Environmental changes across the Cretaceous/Palaeogene boundary: a high resolution approach for reconstructiong eco-sedimentary conditions

Abstract

La extinción masiva que marcó el límite entre los periodos Cretácico y Paleógeno (KPgB), ocurrida hace ≈66.04 ± 0.02 millones años (Husson et al., 2014), es uno de los eventos más devastadores acaecidos a lo largo de la historia de la vida, siendo la más reciente y mejor estudiada de las "cinco grandes" extinciones en masa que se han producido a lo largo del Fanerozoico (Sepkoski, 1996). En la actualidad, la relación entre la extinción en masa del Cretácico/Paleógeno y el impacto meteorítico está ampliamente aceptada (Schulte et al., 2010). Tanto el cráter del impacto, localizado a principios de los años noventa en la península de Yucatán, México (denominado estructura Chicxulub) (Hildebrand et al., 1991), como el tamaño del meteorito (con un diámetro de ≈10 km), son datos fundamentales para poder interpretar las consecuencias ambientales de este impacto (Kring, 2007). A nivel mundial, el depósito de una lámina de sedimento (ejecta layer) marca el KPgB, caraterizada, en las secciones distales, por la presencia esférulas, concentraciones anómalas de Iridio y otros elementos del grupo del platino, así como por la existencia de espinelas ricas en Ni y por importantes cambios en la composición isotópica de algunos elementos como C y O (Goderis et al., 2013; Smit, 1999). Después de décadas de investigación, uno de los principales retos es conocer los efectos que tuvo este impacto a nivel global, cómo se produjo el restablecimiento de las condiciones paleoambientales previas al impacto, y como fue la recuperación biológica después de la crisis ambiental generada. Así, esta Tesis Doctoral se centra en caracterizar las condiciones paleoambientales (oxigenación y productividad), antes, durante y después del impacto, utilizando un enfoque multidisciplinar, que incluye el estudio de la respuesta de la comunidad macrobentónica generadora de trazas a la crisis ambiental. Con este objetivo, se han estudiado varias secciones distales del KPgB, ubicadas a más de 5000 km del cráter de Chicxulub, en las que el límite aparece marcado por una lámina de unos pocos milímetros (≈2 mm) de espesor que contiene las evidencias del impacto; las secciones de Agost y Caravaca, en la Cordillera Bética (sureste de España), y las clásicas secciones de Gubbio (Bottaccione Gorge y Contessa Highway), en la cuenca de Umbría-Marche, dentro los Apeninos (noreste de Italia). Se ha llevado a cabo un muestreo a muy alta resolución, atendiendo también a las estructuras biogénicas y al material encajante. En este último caso, se han realizado, además, análisis geoquímicos e isotópicos tanto del material relleno de las trazas fósiles como en la roca encajante. Los resultados obtenidos demuestran que las condiciones anóxicas están restringidas únicamente al depósito de la lámina del límite y que rápidamente se restablecieron niveles de oxígeno similares a los existentes antes del impacto. Además, asociada al restablecimiento de las condiciones pre-impacto (oxigenación y disponibilidad de nutrientes), tuvo lugar la rápida recuperación de la comunidad generadora de trazas, favorecido por el comportamiento oportunista de algunos organismos macrobentónicos (Sosa-Montes de Oca et al., 2018b, 2018a, 2017, 2016, 2013).

ABSTRACT TESEO The mass extinction marking the Cretaceous/Palaeogene boundary (KPgB), ≈66.04 ± 0.02 million years ago (Husson et al., 2014), was one of the most devastating events in the history of life, being the most recent and the best studied of the ‘big five’ mass extinctions that occurred during the Phanerozoic eon (Sepkoski, 1996). At present, the relationship between the Cretaceous/Palaeogene mass extinction and a meteorite impact is broadly accepted (Schulte et al., 2010). The impact crater, discovered at the begining of the nineties on the Yucatan peninsula in Mexico (called Chicxulub structure) (Hildebrand et al., 1991), as well as the size of the meteorite (with a diameter of ≈10 km), are essential data to interpret the environmental consequences of this event (Kring, 2007). An ejecta layer was deposited worldwide, which at distal sites is characterized by the presence of spherules, anomalous concentrations of Iridium and other platinum group elements, the existence of spinels rich in Ni, and changes in the isotopic composition of certain elements, in particular C and O (Goderis et al., 2013; Smit, 1999). After decades of research, one persistent challenge is to understand the effects of this impact on the global environmental system, including the re-establishement of pre-impact environmental conditions and marine biological productivity after such a major environmental crisis. This PhD Thesis focuses on characterizing palaeoenvironmental conditions (oxygenation and productivity), including the response of the macrobenthic tracemaker community, prior to, during and after the KPgB impact. With this aim, several KPgB distal sections located over 5000 km from Chicxulub impact site were studied: the Agost and the Caravaca sections, from the Betic Cordillera (Southeast Spain), and the classical Gubbio sections (Bottaccione Gorge and Contessa Highway) located within the Umbria-Marche Basin, in the Apennines (Northeast Italy). A high-resolution sampling was carried out across the KPgB in the studied sections, along with a detailed sampling of trace fossils, differentiating between biogenic structures and host sediment. Geochemical and isotopic analyses were also performed both on the infilled material of the trace fossils and on the host sediment. The obtained results support that anoxic conditions are restricted to the deposit of the ejecta layer, and that oxygen levels similar to those of pre-impact times were re-established shortly after the impact. The rapid re-establishement of the pre-impact conditions (i.e., oxygenation and nutrient availability) is further supported by the tracemaker community recovery, which was favoured by the opportunistic behaviour of some macrobenthic organisms (Sosa-Montes de Oca et al., 2018b, 2018a, 2017, 2016, 2013).