Calcareous nannoplankton response to a high CO2 world: evidence from sediment traps (Aegean and Ionian Seas) and Pliocene paleofluxes

Abstract

One of the most enigmatic features of long-term Cenozoic climatic evolution, with some analogue potential for present/ future global climate change, is the last sustained warm and high-atmospheric CO2 interval in Earth's history. The Pliocene is the most recent period in Earth's history when average global temperature, atmospheric CO2 concentrations, and sea level were higher than today. This time period offers an appropriate interval to understand the climatic processes of a warm, high CO2 world, similar to the ongoing climatic conditions. Also, due to the high absorption capacity of the Eastern Mediterranean to anthropogenic CO2, the study area (Aegean and Ionian seas) is an ideal location to assess the impact of anthropogenic ocean acidification on calcifying organisms. The main objective of the present study is to investigate calcareous nannoplankton fluxes in the NE Mediterranean Sea as recorded by sediment traps and paleoceanographic records. The study material is collected from sediment traps in the Aegean and Ionian Seas and from the sedimentary record of the Eastern Mediterranean Deep Sea Drilling Project (DSDP Leg42A, Site 378). In the present study, coccolith fluxes from sediment traps were examined and compared in different sites of the Aegean and Ionian Seas. Data were compared in order to define the spatial and seasonal variability in assemblage composition and coccolithophore fluxes. The present study reflects in the coccolithophore export productivity the context of biogenic sedimentation in the water column. Furthermore, a water and sediment trap samples (N.Aegean Sea) analysis was carried out and through the comparison with data derived from surface sediment of the same site, valuable information were provided on the alterations observed in coccolithophore assemblage composition during their export from the euphotic zone to the seafloor. In addition, the morphometric analysis of coccoliths contributed to the investigation of water masses in the water column of the North Aegean Sea. In the DSDP core data we focus on the "warm Pliocene" interval, after the Zanclean "flooding" phenomenon in the Aegean after the Messinian Mediterranean Salinity Crisis (Zanclean reflooding). According to the detailed biostratigraphy and the derived age model, this study presents a composite dataset of the two boreholes of DSDP-Leg42A-Site 378 for the interval 3.8-5.08Ma. Subsequently, we studied how coccolithophores adapted to the Pliocene environment by quantifying their abundance through paleofluxes, species composition and correlation with geochemical paleo-indices analyses performed on the core material. In addition, the DSDP sedimentary record provided evidence on the Zanclean reflooding mechanism in the Cretan Basin. This study aims to improve our understanding of long-term adaptation strategies of calcareous nannoplankton in warm, high-CO2 climates by combining present-day evidence with Lower Pliocene fossil time series.

Ένα από τα πιο αινιγματικά χαρακτηριστικά της μακροχρόνιας κλιματικής εξέλιξης του Καινοζωικού, με αναλογικές δυνατότητες για την παρούσα / μελλοντική παγκόσμια αλλαγή του κλίματος, είναι το τελευταίο μακρόχρονο θερμό διάστημα με υψηλό ατμοσφαιρικό CO2 στην ιστορία της Γης. Το Πλειόκαινο είναι η πιο πρόσφατη περίοδος στην ιστορία της Γης όπου η μέση παγκόσμια θερμοκρασία, οι συγκεντρώσεις του ατμοσφαιρικού CO2 και το επίπεδο της θάλασσας ήταν υψηλότερα από σήμερα. Αυτή η χρονική περίοδος προσφέρει ένα κατάλληλο διάστημα για την κατανόηση των κλιματικών διεργασιών ενός θερμού κόσμου με υψηλό CO2, παρόμοιο με τις σύγχρονες κλιματικές συνθήκες. Επίσης, λόγω της υψηλής απορροφητικής ικανότητας της Αν. Μεσογείου στο ανθρωπογενές CO2, η περιοχή μελέτης (Αιγαίο και Ιόνιο πέλαγος) είναι μια ιδανική τοποθεσία για να εκτιμηθεί η επίδραση της ανθρωπογενούς οξίνισης των ωκεανών στους οργανισμούς που ασβεστοποιούν. Ο κύριος στόχος της παρούσας μελέτης είναι η διερεύνηση των ροών ασβεστολιθικού νανοπλαγκτού στη ΒΑ Μεσόγειο Θάλασσα όπως καταγράφηκαν από παγίδες ιζημάτων και παλαιοκεανογραφικές καταγραφές. Το υλικό της μελέτης συλλέχθηκε από ιζηματοπαγίδες στο Αιγαίο και το Ιόνιο Πέλαγος και από το υλικό του Eastern Mediterranean Deep Sea Drilling Project (DSDP Leg42A, Site 378). Αρχικά, στην παρούσα μελέτη καταγράφηκαν και συγκρίθηκαν οι ροές των κοκκολιθοφόρων από παγίδες ιζημάτων στο Αιγαίο και Ιόνιο πέλαγος. Τα δεδομένα συγκρίθηκαν προκειμένου να καθοριστεί η χωρική και εποχική μεταβλητότητα στη σύνθεση των συναθροίσεων και στις ροές των κοκκολιθοφόρων. Με την παρούσα μελέτη αντικατοπτρίζεται στην εξαγόμενη παραγωγικότητα των κοκκολιθοφόρων το πλαίσιο της βιογενούς ιζηματογένεσης στην υδάτινη στήλη. Επίσης, πραγματοποιήθηκε ανάλυση δειγμάτων νερού και ιζηματοπαγίδας στο Β.Αιγαίο και η σύγκρισή τους με δεδομένα που προέρχονται από το επιφανειακό ίζημα της ίδιας τοποθεσίας παρείχε πολύτιμες πληροφορίες για τις μεταβολές που παρατηρούνται στις συναθροίσεις των κοκκολιθοφόρων κατά την εξαγωγή τους από την ευφωτική ζώνη και τη βύθισή τους στον θαλάσσιο πυθμένα. Επιπροσθέτως, η μορφομετρική ανάλυση κοκκολίθων, συνέβαλε στη διερεύνηση των υδατικών μαζών στην υδάτινη στήλη του Β.Αιγαίου. Στα δεδομένα του πυρήνα DSDP εστιάσαμε στο διάστημα του «θερμού Πλεικαίνου», μετά το φαινόμενο της «πλημμύρας» του Ζαγκλίου στο Αιγαίο μετά την Μεσσηνιακή Κρίση Αλατότητας της Μεσογείου (Zanclean reflooding). Σύμφωνα με την λεπτομερή βιοστρωματογραφική μελέτη που πραγματοποιήθηκε καθώς και το παραγόμενο ηλικιακό μοντέλο, η παρούσα εργασία παρουσιάζει ένα συνθετικό αρχείο δεδομένων των δύο γεωτρήσεων της τοποθεσίας DSDP-Leg42A-Site 378 για το διάστημα 3,8-5,08Ma. Στη συνέχεια, μελετήθηκε πώς προσαρμόστηκαν τα κοκοκολιθοφόρα στο περιβάλλον του Πλειοκαίνου ποσοτικοποιώντας την αφθονία τους μέσω των παλαιοροών, τη σύνθεση των ειδών και τη συσχέτισή τους με αναλύσεις γεωχημικών παλαιοδεικτών που πραγματοποιήθηκαν στο υλικό του πυρήνα. Επιπλέον, το ιζηματογενές αρχείο DSDP παρείχε στοιχεία για τον μηχανισμό της επαναπλημμύρας του Ζαγκλίου στη Κρητική λεκάνη. Αυτή η μελέτη στοχεύει στη βελτίωση της κατανόησής μας για τις μακροπρόθεσμες στρατηγικές προσαρμογής ασβεστολιθικού νανοπλαγκτού σε θερμά κλίματα υψηλού CO2, συνδυάζοντας τα σημερινά στοιχεία με τις απολιθωμένες χρονοσειρές του Κατώτερου Πλειοκαίνου.