Magnetostratigraphy and rock-magnetism of Paleogene marine section from the Venetian Alps (Italy)

In this thesis, I present the magnetostratigraphy and the rock-magnetic properties from three selected early Paleogene hemipelagic sections (namely the Ardo, the Cicogna, and the Forada sections) from the Venetian Southern Alps (NE Italy). The contribution of this thesis to the present-day knowledge of the early Paleogene time is twofold and is discussed in two parts. In Part 1 the implications and the improvements of the presented dataset to the current early Paleogene time scale are presented. The magneto-biochronology of the early Paleogene, especially the late Paleocene–early Eocene, is in fact still poorly defined; this is essentially because of the controversial and ambiguous relationships between paleontologic and magnetic events due to the presence of unconformities in several deep-sea and shallow water sections from the literature around the Paleocene–Eocene boundary, and the lack of (magnetic) resolution in the long Chron C24r interval. I present in Part 1 a detailed magnetostratigraphy across the early Paleocene part of the Ardo section, as well as across the late Paleocene–early Eocene Cicogna section. The sediments of both the Ardo and the Cicogna sections preserved a well-defined record of the geomagnetic reversals, respectively from Chron C29r to C26r, and from Chron C25r to C23r, which allowed the construction of a robust age model by means of magnetostratigraphic correlation to the CK95 (Cande and Kent, 1995) geomagnetic polarity time scale. The dataset of the Cicogna section is also integrated with a detailed calcareous nannoplankton biostratigraphy; several new and potentially useful biohorizons that help refining the chronology of this critical interval of the current time scale of Berggren et al. (1995) were found. In Part 2, rock-magnetic data from the Cicogna and the Forada sections are described. In particular, the data from Cicogna gave me the opportunity to better understand key aspects of the late Paleocene–early Eocene Earth’s climate evolution. The late Paleocene–early Eocene climate was characterized by a general warming trend that eventually culminated with the early Eocene climatic optimum (EECO, ~52–50 Ma), which was characterized by globally warm climatic conditions, even at extremely high latitudes. This warming trend was punctuated by several short-lived hyperthermal events, the most prominent of which was the Paleocene–Eocene thermal maximum (PETM), globally marked by a 2‰–4‰ global negative carbon isotope excursion and extensive carbonate dissolution of deep-sea sediments. The early Eocene and PETM warm and humid climates should be characterized by enhanced land weathering rates, which would promote the sequestration of excess the greenhouse CO2 by chemical weathering of silicates followed by the deposition of carbonates, in accordance with the negative feedback mechanism for the long-term stabilization of the Earth’s surfaces temperature proposed by various authors. Enhanced land weathering rates of Fe-bearing silicates should be accompanied by the production of Fe3+-oxides (e.g. hematite) as residuals of the weathering reactions, which then may be mobilized, transported, and deposited in adjacent sedimentary basins. The rock-magnetic properties of the Cicogna sediments generally indicate a relative increase in abundance of detrital hematite during times of enhanced warming (i.e. PETM and early Eocene warming trend), as revealed by a statistical correlation with the benthic oxygen isotopes record from the literature. These results confirm the existence of the silicate weathering machine as a buffer of climate warming on both short (105 kyr -PETM-) and long (106 kyr -EECO-) time scales. To find a confirmation of this mechanism, I studied in detail the 8 m-thick Forada section across the PETM; the dataset from Forada, however, revealed that the sediments are pervasively contaminated by post-depositional chemical reduction processes that partially masked the primary, climate-controlled, rock-magnetic variability.

In questa tesi sono presentati e discussi i dati magnetostratigrafici e l'analisi delle proprietà magnetiche dei sedimenti di tre sezioni emipelagiche (Ardo, Cicogna e Forada) affioranti in Valbelluna (Alpi Meridionali Venete, Italia Nord-orientale). Il contributo di questa tesi alle attuali conoscenze riguardo al Paleogene inferiore è duplice e sarà discusso in due parti. La Parte 1 riguarda le implicazioni dei dati collezionati sulla scala-tempo del Paleogene inferiore ed il suo miglioramento. La magneto-biocronologia del Paleogene inferiore, infatti, non è ancora ben definita, in particolare nell’intervallo di tempo compreso tra il Paleocene superiore e l’Eocene inferiore. Il motivo di questo va ricercato nel controverso e spesso ambiguo rapporto tra gli eventi paleomagnetici e paleontologici, dovuto alla presenza di lacune in molte sezioni oceaniche ed alla bassa risoluzione magnetostratigrafica durante il Chron C24r. Sarà quindi presentata una dettagliata magnetostratigrafia della sezione affiorante lungo il torrente Ardo (Paleocene inferiore) e della sezione affiorante lungo il torrente Cicogna (Paleocene superiore–Eocene inferiore). I sedimenti di entrambe le sezioni preservano un record ben definito delle inversioni del campo magnetico terrestre, più nel dettaglio dal Chron C29r al Chron C26r (Ardo) e dal Chron C25r al Chron C23r (Cicogna). I dati ricavati hanno permesso la costruzione di un preciso modello di età tramite correlazione con la scala delle inversioni geomagnetiche di riferimento redatta da Cande e Kent (1995; CK95). La magnetostratigrafia della sezione del torrente Cicogna è stata inoltre integrata con una dettagliata biostratigrafia a nannofossili calcarei, la quale ha permesso di identificare molti nuovi eventi biostratigrafici molto utili a rifinire la cronologia di questo critico intervallo di tempo. Nella Parte 2 della tesi saranno discussi i risultati delle dettagliate analisi sulla mineralogia magnetica dei sedimenti che costituiscono le sezioni del torrente Cicogna e del torrente Forada; in particolare sarà illustrato come i dati provenienti dalle analisi dei sedimenti della sezione Cicogna hanno premesso una migliore comprensione dei meccanismi coinvolti nell’evoluzione climatica durante il Paleocene superiore–Eocene inferiore. Durante quest’intervallo di tempo il clima terrestre fu caratterizzato da un generale riscaldamento, il quale raggiunse il suo apice durante quello che è definito l’early Eocene climatic optimum (EECO, ~52–50 Ma); durante l’EECO il clima terrestre visse un periodo di caldo estremo, raggiungendo alte temperature anche alle alte latitudini. Il graduale trend di riscaldamento del Paleocene superiore–Eocene inferiore fu interrotto da alcuni eventi ipertermici (periodi geologici di breve durata caratterizzati da caldo estremo), il più intenso dei quali ebbe luogo al limite Paleocene–Eocene (~55 Ma) e prende il nome di Paleocene–Eocene thermal maximum (PETM); esso è distinto dalla presenza nel record sedimentario globale di un’escursione negativa (~2‰–4‰) degli isotopi stabili del carbonio e da una generale dissoluzione dei sedimenti carbonatici di mare profondo. Il clima caldo e umido del PETM ed in generale dell’Eocene inferiore fu verosimilmente caratterizzato da un rinvigorimento dei processi di alterazione delle rocce affioranti sui continenti; questo fenomeno avrebbe favorito il sequestro della CO2 (gas serra) in eccesso per tramite l’alterazione chimica dei minerali silicatici, seguito dalla deposizione dei carbonati negli oceani; questo sarebbe in accordo con il meccanismo di feedback negativo per la stabilizzazione a lungo termine delle temperature terrestri proposto da vari autori. Ad una più intensa alterazione dei minerali silicatici sui continenti, in particolare quelli contenenti Fe, dovrebbe corrispondere una maggiore formazione di ossidi ferrici (e.g. ematite) i quali andrebbero successivamente incontro a trasporto e sedimentazione nei bacini marini, processo favorito anche dall’incremento del ciclo idrogeologico caratterizzante i periodi di clima caldo. Le analisi delle proprietà magnetiche della sezione del torrente Cicogna indicano un incremento nell’abbondanza relativa dell’ematite detritica nei sedimenti durante i periodi di riscaldamento climatico (PETM e l’Eocene inferiore). Il legame temporale tra gli incrementi relativi in ematite e le paleotemperature è testimoniato da una correlazione chiara e statisticamente coerente con la curva delle variazioni globali degli isotopi stabili dell’ossigeno (proxy delle paleotemperature) ricavati da forme oceaniche bentoniche. I dati presentati confermano quindi l’esistenza del meccanismo di feedback negativo sulle variazioni delle temperature globali tramite l’alterazione dei minerali silicatici, sia su breve termine (105 kyr -PETM-) che su lungo termine (106 kyr -EECO-). Per cercare conferma di questo meccanismo in una sezione stratigrafica coeva sono stati descritti e campionati 8 m stratigrafici della sezione del torrente Forada a cavallo del limite Paleocene–Eocene. I dati ricavati dalle analisi rivelano tuttavia che i sedimenti della sezione Forada, benché mostrino un aumento generale dei parametri magnetici analogo a quello osservato durante il PETM nei sedimenti del torrente Cicogna, sono fortemente contaminati da fenomeni di riduzione chimica post-deposizionali, i quali hanno in gran parte alterato le proprietà magnetiche della roccia e le loro variazioni stratigrafiche: i dati ricavati da questa sezione non sono quindi utilizzabili per interpretazioni di tipo paleoclimatico.