosphaera clavigera</i>, P1-2 m, September 2016 (Ωmin<1). 9. <i>Algyrosphaera robusta</i>, P1-2 m, September 2016 (Ωmin<1). 10. <i>Syracolithus ponticuliferus</i>, P1-2 m, September 2016 (Ωmin<1). 11. <i>Algyrosphaera robusta</i> HOL, P1-2 m, September 2016 (Ωmin<1). 12. <i>Syracosphaera mediterranea</i> HOL <i>wettsteinii</i> type, P1-2 m, September 2016 (Ωmin<1).</p

Corellation of various coccolithophore groups and coccolithophore diversity with <i>in situ</i> pH data.

<p>Holococcolithophores and particularly <i>A</i>. <i>robusta</i> HOL showed a clear increasing trend with lower pH during the warm period (September 2016), forcing diversity (<i>H’</i>) to display an opposite pattern. (obtained p values below 0.05 indicate statistically significant correlation at the 95% confidence level).</p

Study area.

<p>A. Map of the central Aegean Sea (NE Mediterranean) with sampling sites visited in the present study; Methana represents the western end of the Aegean Volcanic Arc. Image resource: NASA Worldview. The inlet map presents the dominant tectonic structure of the Aegean Sea domain [<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0200012#pone.0200012.ref048" target="_blank">48</a>]. B. Bathymetry and hydrography of Saronikos Gulf. Bathymetry data are provided by HCMR (Hellenic Centre for Marine Research). The map was designed with ArcGiS software (ESRI) v.10.4. Hydrographic data are redrawn from [<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0200012#pone.0200012.ref046" target="_blank">46</a>]. C. Sample location around Methana peninsula. Image resource: NASA Worldview.</p

Seawater carbonate chemistry, average nutrient concentrations and total chl-a values in the sampling sites.

<p>Seawater carbonate chemistry, average nutrient concentrations and total chl-a values in the sampling sites.</p

SANTORY: SANTORini’s Seafloor Volcanic ObservatorY

International audienceSubmarine hydrothermal systems along active volcanic ridges and arcs are highly dynamic, responding to both oceanographic (e.g., currents, tides) and deep-seated geological forcing (e.g., magma eruption, seismicity, hydrothermalism, and crustal deformation, etc.). In particular, volcanic and hydrothermal activity may also pose profoundly negative societal impacts (tsunamis, the release of climate-relevant gases and toxic metal(loid)s). These risks are particularly significant in shallow (&lt;1000m) coastal environments, as demonstrated by the January 2022 submarine paroxysmal eruption by the Hunga Tonga-Hunga Ha’apai Volcano that destroyed part of the island, and the October 2011 submarine eruption of El Hierro (Canary Islands) that caused vigorous upwelling, floating lava bombs, and natural seawater acidification. Volcanic hazards may be posed by the Kolumbo submarine volcano, which is part of the subduction-related Hellenic Volcanic Arc at the intersection between the Eurasian and African tectonic plates. There, the Kolumbo submarine volcano, 7 km NE of Santorini and part of Santorini’s volcanic complex, hosts an active hydrothermal vent field (HVF) on its crater floor (~500m b.s.l.), which degasses boiling CO 2 –dominated fluids at high temperatures (~265°C) with a clear mantle signature. Kolumbo’s HVF hosts actively forming seafloor massive sulfide deposits with high contents of potentially toxic, volatile metal(loid)s (As, Sb, Pb, Ag, Hg, and Tl). The proximity to highly populated/tourist areas at Santorini poses significant risks. However, we have limited knowledge of the potential impacts of this type of magmatic and hydrothermal activity, including those from magmatic gases and seismicity. To better evaluate such risks the activity of the submarine system must be continuously monitored with multidisciplinary and high resolution instrumentation as part of an in-situ observatory supported by discrete sampling and measurements. This paper is a design study that describes a new long-term seafloor observatory that will be installed within the Kolumbo volcano, including cutting-edge and innovative marine-technology that integrates hyperspectral imaging, temperature sensors, a radiation spectrometer, fluid/gas samplers, and pressure gauges. These instruments will be integrated into a hazard monitoring platform aimed at identifying the precursors of potentially disastrous explosive volcanic eruptions, earthquakes, landslides of the hydrothermally weakened volcanic edifice and the release of potentially toxic elements into the water column