Biostratigraphy and paleoceanography of warm and high atmospheric CO2 events of the cenozoic at the island of Cyprus (Eastern Mediterranean)

Abstract

The continuing collision of the European and African plates resulted to the final closure of theTethys Ocean and the birth of the Mediterranean Sea featured in the ophiolitic chain of the Troodos Massif, (Cyprus island), a Tethys fossil remnant. Mediterranean’s semi--closed configuration has the potential of amplifying global paleoenvironmental and paleoceanographic changes providing useful information on the climatic connection between high and low latitudes in the Northern Hemisphere. A quick look into the global record of the past 65 Ma is enough to give us an idea of Earth’s history being marked by climatic variation of a more abrupt than gradual nature. Yet, climatic records revealed by the sedimentary outcrops on Cyprus are largely unknown.The objective of this study was therefore to investigate the stratigraphical record of the Neogene sediments (Miocene-Pliocene) on the Island of Cyprus order to provide with a solid age-control and investigate the influence of several global paleoclimatic events in the study area sediment record using mutly proxy analysis. Paleoceanographic study of the Neogene samples intents to elucidate the mechanisms controlling the cyclicity on sedimentation associated with sapropel formation in the area and provides comprehensive new evidence in an attempt to understand climatic variability.The combination of the biostratigraphical, micropalaeontological and geochemichal evidence derived from Cyprus sequences resulted in a synthetic paleoenvironmental and paleoceanographic interpretation in the context of the Eastern Mediterranean Region, revealing possible imprints of several globally recognized cooling events.Furthermore, the reconstruction of the depositional environment of sapropelic layers provided additional evidence on the mechanism that triggered sapropel formation in the eastern Mediterranean regionduring Neogene.

Η Μεσόγειος θάλασσα αποτελεί μια κλειστή λεκάνη που συνδέεται με τον Βόρειο Ατλαντικό μέσω του στενού του Γιβραλτάρ, με την Ανατολική Μεσόγειο να περιλαμβάνει τις λεκάνες της Αδριατικής, της Ιονίου, της Λεβαντίνης και του Αιγαίου. Η γεωγραφική της θέση, οι υψηλοί ρυθμοί ιζηματογένεσης καθώς και οι επαναλαμβανόμενες φάσεις υψηλής παραγωγικότητας και επανοξυγόνωσης των βαθιών υδάτων είχαν σαν αποτέλεσμα την λεπτομερή καταγραφή των παλαιοκλιματικών διακυμάνσεων στη λεκάνη. Η μελέτη των σαπροπηλών κατά διάφορα διαστήματα απόθεσής τους μπορεί να δώσει βασικές πληροφορίες σχετικά με την κλιματική μεταβολή, την θαλάσσια παραγωγικότητα, το περιεχόμενο σε διαλυμένο οξυγόνο των ωκεάνιων υδάτων, τη θαλάσσια κυκλοφορία και τέλος την παροχή χερσογενούς υλικού και εκτίμηση των αυξομειώσεων των παροχών από διαφορετικές οδούς μεταφοράς (πχ. αύξηση βροχοπτώσεων και εκπλύσεων της χέρσου, ποτάμιων παροχών).Η εξαιρετική απεικόνιση της δυναμικής των γήινων διεργασιών σε συνδυασμό με την μεγάληποικιλία γεωλογικών εμφανίσεων, στο νησί της Κύπρου οδήγησαν στην επιλογή του ως περιοχή μελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής.Μέχρι τώρα, το πλήρως ανεπτυγμένο οφιολιθικό σύμπλεγμα του Τροόδους και ο πλούσιος ορυκτός πλούτος της νήσου, μονοπώλησε το μεγαλύτερο ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας αφήνοντας σημαντικά κενά σε ότι αφορά την βιοστρωματογραφία των ιζηματογενών ακολουθιών της Κύπρου.Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να καλύψει αυτά τα κενά εστιάζοντας στον βιοστρωματογραφικό προσδιορισμό των ιζηματογενών ακολουθιών Πάχνας και Λευκωσίας, στις τομές Κοτάφι και Πισσούρι Νότια αντίστοιχα, αλλά και να εξάγει συμπεράσματα που αφορούν στην παλαιοωκεανογραφία της περιοχής και στην παλαιοκλιματική ανίχνευση παγκόσμιων συμβάντων κατά την περίοδο του Μειοκαίνου και του Πλειοκαίνου, χρησιμοποιώντας λεπτομερείς μικροπαλαιοντολογικές και βιοχημικές αναλύσεις.Αναπόσπαστο κομμάτι της παλαιοωκεανογραφίας της λεκάνης της ανατολική Μεσογείου αποτελεί και η ύπαρξη θερμών περιόδων που συνδέονται με την απόθεση διαδοχικών σαπροπηλικών ιζημάτων κυρίως κατά το διάστημα του Τεταρτογενούς, με τους οποίους γίνεται σύγκριση.Η τομή Κοτάφι, περιοχή Αγροκηπιάς (ΝΔ της Λευκωσίας) αποτελείται από ιζήματα της ενότητας της Πάχνας συνολικού πάχους ~ 42 m και χαρακτηρίζεται από εναλλαγές οριζόντων κρητίδας και μάργων, που προοδευτικά στα ανώτερα στρώματα παρεμβάλλονται από λεπτούς σκουρόχρωμους ορίζοντες ιλυολίθων. Η τομή Πισσούρι Νότια (Pissouri South), βρίσκεται στο νότιο τμήμα της Κύπρου και αποτελείται από Πλειοκαιονικές αποθέσεις του σχηματισμού Λευκωσίας, καλύπτοντας μια ακολουθία πάχους 152m με χαρακτηριστική κυκλικότητα που παρουσιάζει πολλαπλές εναλλαγές φαιών και γκρίζων μαργών, συνεκτικών άμμων και ενδιαστρώσεις από αμμώδεις μάργες.Κύριο εργαλείο της συγκεκριμένης παλαιοωκεανογραφικής ανασύστασης αποτελεί η χρήση των μικροαπολιθωμάτων (ασβεστολιθικά ναννοαπολιθώματα, τρηματοφόρα) και εκτίμηση βιογενών δεικτών όπως δείκτες στρωμάτωσης, αλατότητας αλλά και ο προσδιορισμός των ισοτόπων οξυγόνου και άνθρακα. Επιπλέον, προσδιορίστηκαν οι διακυμάνσεις του συνολικού ποσοστού του οργανικού άνθρακα (OC), το οποίο σε διαστήματα υψηλής παραγωγικότητας όπως αυτά των σαπροπηλών παρατηρείται αισθητά αυξημένο, ενώ δίνεται έμφαση και στην μελέτη των δεικτών (U37 k' ) των αλκενονών που χρησιμοποιούνται στην εκτίμηση των παλαιοθερμοκρασιών των επιφανειακών υδάτων (SST).Από την βιοστρωματογραφική ανάλυση των δειγμάτων με βάση τα ασβεστολιθικά ναννοαπολιθώματα, προέκυψε ο βιοστρωματογραφικός προσδιορισμό της τομής Κοτάφι. Συγκεκριμένα, τα ιζήματα της τομής αντιστοιχούν στις βιοζώνες ?CNM3-CNM11 (Backman et al., 2012), και τις βιοζώνες ΝΝ2-ΝΝ7 (Martini, 1971) . Επομένως η τομή Κοτάφι καλύπτει το διάστημα από το Ανώτερο Ακουϊτάνιο έως και το Κατώτερο Τορτόνιο μεταξύ των ca. 21.80-11.60 εκ. χρόνων.Όπως φαίνεται, από την συσχέτιση της καμπύλης του οργανικού άνθρακα (OC) με την λιθοστρωματογραφία και την κατανομή των ασβεστολιθικών ναννοαπολιθωμάτων, οι ορίζοντες των λεπτών σκουρόχρωμων ιλυολίθων στην τομή Κοτάφι είναι πιθανόν να αντιστοιχούν σε αποθέσεις σαπροπηλικών ιζημάτων τα οποία σχηματίστηκαν κάτω από θερμές συνθήκες αυξημένης στρωμάτωσης και παραγωγικότητας της υδάτινης στήλης. Όπως προκύπτει από την υπάρχουσα βιβλιογραφία σε συνδυασμό με τα ευρήματα της τομής Κοτάφι, η παρουσία των Μειοκαινικών σαπροπηλών κατά το Λάγγιο (15.4 Ma) στην περιοχή της Κύπρου, πιθανόν να αντιπροσωπεύει τους παλαιότερους σαπροπηλούς που έχουν αναφερθεί στην περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου ή τουλάχιστον τους παλαιότερους που έχουν αποκαλυφθεί μέχρι στιγμής. Από τον συσχετισμό της κατανομής των ασβεστολιθικών ναννοαπολιθωμάτων με την καμπύλη ισοτόπων οξυγόνου όσο και την παγκόσμια κλιματική καμπύλη ανιχνεύτηκε η παρουσία τεσσάρων ψυχρών επεισοδίων τα οποία πιθανόν να σχετίζονται με τα παγκόσμια ψυχρά συμβάντα του Μειοκαίνου γνωστά ως Mi3a, Mi3b, Mi4 και Mi5.Από την βιοστρωματογραφική ανάλυση των δειγμάτων της τομής Πισσούρι Νότια προκύπτει ότι η μελετηθείσα τομή καλύπτει το διάστημα που αντιστοιχεί στο όριο Ζαγκλίου /Πλακεντίου και στις βιοζώνες MNN14-15 και MNN16 (Rio et al., 1990). Επιπλέον από τη παλαιοωκεανογραφική ανάλυση των ασβεστολιθικών ναννοαπολιθωμάτων και την συσχέτιση αυτών τόσο με την λιθοστρωματογραφία της τομής όσο και την καμπύλη του οργανικού άνθρακα (OC) ταυτοποιήθηκε η απόθεση σαπροπηλικών ιζημάτων στην περιοχή. Όπως προκύπτει, οι ορίζοντες των φαιών μαργών στην τομή Πισσούρι Νότια αντιστοιχούν σε αποθέσεις σαπροπηλικών ιζημάτων. Από την κατανομή των ναννοαπολιθωμάτων φαίνεται ότι οι σαπροπηλοί αυτοί αποτέθηκαν κατά την διάρκεια θερμών διαστημάτων κάτω από συνθήκες αυξημένης στρωμάτωσης και παραγωγικότητας της υδάτινης στήλης.H αντιστοίχιση των σαπροπηλικών ιζημάτων της τομής με αυτούς της πρότυπης συνθετικής τομής Rosselo (Σικελία) είχε ως αποτέλεσμα την δημιουργία λεπτομερούς χρονικού πλαισίου (age model) σύμφωνα με το οποίο η τομή καλύπτει τα τελευταία 4.065 Ma εως 3.25 Ma.Για την διερεύνηση ως προς την βιοσύνθεση των αλκενονων πραγματοποιήθηκε περαιτέρω συσχετισμός των ασβεστολιθικών ναννοαπολιθωμάτων της οικογένειας Noelaerhabdaceae (Gephyrocapsa, Reticulofenestra, Pseudoemiliania lacunosa) με την καμπύλη των αλκενονών. Όπως προκύπτει από τα αποτελέσματα, ως κύριος παραγωγός των αλκενονών κατά το Ζάγκλιο-Πλακέντιο υποδηλώνεται το είδος P. lacunosa. Επιπλέον από την καμπύλη θερμοκρασίας που παράχθηκε με βάση τις προσδιορισθείσες συγκεντρώσεις των αλκενονών, προκύπτει ότι τα ιζήματα στη περιοχή αποτέθηκαν κατά την διάρκεια μια θερμής περιόδου η οποία όμως φαίνεται να διακόπηκε από την ύπαρξη τριών ψυχρών κλιματικών συμβάντων μικρής διάρκειας. Από τον συσχετισμό της παλαιοθερμοκρασίας με την καμπύλη ισοτόπων οξυγόνου τόσο για την περιοχή της Μεσογείου (Mediterranean δ18O stacked record) όσο και την παγκόσμιακλιματική καμπύλη ισοτόπων (LR04 stack), τα ψυχρά αυτά συμβάντα που παρατηρήθηκαν κατά τα χρονικά διαστήματα 3.91Ma, ~ 3.58 Ma και μεταξύ 3.31– 3.32 Ma, φαίνεται ν’ αντιστοιχούν στα ψυχρά ισοτοπικά στάδια MIS Gi16, MIS MG12 και MIS M2.