Multiproxy paleoenvironmental and paleoclimatic analysis in biota-rich sediments of North and South Aegean Sea during the last 21ka

Abstract

Aspects of paleoclimatic and paleoceanographic evolution of the north Aegean Sea through the late Quaternary are revealed by the study of quantitative variations in planktonic foraminiferal, and pteropodal assemblages (including multivariate statistical approach; principal component analysis (PCA)), the isotopic composition of planktonic foraminifera (δ18O and δ13C); and hydrographic-related indices (planktonic paleoclimatic curve (PPC), productivity (E-index), stratification (S-index), upwelling (U-index), seasonality), extracted from three high-sedimentation rate cores from the North and South Aegean Sea (North Aegean Trough and the submarine area between Kimolos and Sifnos islands). Based on the statistical analysis, besides sea surface temperature (SST), which shows the highest explanatory power for the distribution of the analyzed fauna, primary productivity, water column stratification, and seasonality also control the planktonic foraminifera and pteropod communities during the late Quaternary. Pteropod fauna during the Holocene and especially the sapropel deposition were recorded for the first time in the Aegean Sea.Focusing on last ~21 calibrated thousands of years before present (ka BP), cold and eutrophicated conditions were identified during the Late Glacial period (21.1–15.7 ka BP) and were followed by warmer and wetter conditions during the deglaciation phase. The beginning of the Holocene was marked by a climatic amelioration and increased seasonality. The more pronounced environmental changes were identified during the deposition of the sapropel layer/sublayers, with extremely warm and stratified conditions S1a (9.4–7.7 ka BP) and S1b (6.9–6.4 ka BP) in the south Aegean Sea and warm and humid phase at the north Aegean Sea (9.6–6.1 ka BP).The Holocene climatic instability of the study area is further supported by six episodes of brief cooling in the North Aegean (NAEGC6–NAEGC1) centered at 9.30, 8.05, 7.05, 4.55, 3.55, and 2.05 ka BP, and two in the south Aegean Sea (SAEGC2–SAEGC2) centered at 7.35 and 5.35 ka BP, reflected by significant faunal changes and oxygen isotope enrichments. These cold/arid events are coeval with equivalent cooling events that have been described in different basins of the Mediterranean Sea, while signal similarities with equivalent changes in the intensity of the Siberian high suggest a climatic link between the studied area and the high-latitude areas.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν οι πανίδες των πλαγκτονικών τρηματοφόρων και πτεροπόδων σε ιζήματα του Ανώτερου Τεταρτογενούς από τρεις πυρήνες βαρύτητας του Αιγαίου Πελάγους, με στόχο την παλαιοπεριβαλλοντική και παλαιοκλιματική ανασύνθεση. Συγκεκριμένα επιλέχθηκαν προς μελέτη δύο πυρήνες από την Τάφρο του Βορείου Αιγαίου και ένας από την υποθαλάσσια περιοχή μεταξύ των νήσων Κιμώλου και Σίφνου. Οι περιοχές αυτές επιλέχθηκαν καθώς παρουσιάζουν υψηλούς ρυθμούς ιζηματογένεσης και ιδιαίτερες φυσιογεωγραφικές και υδρολογικές συνθήκες, καθιστώντας δυνατή την μελέτη των παλαιοκλιματικών διακυμάνσεων.Για την επίτευξη της διατριβής έγιναν μικροπαλαιοντολογικές αναλύσεις των συναθροίσεων των πλαγκτονικών τρηματοφόρων και πτεροπόδων που συλλέχθηκαν από τους πυρήνες. Για πρώτη φορά έγινε καταγραφή των κάτω Πλειστοκαινικών και Ολοκαινικών συναθροίσεων των πτεροπόδων για το Αιγαίο Πέλαγος. Επιπλέον έγιναν ισοτοπικές αναλύσεις σε κελύφη των πλαγκτονικών τρηματοφόρων τόσο για την χρονολόγηση των πυρήνων (14C) όσο και για την παροχή πληροφοριών για τις κλιματικές μεταβολές (δ18Ο & δ13C). Στη συνέχεια έγινε στατιστική επεξεργασία των συναθροίσεων (πολυπαραγοντική ανάλυση) με στόχο τον εντοπισμό των περιβαλλοντικών παραγόντων που ελέγχουν την εξάπλωση των πανίδων.Οι συναθροίσεις των πτεροπόδων του Ανώτερου Τεταρτογενούς περιλαμβάνουν 13 είδη πτεροπόδων (H. inflatus, L. bulimoides, L. retroversa, L. trochiformis, C. acicula, Creseis sp., B. chierchiae, H. striata, S. Subula, C. pyramidata, C. cuspidata, Cavolinia sp.) εκ των οποίων τα 11 είναι κοινά και για τις δύο περιοχές. Οι διαφορές που εντοπίζονται στην πανίδα (L. bulimoides και C. cuspidata) οφείλονται στις διαφορετικές φυσικογεωγραφικές και κλιματικές συνθήκες μεταξύ βορείου και νοτίου Αιγαίου. Με βάση τα οικολογικά χαρακτηριστικά των πτεροπόδων δημιουργήθηκε ένας δείκτης για την στρωματοποίηση της υδάτινης στήλης (λόγος Επιπελαγικών – Μεσοπελαγικών ειδών [E\M]). Από την πολυπαραγοντική ανάλυση που έγινε στις πανίδες των πλαγκτονικών τρηματοφόρων και πτεροπόδων, διαπιστώθηκε πως η επιφανειακή θαλάσσια θερμοκρασία παίζει τον κύριο ρόλο στην εξάπλωσή τους. Ωστόσο, η παραγωγικότητα των υδάτων, ο βαθμός στρωματοποίησης της υδάτινης στήλης, τα ανοδικά ρεύματα και η εποχικότητα είναι επίσης παράγοντες που ελέγχουν την κατανομή τόσο των πλαγκτονικών τρηματοφόρων όσο και των πτερόποδων. Βάση της πολυπαραγοντικής ανάλυσης που έγινε, διαπιστώθηκε επίσης και ο βαθμός που επηρεάζει κάθε παράγοντας τις διαφορετικές πανίδες στις διαφορετικές περιοχές.Η συσχέτιση και ο συνδυασμός των παραπάνω μεθόδων παρείχαν σημαντικές πληροφορίες για την παλαιοπεριβαλλοντική και παλαιοκλιματική εξέλιξη της ανατολικής Μεσογείου. Κατά το τέλος της Παγετώδους Περιόδου (21.1–15.7 ka BP), ψυχρές και ευτροφικές συνθήκες επικρατούσαν, οι οποίες ακολουθούνται από θερμότερες και πιο υγρές κατά την περίοδο της αποπαγοποίησης. Το Ολόκαινο χαρακτηρίζεται από καλυτέρευση των κλιματικών συνθηκών. Οι πιο έντονες περιβαλλοντικές μεταβολές αυτή την περίοδο εντοπίστηκαν κατά τα διαστήματα απόθεσης του σαπροπηλού S1 (νότιο Αιγαίο: S1a 9.4–7.7 ka BP και S1b 6.9–6.4 ka BP, βόρειο Αιγαίο: S1 9.6–6.1 ka BP), όπου θερμές συνθήκες σε συνδυασμό με έντονη στρωματοποίηση της υδάτινης στήλης καταγράφονται.Τέλος, με βάση τις πανιδικές μεταβολές και τα ισότοπα οξυγόνου (δ18Ο) αναγνωρίστηκαν έξι (6) ψυχρά επεισόδια στο βόρειο Αιγαίο (NAEGC6–NAEGC1) με ηλικιακό επίκεντρο τα 9.30, 8.05, 7.05, 4.55, 3.55, και 2.05 ka BP, και δύο (2) στο νότιο Αιγαίο (SAEGC2–SAEGC2) με επίκεντρο τα 7.35 και 5.35 ka BP. Αυτά τα ψυχρά/ξηρά επεισόδια συμπίπτουν με παρόμοια επεισόδια που έχουν περιγραφεί από άλλες θέσεις της δυτικής, κεντρικής και ανατολικής Μεσογείου, και συνδέονται επίσης με άλλα υψηλότερων γεωγραφικών πλατών.