Global evolution of paleoclimate during the Quaternary Period: cyclostratigraphic integration of terrestrial and marine proxies

Abstract

The Quaternary period comprises a recognisable climate succession of glacial and interglacial periods for the last 2.58 Ma. The Quaternary climate has governed all past and present aspects of human evolution, and it will do so in the future. Thus, to advance in understanding Quaternary paleoclimate history is considered as of special interest to improve knowledge of past, present and future climates. The Quaternary climate is primarily affected by Milankovitch orbital forcing which constitutes the main driver of the observed climate variability, but also by sub-Milankovitch solar variability at shorter time scales. The general aim of this Thesis is to improve the understanding of some of the past climate changes occurred during the Quaternary, based on a detailed cyclostratigraphic analysis of selected proxies. This PhD Thesis has used the framework of the cyclostratigraphic analysis, which assumes that the climate signal is preserved in the geological record, and more specifically the spectral analysis methodology, for identifying the involved climate cycles. This research has aimed for shedding light on some diverse but hot topics in Quaternary paleoclimate research from a global perspective. The present work analyses the availability of open proxy data in deep, including a detailed assessment of their geographic and temporal properties, considering both marine and terrestrial environments. By doing that, it has been proven that it is possible to re-use third-party scientific data for new research. Thus, different scientific objectives have been targeted, including the development of new methodologies for the study of paleoclimate. A novel computer method for visualising results from spectral analysis applied to Milankovitch cycles is presented. At a local and short-temporal scale a new method for reconstructing climate variables using tree-ring data has been successfully applied to the Sierra de las Nieves (southern Spain). The spectral analysis applied to precipitation and temperature data for the past decades has revealed new evidence linking the Andalusia hydroclimate variability with the Mediterranean Oscillation. At a global scale, new categorisation of the climatic cycles occurring during the Holocene period, by using oxygen time series and derived from speleothems, is presented here, which speaks of Eurasia having a different evolution and climate forcing at millennial time scales. Respect to abrupt climate changes, new insights into the onset of the last cold glacial before the Holocene, known as the Younger Dryas period, are exposed by linking sodium and wind variables, and Platinum spikes to a lesser extent. All these advancements contribute to the understanding of the most recent Earth's past climate and lay the foundations for future research using climate proxy data for a global perspective.

El periodo Cuaternario contiene una reconocible sucesión climática de periodos glaciares e interglaciares acaecida durante los últimos 2.58 Ma. El clima cuaternario ha gobernado todos los aspectos pasados y presentes de la evolución humana, y continuará siendo así en el futuro. Por consiguiente, avanzar en la comprensión del paleoclima del Cuaternario se considera de especial interés para mejorar el conocimiento de climas pasados, presentes y futuros. El clima cuaternario está dominado principalmente por los ciclos orbitales de Milankovitch, que controlan la observada variabilidad climática, y por los ciclos solares a escalas temporales menores, sub- Milankovitch. El propósito general de la presente tesis es mejorar el conocimiento de algunos de los cambios climáticos acontecidos durante el Cuaternario, sobre la base de un análisis cicloestratigráfico detallado de indicadores paleoclimáticos seleccionados. La presente tesis doctoral ha seguido la estructura metodológica del análisis cicloestratigráfico, que asume que la señal climática se ha preservado en el registro geológico, y en concreto se ha utilizado la metodología del análisis espectral, para identificar los ciclos climáticos implicados. Se trata de abordar algunos temas de especial interés en la investigación paleoclimática del Cuaternario desde una perspectiva global. El presente trabajo analiza en detalle la disponibilidad de datos de libre acceso de indicadores paleoclimáticos, incluyendo un preciso análisis de sus propiedades geográficas y temporales, considerando ambientes terrestres y marinos. Se ha podido constatar la posibilidad de reutilizar datos procedentes de investigaciones previas para llevar a cabo nuevas investigaciones de interés. Se plantearon diferentes objetivos científicos, incluyendo el desarrollo de nuevas metodologías para el estudio del paleoclima. Se presenta un novedoso método de software para visualizar resultados de análisis espectral aplicado a ciclos de Milankovitch. A escala local se ha utilizado un nuevo método para la reconstrucción de variables climáticas de siglos pasados, usando anillos de árboles en la Sierra de las Nieves (sur de España). El análisis espectral aplicado a datos de precipitación y temperatura de las últimas décadas ha revelado nuevas evidencias de la conexión entre la variabilidad hidroclimática en Andalucía con la denominada Oscilación Mediterránea. A escala global, se presenta la caracterización de ciclos climáticos que ocurrieron durante el Holoceno, mediante el uso de series temporales de oxígeno procedentes de espeleotemas, que indican que Eurasia tuvo distinta evolución y control climático a escalas temporales milenarias. Respecto de cambios climáticos bruscos, se presentan nuevas evidencias sobre el comienzo del último periodo frío glacial previo al Holoceno, conocido como Younger Dryas, integrando datos de sodio, variables de viento y picos de concentración de platino. La investigación desarrollada en esta tesis contribuye al conocimiento del periodo climático más reciente, sentando las bases para futuros trabajos integrando datos procedentes de indicadores paleoclimáticos desde una perspectiva global.