Depositional environment development and ecosystem response in the Gulf of Corinth during the quaternary climatic cycles

Abstract

The Gulf of Corinth (GoC) underwent multiple phases of connection and isolation from the Mediterranean Sea during the Quaternary global sea-level fluctuations. This study presents a comprehensive paleoenvironmental analysis of the Quaternary aquatic ecosystems in the GoC, focusing on organic-walled dinoflagellate cysts, Non-Pollen Palynomorphs, and paleoenvironmental (foraminiferal and diatoms) and geochemical data from IODP Exp. 381 during its onshore and offshore phases. The research spans the last 1.1 million years, exploring alternations between marine and brackish conditions during glacial-interglacial transitions. The study's unique contribution lies in the examination of the semi-isolated basin of the GoC, shedding light on paleoenvironmental and paleoclimatic conditions shaped by sea-level fluctuations, tectonics, and ocean circulation. The geological and tectonic context of the GoC, within the Hellenic arc system, adds complexity to the basin's evolution. The basin's formation, tectonic activity, and geological units, emphasizing its significance as a natural laboratory for research in continental rifting, seismicity, active tectonics, uplifting, and subduction processes. The Quaternary sedimentary record, accumulated over 2.5 km and reflecting the basin's complete geological history, unveils the interplay of sea-level fluctuations and sediment input from rivers. The study establishes the crucial role of the Rion Strait in connecting the GoC to the Mediterranean Sea and explores changes in connectivity during various Marine Isotope Stages (MIS). The micropaleontological analysis of dinoflagellate cyst assemblages provide insights into past salinity gradients and environmental responses to basin transitions. Distinct Dinoflagellate Super Zones (DSZs) reveal the complex history of the GoC, highlighting periods of isolation, brackish conditions, and marine connectivity. Each DSZ corresponds to specific MIS, describing environmental shifts during glacial and interglacial intervals. The life cycle of organic-walled dinoflagellates plays a criticalrole in the preservation of dinoflagellate cysts as reliable indicators of past environmental conditions. The detailed analysis of DSZs showcases the alternations between freshwater and marine conditions, providing a detailed understanding of the basin's dynamics. Comparison with other basins such as the Black Sea, Sea of Marmara, and Caspian Sea dinocyst assemblages’ underscores affinities and differences, emphasizing the importance of considering regional contexts. The study's correlation with onshore expedition data enhances its relevance, contributing to a holistic understanding of the GoC's Quaternary paleoenvironmental dynamics. The proxies mentioned above combined, suggest that the GoC was repeatedly isolated and reconnected to the Mediterranean Sea during global sea-level lowstands associated with glacials and marine water flowed into the basin during the eustatic highstands associated with interglacials. In summary, geological, tectonic, geochemical and micropaleontological perspectives facilitate to unravel the Quaternary environmental evolution of the GoC. The findings contribute valuable insights into basin dynamics, sea-level fluctuations, and regional climate variability.

Ο Κορινθιακός Κόλπος υπέστη πολλαπλές φάσεις σύνδεσης και απομόνωσης από τη Μεσόγειο Θάλασσα κατά τη διάρκεια των παγκόσμιων διακυμάνσεων της στάθμης της θάλασσας κατά το Τεταρτογενές. Αυτή η μελέτη παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη παλαιοπεριβαλλοντική ανάλυση των τεταρτοταγών υδάτινων οικοσυστημάτων στην περιοχή του Κορινθιακού κόλπου, εστιάζοντας στην ανάλυση των κύστεων των δινομαστιγωτών, άλλων παλυνόμορφων (πρασινοφύκη, foraminifera test linings) και σε παλαιοπεριβαλλοντολογικά (μικροπαλαιοντολογικοί, παλαιοπεριβαλλοντικοί δείκτες, όπως τα τρηματοφόρα και τα διάτομα) και γεωχημικά δεδομένα από την αποστολή Exp. 381 του IODP κατά τη διάρκεια των χερσαίων και θαλάσσιων ερευνών. Η έρευνα εκτείνεται σε 1,1 εκατομμύρια χρόνια πριν από σήμερα, διερευνώντας τις εναλλαγές μεταξύ θαλάσσιων και υφάλμυρων συνθηκών κατά τη διάρκεια παγετωδών-μεσοπαγετωδών μεταβάσεων. Αυτό που κάνει την συγκεκριμένη μελέτη μοναδική έγκειται στην εξέταση της ημι-απομονωμένης λεκάνης του Κορινθιακού κόλπου, καθώς αποκαλύπτει τις παλαιοπεριβαλλοντικές και παλαιοκλιματικές συνθήκες που διαμορφώνονται από τις διακυμάνσεις της στάθμης της θάλασσας, την τεκτονική και την κυκλοφορία των υδάτων. Το γεωλογικό και τεκτονικό πλαίσιο του Κορινθιακού, εντός του ελληνικού τόξου, προσθέτει πολυπλοκότητα στηνεξέλιξη της λεκάνης. Ο σχηματισμός της λεκάνης, η ενεργή τεκτονική δραστηριότητα, τα ρήγματα, η σεισμικότητα, οι διαδικασίες ανύψωσης και καταβύθισης καθώς επίσης και οι γεωλογικές ενότητες, τονίζουν τη σημασία της ως ένα φυσικό, γεωλογικό και μικροπαλαιοντολογικό εργαστήριο έρευνας. Το τεταρτογενές ιζηματογενές αρχείο, που έχει συσσωρευτεί σε πάνω από 2,5 χιλιόμετρα ιζημάτων και αντικατοπτρίζει την πλήρη γεωλογική ιστορία της λεκάνης, αποκαλύπτει την αλληλεπίδραση των διακυμάνσεων της στάθμης της θάλασσας και της εισόδου αποθέσεων από τα γειτονικά ποτάμια. Εδώ καθορίζεται ο κρίσιμος ρόλος του στενού του Ρίου στη σύνδεση της λεκάνης του Κορινθιακού κόλπου με τη Μεσόγειο Θάλασσα και διερευνώνται οι αλλαγές στη σύνδεση και αποκοπή της με την ανοιχτή θάλασσα κατά τη διάρκεια των διαφόρων ισοτοπικών σταδίων (MIS). Η μικροπαλαιοντολογική ανάλυση τωνσυγκεντρώσεων των κύστεων των δινομαστιγωτών παρέχει πληροφορίες σχετικά με την αλατότητα, την θερμοκρασία, το βάθος των υδάτων και τις περιβαλλοντικές και κλιματικές διακυμάνσεις της λεκάνης. Οι ζώνες των δινομαστιγωτών (Dinoflagellate Super Zones – DSZs) αποκαλύπτουν την περίπλοκη ιστορία του Κορινθιακού, επισημαίνοντας περιόδους απομόνωσης, με υφάλμυρες συνθήκες και θαλάσσια εισροή υδάτων, με αύξηση της αλατότητας αλλά και μεγάλη ποικιλία σε διαφορετικά είδη δινομαστιγωτών. Κάθε DSZ αντιστοιχεί σε συγκεκριμένα MIS, περιγράφοντας περιβαλλοντικές μετατοπίσεις κατά τη διάρκεια παγετωδών και μεσοπαγετωδών διαστημάτων. Ο κύκλος ζωής των οργανικής σύστασης δινομαστιγωτών διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στη διατήρηση των κυστών, και τα μετατρέπει σε αξιόπιστους και ευαίσθητους δείκτες αναγνώρισης των περιβαλλοντικών αλλαγών. Η λεπτομερής ανάλυση των ζωνών παρουσιάζει τις εναλλαγές μεταξύ γλυκού/υφάλμυρου νερού και θαλάσσιων συνθηκών, παρέχοντας μια λεπτομερή κατανόηση της δυναμικής της λεκάνης. Οι συγκρίσεις με άλλες λεκάνες όπως η Μαύρη Θάλασσα, η Θάλασσα του Μαρμαρά και η Κασπία Θάλασσα υπογραμμίζουν τις ομοιότητες και τις διαφορές, τονίζοντας τη σημασία της εξέτασης των περιφερειακών λεκανών. Η συσχέτιση της μελέτης με τα δεδομένα από την χερσαία αποστολή του IODP Exp. 381, συμβάλλει στην ολιστική κατανόηση της παλαιοπεριβαλλοντικής δυναμικής του Τεταρτογενούς του Κορινθιακού κόλπου και επιβεβαιώνει τα αποτελέσματα που έχουν εξαχθεί στην παρούσα έρευνα. Συνθέτοντας όλα τα παραπάνω δεδομένα, και λαμβάνοντας υπόψιν τα αποτελέσματα της έρευνας γίνεται φανερό ότι ο Κορινθιακός κόλπος απομονωνόταν και επανασυνδεόταν επανειλημμένα με την Μεσόγειο θάλασσα κατά την διάρκεια των παγκόσμιων αλλαγών της θάλασσας κατά το Τεταρτογενές, αλλάζοντας τις κλιματικές και περιβαλλοντικές συνθήκες (π.χ., SSS, SST). Τελειώνοντας, γίνεται φανερό ότι η εξέλιξη λεκανών αντίστοιχων με τον Κορινθιακό κόλπο, καθώς επίσης και η ανασύσταση των περιβαλλοντικών και κλιματικών συνθηκών που επικρατούσαν εκεί κατά το παρελθόν βασίζεται σε πολλές και διαφορετικές μελέτες, όπως γεωλογικές, σεισμικές, γεωχημικές και φυσικά μικροπαλαιοντολογικές. Τα ευρήματα που παρατίθενται παρακάτω αναλυτικά συνεισφέρουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τη δυναμική και την εξέλιξη της λεκάνης, τις διακυμάνσεις της στάθμης της θάλασσας και την μεταβλητότητα του κλίματος και του περιβάλλοντος και τις συνέπειες που έχουν αυτά στα θαλάσσια οικοσυστήματα.