Composició, origen i transport de matèria orgànica en marges continentals i conques de la mar Mediterrània = Composition, origin and transport of organic matter in continental margins and basins of the Mediterranean Sea

Abstract

One of the grand challenges in marine biogeochemistry is to improve our understanding on the temporal (seasonal and multi-annual) and spatial (regional and global) variability of ocean uptake of CO2, and the physical and biological processes that regulate this process. In this context, the study of the environmental conditions that control organic carbon (OC) fixation, OC sinking, OC burial, and thus OC sequestration becomes critical to better understand feedbacks between the atmospheric CO2 concentration and the oceans, and how they play a key role in climate regulation and climate change. This is of special importance in oligotrophic waters, which roughly cover 75% of the ocean’s surface and contribute over 30% of the global marine carbon fixation.

In this PhD Thesis several fundamental questions have been studied such as ‘Which environmental forcings are involved in OC fixation and sinking in an oligotrophic and semi- enclosed environment such as the Mediterranean Sea?’, and ‘How and where does OC accumulate, and how its origin affects its preservation and burial in the deep sediments?’. The combined analysis of continental shelf, slope, and deep basin surface sediments and particle fluxes, together with the study of the meteorological, hydrological and oceanographic settings at each environment, have revealed that atmosphere-driven oceanographic events play a major role in the carbon cycle in the Mediterranean Sea. Thus, coastal storms with strong winds, high waves and intensified currents have been proved to be efficient at transporting OC from shallow to deeper environments, with submarine canyons acting as a preferential conduit. This transport to deep sedimentary environments is mainly controlled by the hydrodynamic sorting and differential deposition of particles with different grain sizes, being the finer those with the highest loadings of OC and those that can be transported long distances. In addition, open sea storms with cold and dry northerly winds trigger convective mixing, nutrient uplifting and episodic events of increased carbon export to abyssal areas. Moreover, in these cases, the arrival of additional nutrients due to extraordinary atmospheric deposition of volcanic ash can cause the intensification of export of fresh phytodetritus.

Un dels grans reptes de la biogeoquímica marina és millorar el coneixement sobre la variabilitat temporal (estacional i interanual) i espacial (regional i global) de l’absorció de CO2 per part dels oceans, així com també sobre els processos físics i biològics que la regulen.

En aquest context, l'estudi de les condicions ambientals que controlen la fixació, el transport, l’enfonsament, l’enterrament i, conseqüentment, el segrest de carboni orgànic (OC) és fonamental per entendre la interrelació entre les concentracions de CO2 a l'atmosfera i als oceans, i com aquests tenen un paper clau en la regulació del clima global i el canvi climàtic. La caracterització d’aquestes condicions ambientals és d’especial importància en zones oligotròfiques, ja que aquestes cobreixen aproximadament el 75% de la superfície oceànica i contribueixen en més d’un 30% de la fixació global de carboni marí. En aquesta Tesi s’han intentat resoldre qüestions fonamentals com ‘Quins forçaments ambientals estan implicats en la fixació i enfonsament de l’OC en un ambient oligotròfic i semi- tancat, com és el cas de la mar Mediterrània?‘ i ‘Com i on s’acumula l’OC, i com el seu origen afecta a la seva preservació i enterrament en els sediments profunds?‘. L’anàlisi combinada de les característiques biogeoquímiques dels sediments superficials de plataforma continental, talussos i conques profundes de la mar Mediterrània, així com de fluxos de partícules, juntament amb l’avaluació dels paràmetres meteorològics, hidrològics i oceanogràfics de cada ambient, ha posat de manifest que els esdeveniments oceanogràfics forçats per processos atmosfèrics juguen un paper clau en el cicle del carboni a la mar Mediterrània. Les tempestes costaneres amb forts vents, els quals provoquen fort onatge i intensificació dels corrents de fons, han demostrat ser un mecanisme eficient en el transport d’OC des de zones someres a ambients més profunds, essent els canyons submarins els conductes preferencials de transport. Aquest transport cap a ambients sedimentaris profunds determina la classificació i deposició de les partícules en funció de la seva mida de gra, on les més fines i més riques en OC són aquelles que es transporten grans distàncies. D’altra banda, les tempestes a mar obert, amb forts vents de nord freds i secs, poden generar processos de convecció, que comporten moviments verticals de mescla de les masses d’aigua, aflorament de nutrients en superfície i augment de la productivitat primària, i exportació d’OC fins a profunditats batipelàgiques. A més, en aquests casos, l’arribada de nutrients addicional deguda a una deposició atmosfèrica extraordinària de cendres volcàniques pot provocar la intensificació de l’exportació de fitodetritus frescos. Els resultats obtinguts en aquesta Tesi són de gran interès tan per a la comunitat científica que tracta de resoldre aspectes importants relacionats amb la bomba biològica (fixació, exportació, transport i enterrament del carboni), com aquella que investiga el funcionament dels ecosistemes profunds (entenent els fluxos de carboni com arribades de material nutritiu per la fauna bentònica).