Reconstructing the topography and water level of the Mediterranean Sea during the Messinian Salinity Crisis

Abstract

[eng] During the Messinian Salinity Crisis (MSC, 5.97 – 5.33 Ma), an environmental crisis unparalleled in recent geological history, thick evaporites were deposited in the Mediterranean Basin associated with major erosion of the continental margins. The MSC is thought to have led to a kilometre-scale water level drop by evaporation due to restriction of the Atlantic-Mediterranean marine connection, but the timing and amplitude of this drop have remained controversial. This is due to uncertainty in the post-MSC vertical motions and lack of clear correlations between the marginal and abyssal sedimentary records. In this thesis I aim at constraining the Messinian water level by way of providing a paleobathymetric reconstruction of the Mediterranean sub-basins and depth estimates for the emplacement of evaporite deposits and erosional markers. I constrain the magnitude of vertical motions induced by the accumulation of evaporite and other sediment units, isostatic and thermal subsidence, and tectonic deformation in three key regions, being: the Alboran Basin, the rest of the Western Mediterranean, and the Nile Delta. In the Alboran Basin (Chapter 3), erosional terraces were formed originally at a wide depth range. The shallowest terrace is reconstructed to 250-550 m depth, while the deepest terrace has a reconstructed depth range of 750-1500 m. This variation is interpreted as the result of fluctuating water levels during the drawdown phase and to a high-energy basin reflooding event. In the Western Mediterranean (Chapter 4), we use the MSC “Mobile Unit” halite and “Upper Unit” gypsum as markers for paleoshorelines, and we estimate them as having formed at depths of 1500 m and 1100 m respectively. In addition, halite is found in small silled basins originally as shallow as 500 m along the Balearic Promontory, suggesting that halite deposition during the evaporative drawdown spanned a wider depth range than suggested by its current preservation, and was subsequently removed by erosion during subaerial exposure during the drawdown and lowstand phase of the Messinian Salinity Crisis. Physics- based box modelling (Chapter 6) of water and salt fluxes to the Central Mallorca Depression on the Balearic Promontory allow to further evaluate this hypothesis, showing that the gypsum identified in this silled basin could only have formed by overall salinification of the Western Mediterranean at high water level, while the volume of halite suggests that its precipitation started only after the water level had dropped by at least 850 m. Also, the new, smaller, estimate of halite volume in the deep Western Mediterranean is in agreement with precipitation starting at or soon after the onset of drawdown, in contrast to that in the Eastern Mediterranean. In the Nile Delta (Chapter 5) topographical restoration shows the original depth of the geomorphological base level of the Nile River at ~600-m below present sea level, with a 400 m waterfall separating the downstream Messinian canyon from the older upper valley. This baselevel drop is 2-4 times smaller than derived from other criteria for the Eastern

basin, again suggesting fluctuations and diachronism of the MSC erosion episodes between the Western and Eastern Mediterranean. I show that the bathymetry of the Mediterranean basins was not radically different from the modern day in areas unaffected by fault tectonic deformation or plate subduction. Both the evaporites and the erosional features are found to have formed at a wide range of depths, not clearly linked to a single stable basinwide base level but rather affected by fluctuating water budgets in each subbasin. I propose that these variations in time and between subbasins were driven by variations in runoff from the continent and possibly by the capture of Paratethyan waters, during a stage of complete disconnection from the Atlantic.

[spa] Durante la Crisis de Salinidad del Messiniense (MSC, 5,97 – 5,33 Ma), una crisis ambiental sin precedentes en la historia geológica reciente, se depositaron gruesas evaporitas en el Mar Mediterráneo asociadas con una gran erosión de los márgenes continentales. Se cree que el MSC provocó una caída del nivel del agua alrededor de un kilómetro debido a la evaporación provocada debido a la restricción en la conexión marina entre el Atlántico y el Mediterráneo. Debido a la incertidumbre en los movimientos verticales posteriores a la MSC y la falta de correlaciones claras entre los registros sedimentarios marginales y abisales, la amplitud de esta caída y su ubicación en el tiempo siguen estando en discusión. En esta tesis, mi objetivo es determinar el nivel del agua del Mediterráneo durante la MSC proporcionando una reconstrucción paleobatimétrica de las subcuencas mediterráneas y estimaciones de profundidad para el emplazamiento de depósitos de evaporita y marcadores de erosión. Estimo la magnitud de los movimientos verticales inducidos por la acumulación de evaporita y otras unidades de sedimentos, el hundimiento isostático y térmico y la deformación tectónica en tres regiones clave, que son: la cuenca de Alborán, el resto del Mediterráneo occidental y el delta del Nilo. En la Cuenca de Alborán (Capítulo 3), las terrazas erosionales se formaron originalmente en un amplio rango de profundidad. La terraza menos profunda se reconstruye a 250-550 m de profundidad, mientras que la terraza más profunda tiene un rango de profundidad reconstruido de 750-1500 m. Esta variación se interpreta como resultado de la fluctuación del nivel de agua durante la fase de evaporación y de un evento de inundación de alta energía de la cuenca. En el Mediterráneo occidental (Capítulo 4), utilizamos la halita de la “Unidad móvil” y el yeso de la “Unidad superior” del MSC como marcadores de las paleo-líneas costeras, y estimamos que se formaron a profundidades de 1500 m y 1100 m respectivamente. Además, la halita se encuentra en pequeñas cuencas restringidas originalmente hasta a una profundidad tan poco profundo como 500 m a lo largo del Promontorio Balear, lo que sugiere que la deposición de halita abarcó una profundidad más amplia que el sugerido por su conservación actual y posteriormente fue eliminada por la erosión durante la exposición subaérea durante la fase de descenso y nivel bajo de la crisis de salinidad de Messiniense. El modelo de caja basado en la física (Capítulo 6) de los flujos de agua y sal en la Depresión Central de Mallorca en el Promontorio Balear permite evaluar más a fondo esta hipótesis, mostrando que el yeso identificado en esta cuenca restringida solo podría haberse formado por la salinización general del Mediterráneo occidental en el nivel alto del agua, mientras que el volumen de halita sugiere que su precipitación comenzó solo después de que el nivel del agua había descendido al menos 850 m. Además, la nueva estimación del volumen de halita en el Mediterráneo occidental profundo concuerda con la precipitación que comienza con el

inicio de la bajada del nivel del mar, en contraste con la del Mediterráneo oriental. En el Delta del Nilo (Capítulo 5), la restauración topográfica muestra la profundidad original del nivel base geomorfológico del río Nilo a ~600 m por debajo del nivel actual del mar, con una cascada de 400 m que separa el cañón Messiniense río abajo del valle superior más antiguo. Esta caída del nivel base es de 2 a 4 veces menor que la determinada por otros criterios para la cuenca oriental, lo que nuevamente sugiere fluctuaciones y diacronismo de los episodios de erosión de MSC entre el Mediterráneo occidental y oriental. Mi trabajo demuestra que la batimetría de las cuencas mediterráneas no fue radicalmente diferente de la actual en áreas no afectadas por la deformación tectónica de fallas o la subducción de placas. Se encontró que tanto las evaporitas como las evidencias de erosión se formaron en una amplia gama de profundidades, no vinculadas claramente a un único nivel base estable en toda la cuenca, sino más bien afectadas por los balances de agua fluctuantes en cada subcuenca. Propongo que estas variaciones temporales y entre subcuencas fueron impulsadas por variaciones en la escorrentía del continente y posiblemente por la captura de aguas del Paratethys, durante una etapa de desconexión total del Atlántico.