Variabilitat climàtica ràpida a la conca occidental del Mediterrani: registre sedimentològic / Rapid climate variability in the Western Mediterranean Basin: the sedimentological record

Abstract

Aquesta Tesi Doctoral està centrada en la reconstrucció de les condicions climàtiques del passat a la conca occidental del Mediterrani, i més concretament en l’estudi de l’efecte de la variabilitat climàtica d’escala orbital i mil•lenària sobre les condicions oceanogràfiques de la conca. El treball es basa en l’anàlisi i interpretació de dades de indicadors sedimentològics, com ara la mida de gra i la composició elemental dels sediments, d’on s’ha obtingut informació sobre els canvis en les aportacions terrígenes induïts per la variabilitat climàtica i oceanogràfica de la conca, reflectida en canvis del nivell del mar o de la circulació termohalina.

Hom ha pogut investigar els canvis del nivell del mar associats als cicles glacials mitjançant l’estudi de les variacions en la mida de gra de les partícules sedimentàries i en la composició elemental d’un testimoni del marge progradant del Golf de Lleó. Les variacions eustàtiques del nivell del mar han determinat l’apilament d’unitats sedimentaries regressives en el talús superior amb una ciclicitat de 100 ka. Els canvis en el nivell del mar han modulat la sedimentació en el marge, la qual va oscil•lar entre aportacions principalment fluvials durant els períodes glacials coincidint amb nivells del mar baixos, i aportacions degudes a la reactivació de processos erosius a la plataforma continental com les Cascades d’Aigües Denses de Plataforma durant les èpoques amb nivell del mar alt corresponents als períodes interglacials. L’estudi de l’Estadi Isotòpic Marí 3, entre 65 i 20 ka, caracteritzat per condicions climàtiques fluctuants de escala mil•lenària, ens hauria d’ajudar a entendre com el clima es comporta sota condicions canviants ràpides i per lo tant pot ser clau per entendre millor el ràpid canvi climàtic induït per l’ésser humà. Les variacions de la mida de gra durant aquest període en el marge del Golf de Lleó han revelat per primera vegada l’existència d’oscil•lacions del nivell del mar d’escala mil•lenària associades a la variabilitat climàtica dels cicles de Dansgaard-Oeschger observats a l’Atlàntic Nord. Nivells del mar relativament alts s’associen a les fases càlides dels cicles de Dansgaard-Oeschger. Aquests resultats mostren una ràpida resposta dels casquets polars a la variabilitat climàtica ràpida del darrer període glacial. Resta per identificar, però, amb precisió el inici d’aquestes pujades del nivell del mar i la seva amplitud.

La circulació termohalina del Mediterrani occidental també s’ha vist afectada per les oscil•lacions climàtiques dels cicles de Dansgaard-Oeschger durant l’Estadi Isotòpic Marí 3. Els resultats confirmen que la circulació profunda del Mediterrani occidental funcionà de manera asincrònica respecte a la Circulació de Retorn de l’Atlàntic Nord durant els cicles de Dansgaard-Oeschger. Aquest fet posa de manifest la rapidesa en la transmissió de la variabilitat climàtica entre latituds altes i intermèdies, probablement induïda per un mecanisme de teleconnexió atmosfèrica similar a l’actual Oscil•lació de l’Atlàntic Nord. Tot i així, la circulació profunda del Mediterrani occidental també fou modulada per canvis en la hidrologia de la conca.

A l’Holocè hom ha identificat igualment una sèrie d’esdeveniments de curta durada de intensificació de la circulació termohalina, els quals mostren una ciclicitat d’uns 1000 anys. Hom ha pogut correlacionar aquest esdeveniments amb altres observats a l’Atlàntic Nord i en altres regions del planeta, fet que confirma que les reorganitzacions ràpides del sistema climàtic són també comuns en els períodes interglacials.

This PhD Thesis focuses on the reconstruction of past climatic conditions in the Western Mediterranean Basin, and more precisely on the study of the impact of climate variability at orbital and millennial time scales over oceanographic conditions. The work relies on the study of sedimentological proxies like grain-size and elemental geochemical composition of the sediments for unravelling the changes in terrigenous supplies led by oscillations in climate and oceanographic conditions, namely sea level fluctuations and changes in the termohaline circulation of the Western Mediterranean Sea.

Sea level changes associated with glacial cycles have been investigated by analysing the oscillations in grain-size and geochemical composition of the sediment records from the progradational Gulf of Lion margin. Eustatic sea level oscillations have determined stacking of regressive progradational units in the upper slope following a 100 kyr cyclicity. Sea level fluctuations have modulated sediment accumulation over this margin, with a succession of periods dominated by high fluvial supplies, and periods characterized by the reactivation of erosive processes in the continental shelf such as Dense Shelf Water Cascading during glacial lowstands and interglacial highstands, respectively.

The study of climate variability during Marine Isotope Stage 3, between 65 and 20 ka, characterized by rapid climate fluctuations of millennial time scales, may help us to understand how the climate behaves when undergoing rapid changes and therefore might also further increase our understanding of rapid, anthropogenic climate change. The high-resolution study of grain-size oscillations during Marine Isotopic Stage 3 in the Gulf of Lion margin has shown by the first time the occurrence of millennial scale sea level fluctuations associated with climate variability during the Dansgaard-Oeschger cycles identified in the North Atlantic region. Relative high sea level has been observed to occur during warm interstadials of the Dansgaard-Oeschger cycles. These results point to a rapid response of the ice sheets to climate variability during the last glacial period. However, the precise timing and the amplitude of these millennial-scale sea level rises are still to be determined.

The termohaline circulation of the Western Mediterranean Sea has been affected by Dansgaard-Oeschger climate oscillations during Marine Isotopic Stage 3 too, as determined by the study carried out in the IMAGES core MD99-2343 offshore Minorca island. Our results show that during Dansgaard-Oeschger cycles the circulation of deep-water masses in the Western Mediterranean was not synchronized with the Atlantic Meridional Overturning Circulation. This confirms the rapid transmission of climate variability between high and mid-latitudes, likely induced by an atmospheric mechanism similar to the present-day North Atlantic Oscillation. Hydrological oscillations within the basin further modulated the termohaline circulation in the Western Mediterranean Sea.

During the Holocene a series of short-lived events of enhanced deep-water circulation have been identified to occur with a cyclicity close to 1000 yr, which have been correlated to relatively cold periods recently recognized from the North Atlantic region and in other regions of the world. These results confirm that rapid reorganizations of the climate system usually ascribed to glacial stages are also a common feature during interglacial periods.