@misc{10481/93127,
year = {2024},
url = {https://hdl.handle.net/10481/93127},
abstract = {Climate change has significantly altered the ocean in recent decades, leading to declining oxygen
levels in both open ocean and coastal waters. This decline is a major concern as it limits
productivity, biodiversity, and affects biogeochemical cycles. This thesis investigates the drivers
and long-term implications of marine deoxygenation and productivity changes in the
Mediterranean Sea by integrating paleoceanographic reconstructions from marine paleoarchives.
The Mediterranean's deep-marine paleoarchives offer exceptional examples of climate
oscillations, resulting in the formation of sapropels and organic-rich layers (ORLs) corresponding
to deoxygenation events. These events have occurred periodically over millions of years,
impacting both Eastern and Western Mediterranean basins. This study employs diverse analytical
techniques, principally geochemical analyses, coupled with ichnology, and dinoflagellate
analysis, to better understand Mediterranean responses to deoxygenation events and climate
variations, as well as to achieve a better comprehension of the geochemical signals produced in
such scenarios.
The thesis analyzed five recent sapropels (S1, S5, S6, S7, and S8) from three Eastern
Mediterranean locations (Eratosthenes Seamount, Ionian Abyssal Plain and Mediterranean ridge)
using various paleoceanographic models derived from empirical geochemical data obtained from
well-investigated modern marine systems. Findings reveal that regional climate conditions
heavily influence the frequency and intensity of oxygen depletion, with deeper sites being more
vulnerable to water-mass restriction and deoxygenation. During sapropel deposition, local
intensity of particulate shuttling of organic and inorganic aggregates to deep-waters enhanced
burial fluxes of trace metals (e.g., Mo, Cu, Co, Ni and V), affecting sediment composition and
redox thresholds values of geochemical redox proxies. Additionally, water-mass exchange
between the Western and Eastern Mediterranean (which is more intense during colder periods),
influences dissolve trace metal budgets in Eastern Mediterranean deep basins. The comprehensive
assessment of a large geochemical dataset gathered from the five sapropel layers at the three
Eastern Mediterranean locations has allowed us a further understanding of the resulting redox
geochemical signals and intervals produced in deep-marine settings during deoxygenation events
as well as the associated early diagenesis processes across different local hydrogeographic
conditions. Postdepositional processes significantly influenced the syndepositional redox signals,
with Mn-oxyhydroxides and pyrite (FeS2) playing crucial roles in trapping and scavenging
dissolved redox-sensitive trace metals during early diagenesis. Mo is particularly efficiently
trapped by Mn-oxyhydroxides and pyrite, highlighting the importance of considering
postdepositional remobilization when interpreting Mo signals. Additionally, dissolved U, usually
not linked with sulfides, may be trapped by underlying synsapropel pyrite framboids and large euhedral crystals during postdepositional oxidation, possibly via physical adsorption onto large
pyrite surfaces. Analyzing sapropel S7 (deposited ~ 195 thousand years ago) at Eratosthenes
Seamount as a case study has demonstrated how Chondrites, a common trace fossil in deepmarine
and organic-rich sediments, can introduce oxygenated water beneath the sediment-water
interface. This enhances bioirrigation and porewater ventilation, leading to postdepositional
diffusion of trace metals. Results indicate that Chondrites bioturbation can dilute syndepositional
concentrations of key paleoceanographic trace metals (e.g., Mo, U, and Ni) by over 10% and
disrupt sedimentary features, altering mineral and organic-matter distribution. This highlights
their significant influence on biogeochemical processes, sediment dynamics, and trace metal
cycling in deep-marine environments.
A thorough analysis of oceanographic changes in Alboran Sea Basin over the past 13,000 years,
using geochemical proxies and dinoflagellates analysis, has demonstrated the productivity
response to regional climate variability at millennial and centennial timescale. Humid periods,
controlled by both orbital (e.g., insolation cyclicity) and suborbital forcing factors as negative
North Atlantic Oscillation (NAO) pattern, enhanced marine productivity by boosting nutrient
availability through increased river discharges. Despite lower productivity during dry periods
(e.g., last 4.2 thousand years), the region has maintained higher productivity in comparison with
most Mediterranean regions due to active upwelling systems driven by a persistent positive NAO
pattern. The positive NAO pattern results from the southward migration of the Intertropical
Convergence Zone around 6.5 ka, in response to orbital forcing, shaping climatic patterns in the
Westernmost Mediterranean, and subsequently marine productivity dynamics in Alboran Sea.
These findings improve our understanding of marine ecosystem long-term responses to climate
change and stress the importance of multiproxy approaches for accurate reconstructions in the
Westernmost Mediterranean. Moreover, the multiproxy approach of this study highlights the
limitations of using the Ba/Al ratio as a proxy for productivity in low productivity settings in
which very high detrital input overprinted the relatively low pelagic barite accumulation rates. In
contrast, the dinoflagellates analysis was revealed as a more robust proxy for marine productivity
reconstructions in the Westernmost Mediterranean.
Overall, this thesis enhances our understanding of how deep-marine settings respond to changes
in water-column circulation as a result of climatic variability. It offers new insights on the redox
geochemical signals observed in organic-rich sediments deposited during deoxygenation events
in deep-marine environments. Additionally, it elucidates the impacts of early postdepositional
processes (e.g., oxidation and hydrogen sulfide diffusion) and bioturbation on redox geochemical
signals. Furthermore, it provides paleoperspectives on the long-term primary productivity
responses to climate change in the Mediterranean Sea.},
abstract = {El cambio climático ha alterado considerablemente el océano en las últimas décadas, provocando
un descenso de los niveles de oxígeno tanto en el océano abierto como en aguas costeras. Este
descenso es motivo de gran preocupación, ya que limita la productividad y la biodiversidad y
afecta a los ciclos biogeoquímicos. Esta tesis investiga los factores de control y las implicaciones
a largo plazo de la desoxigenación marina y los cambios de productividad en el mar Mediterráneo
mediante la integración de reconstrucciones paleoceanográficas obtenidas del análisis de
paleoregistros marinos. En el caso del Mediterráneo, estos paleoregistros ofrecen ejemplos
excepcionales de oscilaciones climáticas, que dieron lugar a la formación de sapropeles y capas
ricas en materia orgánica (Organic-Rich layers, ORLs) caracterizados por episodios de
desoxigenación. Estos sedimentos se han depositado periódicamente a lo largo de millones de
años, tanto en las cuencas orientales como occidentales del Mediterráneo. Así, este estudio ha
utilizado diversas técnicas analíticas, principalmente análisis geoquímicos, junto con estudios
icnologicos y de dinoflagelados, para comprender mejor las respuestas del Mediterráneo a los
eventos de desoxigenación y a las variaciones climáticas, además de alcanzar una mejor
comprensión de las señales geoquímicas registradas en estos sedimentos.
En esta tesis se han analizado cinco sapropeles (S1, S5, S6, S7 y S8) recuperados en tres ambientes
deposicionales diferentes en el Mediterráneo oriental (cima del monte submarino Eratóstenes,
llanura abisal de la cuenca Jónica y Dorsal Mediterránea). Se han utilizado diversos modelos
paleoceanográficos derivados de datos geoquímicos empíricos obtenidos en sistemas marinos
actuales. Los resultados han puesto de manifiesto que las condiciones climáticas regionales
influyen en gran medida en la frecuencia e intensidad del consumo de oxígeno, siendo los
ambientes profundos los más vulnerables a la restricción de la masa de agua y a la desoxigenación.
Durante el depósito de sapropeles, la intensidad local de la transferencia de partículas de
agregados orgánicos e inorgánicos a aguas profundas conllevó el aumento de las tasas de
enterramiento de metales traza (por ejemplo, Mo, Cu, Co, Ni y V), lo que afectó a la composición
de los sedimentos y a los valores de los umbrales redox de los indicadores geoquímicos. Además,
el intercambio de masas de agua entre el Mediterráneo occidental y oriental (más intenso durante
los periodos más fríos), influye en los balances de metales traza disueltos en las cuencas profundas
del Mediterráneo oriental. La integración de un amplio conjunto de datos geoquímicos
procedentes de los sapropeles estudiados en los tres ambientes del Mediterráneo Oriental ha
permitido comprender mejor las señales geoquímicas redox resultantes, así como las
características del depósito en ambientes profundos durante eventos de desoxigenación.
Asimismo, se han evaluado los procesos de diagénesis temprana asociados a diferentes
condiciones hidrogeográficas locales. Los procesos postdeposicionales influyeron significativamente en las señales redox sindeposicionales, desempeñando los Mn-oxihidróxidos
y la pirita (FeS2) un papel crucial como sumidero de metales traza disueltos durante la diagénesis
temprana. El Mo suele ser atrapado eficientemente por oxihidróxidos de Mn y pirita, destacándose
así la importancia de considerar la removilización postdeposicional para la correcta interpretación
de las señales de Mo. Adicionalmente, el U disuelto, normalmente no ligado a sulfuros, puede ser
atrapado por framboides de pirita y por los grandes cristales euhedrales subyacentes a la capa rica
en materia orgánica durante la oxidación postdeposicional, posiblemente vía adsorción física
sobre superficies cristalinas de pirita. El análisis detallado del sapropel S7 (depositado hace ~
195.000 años) en el Monte submarino Eratóstenes (seleccionado como caso de estudio) ha
demostrado cómo Chondrites, una traza fósil común en sedimentos marinos profundos y ricos en
materia orgánica, pueden introducir agua con alto contenido en oxígeno bajo la interfaz
sedimento-agua. Esto favorece la bioirrigación y la ventilación del agua intersticial, lo que
provoca la difusión postdeposicional de metales traza. Los resultados obtenidos indican que la
presencia de Chondrites puede diluir las concentraciones sindeposicionales de metales traza
utilizados como indicadores geoquímicos (por ejemplo, Mo, U y Ni) en más de un 10% y así
alterar las características sedimentarias, modificando la distribución de minerales y materia
orgánica. Esto pone de relieve su influencia en los procesos biogeoquímicos, la dinámica de los
sedimentos y el ciclo de los metales traza en los ambientes marinos profundos.
Un análisis exhaustivo de los cambios oceanográficos en la cuenca del Mar de Alborán durante
los últimos 13.000 años, utilizando indicadores geoquímicos y análisis de dinoflagelados, ha
demostrado la respuesta de la productividad a la variabilidad climática regional en escalas
temporales de miles y cientos de años. Los periodos húmedos, controlados por factores de
influencia orbital (por ejemplo, la ciclicidad de la insolación) y suborbital como el patrón negativo
de la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), dieron lugar a un aumento de la productividad marina
debido a la mayor la disponibilidad de nutrientes derivada del incremento de la descarga fluvial.
A pesar de la menor productividad durante los periodos secos (por ejemplo, los últimos 4.200
años), la región ha mantenido una mayor productividad relativa en comparación con otras
regiones mediterráneas debido a la actividad de los sistemas de aporte marino durante periodos
con un patrón positivo persistente de la NAO. Este patrón positivo de la NAO es el resultado de
la migración hacia el sur de la Zona de Convergencia Intertropical en torno a 6,5 ka, en respuesta
a la influencia orbital, lo que configura los patrones climáticos en el Mediterráneo más occidental,
así como la dinámica de la productividad marina en el Mar de Alborán.
En conjunto, esta tesis contribuye al mejor entendimiento de la respuesta de los ambientes marinos
profundos a la variabilidad climática y a los cambios en la circulación en la columna de agua.
Además, proporciona evidencias para el mejor entendimiento de los indicadores geoquímicos habitualmente utilizados en la reconstrucción de las condiciones de depósito de sedimentos ricos
en materia orgánica durante episodios de desoxigenación en medios marinos profundos.
Asimismo, se ha avanzado en el conocimiento del impacto de los procesos postdeposicionales
tempranos (por ejemplo, oxidación y difusión de sulfuro de hidrógeno) y de la bioturbación en
las señales geoquímicas. Por otra parte, proporciona paleoperspectivas sobre las respuestas a largo
plazo de la productividad primaria al cambio climático en el Mediterráneo.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
organization = {MICIU/AEI/10.13039/501100011033},
organization = {Unión Europea NextGeneration EU/PRTR},
organization = {Junta de Andalucía P18-RT-3804 y P18-RT-4074 (cofinanciados por Fondos Europeos de Desarrollo Regional (FEDER)},
publisher = {Universidad de Granada},
title = {Paleoredox conditions and productivity oscillations in the Mediterranean: implications for reconstructing deoxygenation dynamics and responses to ocean stressors},
author = {Monedero Contreras, Ricardo David},
}