Impact of astronomically forced climate change on deep-sea environmental conditions as per geochemical analysis of Eocene strata from Sopelana (Biscay)

Abstract

RESUMEN La cicloestratigrafía es la especialidad geológica que se ocupa de ciclos repetitivos y de duración constate en sucesiones geológicas continuas. Estos ciclos están estrechamente relacionados con cambios climáticos periódicos inducidos por las variaciones en los parámetros orbitales terrestres, dentro de los que destacan los llamados Ciclos de Milankovitch. La sucesión eocena estudiada en Sopelana (Bizkaia) está caracterizada por la alternancia de margas y calizas (hemi)pelágicas, cuyo origen se sospechaba podía estar relacionado con los mencionados cambios climáticos astronómicos de alta frecuencia. Para comprobar dicha hipótesis y, en caso afirmativo, determinar el impacto ambiental de los cambios climáticos de origen astronómico en medios oceánicos profundos, se ha realizado un análisis de alta resolución de la variación de CaCO3 e isótopos estables de oxígeno y carbono a lo largo de la sucesión. En base a la variación cíclica de los datos de CaCO3 y de δ18O, se ha podido confirmar la influencia de los ciclos de precesión de Milankovitch (20.000 años), los cuales influían directamente en los cambios de temperatura de la superficie del mar e, indirectamente, en la producción de organismos calcáreos que vivían en el medio. La alternancia térmicamente controlada en la tasa de producción orgánica fue el origen principal de la alternancia litológica que caracteriza la sucesión, de modo que las capas calizas representan etapas precesionales cálidas con alta productividad (verano boreal en perihelio), mientras que las capas de marga correspondían a etapas precesionales más frías con una producción orgánica menor (verano boreal en afelio). La amplitud de los cambios climáticos y oceanográficos a escala precesional estuvo modulada por la superposición de un ciclo de excentricidad (100.000 años). Así, periodos de excentricidad mínima (órbita circumsolar circular) presentaban características generales más cálidas y más favorables para la producción carbonatada, mientras que periodos de excentricidad máxima (órbita elíptica) producían condiciones ambientales opuestas, principalmente debido a la intensificación de corrientes de upwelling. En los resultados de δ13C, totalmente independientes de las ciclicidades del CaCO3 y de δ18O, se ha apreciado la posible influencia de un factor ambiental controlado por las variaciones cíclicas (40.000 años) en la oblicuidad del eje de rotación terrestre, el cual pudo afectar sobre las condiciones de oxigenación del fondo marino. Además, en Sopelana se han detectado posibles eventos climáticos de menor duración temporal, similares a los identificados en el registro cuaternario (eventos y ciclos y de sub-Milankovitch), los cuales interrumpen irregularmente la configuración cíclica producida astronómicamente.ABSTRACT Cyclostratigraphy is the geological speciality that deals with repetitive, equally lasting cycles in continuous geological successions. Such cycles are closely related to periodic climate-change episodes induced by variations in the orbital parameters of the Earth, among which the so-called Milankovitch cycles stand out. The Eocene succession studied in Sopelana (Biscay) is characterized by the alternation of (hemi)pelagic marls and limestones, the origin of which was suspected to be related to astronomically driven high-frequency climate change episodes. In order to check this hypothesis, a high-resolution analysis of the variations in CaCO3 and the oxygen and carbon stable isotopes was carried out throughout the succession. If positively confirmed, the environmental impact of the astronomically driven climate change episodes on deep-water oceans could be determined. On the basis of the cyclic variation in CaCO3 and δ18O, the influence of the precessional Milankovitch cycles (20,000 years) has been confirmed, which directly affected variations in the temperature of the sea surface and indirectly controlled the productivity of calcareous organisms that thrived in the environment. The thermally controlled alternation in the rate of organic productivity was the main driving mechanism for the lithological alternation that characterizes the succession, so that the limestone beds formed during warm precessional stages with high productivity (boreal summer in perihelion), whereas marly beds corresponded to colder precessional stages with lower organic production (boreal summer in aphelion). The amplitude of the climatic and oceanographic changes at precessional timescales was modulated by the overprinting of an eccentricity cycle (100,000 years). Thus, minimum eccentricity (circular circumsolar orbit) periods were generally warmer and more favourable for carbonate production. Conversely, maximum eccentricity (elliptical circumsolar orbit) periods resulted in the opposite environmental conditions, mainly as a consequence of the occurrence of intensified upwelling currents. The δ13C results, being completely independent from the CaCO3 and δ18O cyclicities, show the likely influence of an environmental factor which was controlled by cyclic variations (40,000 years) in the obliquity of the rotational axis of the Earth, which affected oxygen concentrations on the seabed. Shorter-term climatic events, similar to those identified in the Quaternary record (sub-Milankovitch cycles and events), have also been identified in Sopelana, which irregularly punctuate the astronomically driven cyclical pattern.Máster en Física, Instrumentación y Medio Ambient