Paleoenvironmental reconstruction of the southeast Red Sea based on XRF core scanning data and complementary environmental proxies

Abstract

In an era of intensifying climate disruption, the southern Red Sea offers a rare sedimentary archive for decoding how marginal marine systems respond to the interplay of hydrological extremes, sea-level rise, and ocean-atmosphere feedbacks. Situated between the arid Saharan and Arabian deserts this region is uniquely positioned to record threshold-driven environmental shifts. This dissertation presents a comprehensive, multiproxy reconstruction of Red Sea paleoenvironmental evolution by integrating high-resolution sediment records from both the open continental shelf and the bathymetrically isolated Farasan Deep. Together, these complementary archives illuminate how sea-level change, hydroclimate variability, and ocean-atmosphere feedbacks drove radical shifts in sedimentation, redox conditions, and ecological structure from the late Pleistocene through the Holocene. In the first study, a high-resolution reconstruction of sedimentation dynamics from the southern Red Sea shelf reveals a marked reorganization of depositional regimes in response to glacial-interglacial transitions. The sediment core, capturing the interval from ca. 30 to 0.8 ka, shows a clear transition from a detrital-dominated regime (30–14.6 ka) to a marine-dominated phase (14.6–0.8 ka), corresponding with the termination of Heinrich Event 1 and the onset of Meltwater Pulse 1a. This transition reflects both the regional hydroclimatic shift from arid to pluvial conditions and the geomorphological reconfiguration due to rapid sea-level rise and shelf flooding. Detrital grain-size distributions and mineralogical data indicate reduced aridity and potentially weakened aeolian transport coinciding with Greenland Interstadial 1. Enhanced delivery of fluvially sourced fine material and terrestrial n-alkanes from ~16 to 8 ka is attributed to intensified wadi runoff and vegetative expansion during the African Humid Period. Concurrently, a surge in marine productivity—driven by re-established exchange with the Gulf of Aden and improved ventilation—highlights the interplay between basin connectivity and nutrient cycling. From ~5 ka onward, the gradual increase in detrital input is interpreted as a signal of Holocene aridification and the retreat of humid climatic conditions. Complementing this open-shelf perspective, the second study focuses on the Farasan Deep, a bathymetrically isolated depression on the carbonate shelf of the southwestern Red Sea. This site captures the transformation of a marginal palaeolake into a stratified marine basin during the Holocene. Multiproxy analyses, including inorganic geochemistry (XRF-CS, LOI), sedimentology, micropaleontology, and lipid biomarkers (GDGTs), reveal a tripartite evolution of the basin's hydrography and ecology. In the early Holocene (11.8–8.7 ka), the Farasan Deep remained largely disconnected from open marine circulation, marked by extreme stratification, persistent anoxia, and microbial-dominated communities. This phase is characterized by laminated organic-rich sediment, elevated GDGT-0/crenarchaeol ratios, and the preferential synthesis of brGMGTs and 6-methyl brGDGTs, signaling suppressed ventilation and an ecologically unique microbial assemblage. A transitional phase (8.7–6.7 ka) is defined by episodic marine incursions and fluctuating redox conditions, evidenced by transient foraminiferal assemblages and shifts in redox-sensitive elemental concentrations. From ~6.7 ka onwards, a fully marine yet strongly anoxic environment became established, with stable enrichments in calcium, iron, and sulfur and a benthic ecosystem increasingly dominated by infaunal taxa tolerant of low-oxygen conditions. Together, the two records provide a detailed reconstruction of late Pleistocene to Holocene environmental dynamics in the southern Red Sea. They underscore the spatial heterogeneity of sedimentary and ecological responses to climate forcing, governed by local basin morphology, connectivity to oceanic circulation, and the balance between aeolian and fluvial inputs. Moreover, they highlight the importance of sea-level rise not only in shaping geomorphology but also in modulating biogeochemical conditions and microbial ecology in marginal marine settings. The integrated multiproxy approach employed here enables a high-resolution temporal perspective on the cascading effects of climatic and oceanographic reorganization, from terrestrial runoff and sediment transport to redox stratification and microbial shifts. These findings contribute to a growing understanding of how tropical marginal basins responded to orbitally forced hydroclimate variability, abrupt climate events, and postglacial marine transgressions. Importantly, the redox-sensitive carbon cycling processes, sediment delivery mechanisms, and stratified water column dynamics reconstructed for the southern Red Sea during the last deglaciation and Holocene provide valuable analogues for predicting future responses of similar coastal systems under anthropogenically forced climate change and accelerating sea-level rise.

Σε μια εποχή εντεινόμενης κλιματικής μεταβολής, η νότια Ερυθρά Θάλασσα προσφέρει ένα σπάνιο ιζηματογενές αρχείο για την αποκωδικοποίηση του τρόπου με τον οποίο τα οριακά θαλάσσια συστήματα ανταποκρίνονται στην αλληλεπίδραση υδρολογικών φαινομένων, ανόδου της στάθμης της θάλασσας και ανατροφοδοτήσεων ωκεανού-ατμόσφαιρας. Η Ερυθρά θάλασσα βρίσκεται ανάμεσα στις άνυδρες ερήμους της Σαχάρας και της Αραβικής Χερσονήσου και κατέχει μια μοναδική γεωγραφική θέση που της επιτρέπει να καταγράφει ακραίες περιβαλλοντικές μεταβολές. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη, πολυπαραμετρική ανακατασκευή της παλαιοπεριβαλλοντικής εξέλιξης της Ερυθράς Θάλασσας, μέσω της ενσωμάτωσης υψηλής ανάλυσης ιζηματογενών αρχείων από την ανοικτή ηπειρωτική υφαλοκρηπίδα και το βαθυμετρικά απομονωμένο Βύθισμα των Φαρασάν. Μαζί, αυτά τα συμπληρωματικά αρχεία αποκαλύπτουν πώς η μεταβολή της στάθμης της θάλασσας, η υδροκλιματική μεταβλητότητα και οι ανατροφοδοτήσεις ωκεανού-ατμόσφαιρας προκάλεσαν ριζικές μεταβολές στην ιζηματογένεση, στις ανοξικές συνθήκες και στη δομή των οικοσυστημάτων από το ύστερο Πλειστόκαινο έως το Ολόκαινο. Στην πρώτη μελέτη, μια υψηλής ανάλυσης ανακατασκευή της ιζηματογένεσης στην ηπειρωτική κατωφέρεια της νότιας Ερυθράς Θάλασσας αποκαλύπτει μια έντονη αναδιοργάνωση των αποθετικών καθεστώτων ως απόκριση στις μεταβάσεις μεταξύ παγετωδών και μεσοπαγετωδών περιόδων. Ο πυρήνας ιζήματος, που καλύπτει την περίοδο από περίπου 30 έως 0.8 χιλιάδες έτη, δείχνει σαφή μετάβαση από ένα καθεστώς κυριαρχούμενο από κλαστικά υλικά (30–14.6 ka) σε μια θαλάσσια-κυριαρχούμενη φάση (14.6–0.8 ka), η οποία αντιστοιχεί στο τέλος του Heinrich 1 και την έναρξη του MWP1a. Αυτή η μετάβαση αντικατοπτρίζει τόσο την περιφερειακή υδροκλιματική μετατόπιση από ξηρές σε υγρές συνθήκες, όσο και την γεωμορφολογική αναδιάταξη λόγω ταχείας ανόδου της στάθμης της θάλασσας και πλημμύρας της υφαλοκρηπίδας. Οι κατανομές κοκκομετρίας των κλαστικών κόκκων και τα ορυκτολογικά δεδομένα υποδηλώνουν μειωμένη ξηρότητα και πιθανώς εξασθενημένη αιολική μεταφορά, ταυτόχρονα με το Greenland Interstadia 1. Η ενισχυμένη μεταφορά λεπτομερούς υλικού και χερσαίων n-αλκανίων από τα ~16 έως 8 ka αποδίδεται σε εντατικοποιημένη απορροή από τις κοιλάδες (wadi) και επέκταση της βλάστησης κατά τη διάρκεια του African Humid Period. Ταυτόχρονα, η αύξηση της θαλάσσιας παραγωγικότητας—λόγω επανέναρξης της ανταλλαγής με τον Κόλπο του Άντεν και βελτιωμένου αερισμού—αναδεικνύει την αλληλεπίδραση μεταξύ διασυνδεσιμότητας της λεκάνης και κυκλοφορίας θρεπτικών συστατικών. Από περίπου 5 ka και μετά, η σταδιακή αύξηση της κλαστικής εισροής ερμηνεύεται ως ένδειξη υποχώρησης των υγρών κλιματικών συνθηκών και αύξησης της ξηρασίας. Η δεύτερη μελέτη επικεντρώνεται στο Βύθισμα των Φαρασάν, μια βαθυμετρικά απομονωμένη καταβύθιση στο ανθρακικό ράφι της νοτιοδυτικής Ερυθράς Θάλασσας. Αυτή η θέση καταγράφει τον μετασχηματισμό μιας απομονωμένης παλαιολίμνης σε ένα στρωματοποιημένο θαλάσσιο περιβάλλον κατά το Ολόκαινο. Πολυπαραμετρικές αναλύσεις, συμπεριλαμβανομένης της ανόργανης γεωχημείας (XRF-CS, LOI), ιζηματολογίας, μικροπαλαιοντολογίας και βιοδεικτών λιπιδίων (GDGTs), αποκαλύπτουν μια τριμερή εξέλιξη της υδρογραφίας και της οικολογίας της λεκάνης. Κατά το πρώιμο Ολόκαινο (11.8–8.7 ka), το Βύθισμα των Φαρασάν παρέμεινε σε μεγάλο βαθμό αποσυνδεδεμένο από την ανοικτή θαλάσσια κυκλοφορία, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη της έντονης στρωμάτωσης και της επίμονης ανοξίας. Αυτή η φάση χαρακτηρίζεται από στρωματωμένα ιζήματα με αυξημένο οργανικό άνθρακα, αυξημένους λόγους GDGT-0/crenarchaeol και την κυρίαρχη σύνθεση brGMGTs και 6-μεθυλικών brGDGTs, που υποδηλώνουν καταστολή του αερισμού και μία ιδιαίτερη μικροβιακή κοινότητα. Μια μεταβατική φάση (8.7–6.7 ka) ορίζεται από επεισοδιακές θαλάσσιες εισροές και μεταβαλλόμενες συνθήκες οξειδοαναγωγής, όπως αποδεικνύεται από παροδικές αυξομειώσεις των τρηματοφόρων και μεταβολές στις συγκεντρώσεις διαφόρων χημικών στοιχείων. Από περίπου 6.7 ka και μετά, εγκαθίσταται ένα πλήρως θαλάσσιο αλλά έντονα ανοξικό περιβάλλον, με σταθερό εμπλουτισμό σε ασβέστιο, σίδηρο και θείο και ένα βενθικό οικοσύστημα όλο και περισσότερο κυριαρχούμενο από ενδοβενθικά είδη ανθεκτικά σε χαμηλή περιεκτικότητα οξυγόνου. Μαζί, τα δύο αρχεία παρέχουν μια λεπτομερή ανακατασκευή των περιβαλλοντικών δυναμικών από το ύστερο Πλειστόκαινο έως το Ολόκαινο στη νότια Ερυθρά Θάλασσα. Υπογραμμίζουν την ετερογένεια των ιζηματογενών και οικολογικών διεργασιών στην κλιματική μεταβολή, καθοριζόμενων από τη μορφολογία των λεκανών, τη διασυνδεσιμότητα με την ωκεάνια κυκλοφορία και την ισορροπία μεταξύ αιολικής και ποτάμιας εισροής. Επιπλέον, αναδεικνύουν τη σημασία της ανόδου της στάθμης της θάλασσας όχι μόνο στην γεωμορφολογία, αλλά και στη ρύθμιση των βιογεωχημικών συνθηκών και της μικροβιακής οικολογίας σε τέτοια οριακά θαλάσσια περιβάλλοντα. Τα ευρήματα αυτά συμβάλλουν στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι τροπικές περιθωριακές λεκάνες ανταποκρίθηκαν σε τροχιακά εξαναγκασμένες υδροκλιματικές μεταβολές, απότομες κλιματικές μεταβολές και μεταπαγετωνικές θαλάσσιες μεταβολές. Τα ευρήματα αυτά επίσης παρέχουν πολύτιμα ανάλογα για την πρόβλεψη μελλοντικών αντιδράσεων παρόμοιων παράκτιων συστημάτων στην κλιματική αλλαγή και επιταχυνόμενη άνοδο της στάθμης της θάλασσας.