Qual è la risposta del phytoplankton calcareo all’instaurarsi della calotta antartica durante la transizione Eocene-Oligocene?

Today’s icehouse climate, characterized by two glaciated poles, is the result of gradual cooling over tens of millions of years. In the southern hemisphere, no undoubtable evidence for permanent ice on Antarctica existed until 34 Ma, when ice rafted detritus were first deposited on the surrounded sediments. From that time, known as the Eocene-Oligocene transition (E/O), the magnitude of the Antarctic ice sheet has increased unevenly toward the present. This transition also documented main reorganisation of marine and terrestrial ecosystems and paved the way to the establishment of the modern thermohaline circulation. In this context, this Ph.D. project focuses on the ecological, biostratigraphic, morphometric and preservation response of calcareous nannofossils in different sediments retrieved from the Pacific (IODP Site U1509; ODP Site U1209), Indian (ODP Site 756) and Atlantic oceans (IODP Site U1411). The main aim is to add a piece of information on the timing, modes, and magnitude of their response to sea-surface water changes related to the expansion of the Antarctic ice-sheet. Our study indicates shifts and changes within the nannoplankton community at the E-O transition, closely coupled to major isotopic excursions. Throughout the study interval, calcareous nannofossils have responded quite synchronously to glacial expansion, recording a major turnover in the assemblage from a warm-oligotrophic community, that characterized the late Priabonian to a cold eutrophic in the early Rupelian. This major turnover appears to have been triggered by a combination of decreasing temperature and increasing nutrients (Chapter 2 and Chapter 4). The high-resolution dataset also provides new potential biohorizons that can be integrated with available mid-low latitude biozonations allowing for highly refined comparison between mid-low and high latitudes (Chapter 3). Among the investigated taxa, Clausicoccus subdistichus gr. has proven to be an extraordinary biostratigraphic and paleoenvironmental proxy for this crucial climatic phase. The acme of this informal taxonomic group is present and easily recognizable at all the studied sites, even in extremely poorly preserved sediments (e.g., ODP Site 1209). The base common (Bc) of this acme represents the best nannofossil bioevent to approximate the E-O boundary (EOB), while the highest abundance values correlate with the Earliest Oligocene Glacial Maximum - EOGM. In addition, we clarify the relative ranking between the Top common and continuous of C. subdistichus gr. versus the Top of Ericsonia formosa, with the latter predating the former (Chapter 3). The morphometric investigation performed on this group provide key information on its sensitivity to paleoenvironmental changes across different latitudes and basins and enabled us to investigate in more detailed the two species ascribed to this group, i.e. C. subdistichus and C. fenestratus (Chapter 6). The increase in abundance and size of C. subdistichus gr. is likely favored by high nutrient concentrations and an oversaturation of [CO32- ] in the sea surface water across the E-O. Finally, a preservational variation of the nannofossil assemblages across the EOT is the case study of Chapter 5. We described and compared, with the aid of the SEM, the exceptional well preserved sediments at Site U1411 with the poorly preserved of Site 1209, in order to describe the wide spectrum of variation observed across the E/O. A first result is that at Site 1209, diagenesis has severely affected calcareous nannofossil assemblages, preventing any paleoecological interpretation. Despite this, for most of the section, diagenesis did not alter the primary bulk isotopic signal which still retains the main geochemical features of the event, and it has been possible to construct an accurate age model because the biostratigraphic index species are solution-resistant forms.

Il sistema climatico dei nostri giorni, caratterizzato dalla presenza di ghiacci su entrambi i poli, è il risultato di un raffreddamento graduale avvenuto nel corso di decine di milioni di anni. La calotta Antartica permanente, si sviluppò 34 Ma, quando i detriti trasportati dal ghiaccio si depositarono per la prima volta sui sedimenti circostanti. Da quel momento, noto come la transizione Eocene-Oligocene (E/O), la calotta glaciale antartica è cresciuta in modo non uniforme fino ai giorni nostri. Questa transizione portò alla riorganizzazione degli ecosistemi marini e terrestri e aprì la strada all'istituzione della moderna circolazione termoalina. Questa tesi si concentra sulla risposta ecologica, biostratigrafica, morfometrica e preservazionale dei nannofossili calcarei, recuperati in diversi sedimenti provenienti dall’oceano Pacifico (Site IODP U1509; Site ODP U1209), Indiano (Site ODP 756) e Atlantico (Site IODP U1411). L'obiettivo è far luce sui tempi, le modalità e l'entità della loro risposta a cambiamenti legati alla chimica oceanica e all'espansione antartica. Questo studio documenta cambiamenti nell’associazione fitoplanctonica legati alla transizione stessa e alle principali escursioni isotopiche. I nannofossili calcarei hanno risposto in modo piuttosto sincrono all'espansione glaciale, registrando il passaggio da una comunità caldo-oligotrofica, che caratterizzava il tardo Priaboniano ad una fredda eutrofica nel primo Rupeliano. Questo turnover è stato innescato da una diminuzione di temperatura dell’acqua marina e da un aumento dei nutrienti (Capitolo 2 e Capitolo 4). Il dataset ad alta risoluzione fornisce anche un perfezionamento della biostratigrafia delle medio-basse latitudini e introduce nuovi biorizzonti potenzialmente utili che possono essere a loro volta integrati con altri, consentendo un confronto dettagliato tra alte e medio-basse latitudini (Capitolo 3). Clausicoccus subdistichus gr. si è rivelato uno straordinario indicatore biostratigrafico e paleoambientale per questo critico intervallo temporale. Il suo acme è presente e facilmente riconoscibile in tutti i siti studiati, perfino in un sedimento estremamente mal preservato (Site ODP 1209). La base comune (Bc) di C. subdistichus gr. rappresenta il migliore bioevento, tra quelli a nannofossili, per approssimare il limite EOB. I suoi picchi di abbondanza consentono una facile correlazione con il massimo glaciale dell'Oligocene inferiore - EOGM. In questo lavoro è stato ridefinito il ranking del limite superiore di abbondanza (Tc) di C. subdistichus gr. che è stato posto al di sopra dell’estinzione di E. formosa (Chapter 3). L'indagine morfometrica eseguita su questo gruppo ha fornito informazioni chiave sulla sensibilità di Clausicoccus ai cambiamenti paleoambientali avvenuti alle basse-medie latitudini e ha permesso di condurre un’indagine approfondita riguardo alle due specie appartenenti a questo gruppo, C. subdistichus e C. fenestratus (Capitolo 6). L'aumento dell'abbondanza e delle dimensioni di Clausicoccus è stato probabilmente determinato e favorito da elevate concentrazioni di nutrienti e da un'eccessiva saturazione di [CO32-] nell'acqua di mare. Infine, nel Capitolo 5, è stata eseguita un'analisi sullo stato di preservazione dell’associazione durante le fasi principali di questa transizione. Con l'aiuto del SEM sono stati confrontati due sedimenti a diversa preservazione (Site U1411 e 1209) per ricostruire le variazioni preservazionali. Al Site 1209, la diagenesi influisce in maniera grave sull’associazione, impedendo un’interpretazione paleoecologica. Nonostante questo, per la maggior parte della sezione, la diagenesi non ha alterato il segnale isotopico, che conserva le principali caratteristiche geochimiche dell'evento. Le biostratigrafiche chiave, forme resistenti alla dissoluzione, non sono state cancellate dai processi diagenetici e hanno quindi permesso di fornire un modello di età accurato.