Holocene Climate variability in the Western Mediterranean Sea: an integrated oceanic and atmospheric perspective

Abstract

[eng] The Mediterranean region is very sensitive to modern climate variability. Located in a temperate subtropical climatic zone and surrounded almost entirely by large continental masses, the Mediterranean region climate and oceanography are largely controlled by the climatic variability of the subtropical and subpolar atmospheric systems. The western Mediterranean Sea exchanges seawater through the Strait of Gibraltar with the Atlantic Ocean, where inflowing surface waters from the Atlantic Ocean enter this region. In contrast, Mediterranean waters outflow into the Atlantic at depth, a net exchange of heat and salts that is very sensitive to present and past climatic changes. This thesis presents a new approach to studying and understanding past natural climatic variability of the Mediterranean region by analysing the changes in the ocean and the atmosphere during the Holocene. This thesis aims to improve our understanding of the mechanisms and climatic/oceanographic responses that have modulated the southern Iberian Peninsula climate during the last 11.700 years. In addition, relevant methodological advances in «state-of-the-art» geochemical tools are implemented here to study past hydrological changes and, for the first time, these methods are validated using a modern time series record in the Alboran Sea. This thesis has been built on four main key points: First, a new high-resolution deglacial and Holocene Sea Surface Temperature (SST) reconstruction is presented for the Alboran Sea (western Mediterranean), based on Mg/Ca ratios measured in the planktonic foraminifera Globigerina bulloides. This new SST record is evaluated by comparison with other Mg/Ca–SST records and previously published alkenone–SST reconstructions from the same region. The comparison shows a high degree of coherence between the different Mg/Ca–SST records but strong discrepancies compared to the alkenone– SST records. We argue that these discrepancies arise from differences in the sensitivity of the proxy–response to environmental changes. A working hypothesis in this thesis is that the discrepancy in SSTs reflects a resilience strategy of planktonic foraminifera G. bulloides, shifting its main growing season into the colder SST upwelling season (spring) thus explaining the shorter deglacial warming in Mg/Ca records compared to alkenones. Interestingly, Holocene short–term SST variability is larger in the Mg/Ca–SST record than in the alkenone–SST records. It is proposed that the larger Mg/Ca–SST variability reflects spring temperature variability, while the smoothed alkenone–SST variability represents averaged annual temperatures. The Mg/Ca–SST record differentiates the Holocene into three periods: (1) the Early Holocene (11.7 – 9 kyr BP) with the warmest SST values recorded; (2) the Middle Holocene (9 – 4.2 kyr BP) characterised by a continuous cooling trend that culminated in the coldest Holocene SST at around 4.2 kyr BP; (3) the Late Holocene (4.2 kyr BP to present) characterised by the lack of clear cooling/warming trends but enhanced millennial-scale variability. This SST evolution is discussed in the context of the changing physic-chemical properties of inflowing Atlantic surface water associated with changes in the North Atlantic circulation conditions as well as with regional hydrographical and atmospheric changes. It is proposed that a close mechanistic link between North Atlantic

circulation patterns and the inflow of surface waters into the Mediterranean played a crucial role in controlling the Holocene climatic variability of this region. The second key point of this thesis is based on developing a new fast, efficient and reliable method to prepare lithogenic sediment samples for the radiogenic isotope analysis (87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd, 208Pb/204Pb, 207Pb/204Pb and 206Pb/204Pb). Two new methods are developed: the first is targeted to achieve a total digestion of the lithogenic fraction, whereas the second is aimed at separating and purifying the different isotopic systems (Sr, Nd, Pb) in the lithogenic fraction by using a one single pass chromatographic column with the DGA resin. The new chromatographic separation method for the Sr, Nd and Pb is developed in a single step using a controlled-pressure vacuum system applied to each column. The third key point of this thesis is based on a novel approach to studying the provenance of the lithic sediment fraction captured by a sediment trap between 1997 and 1998 in front of the Malaga coast. This sediment trap captured the sinking lithogenic particles in the Alboran Sea with an approximately bi-weekly resolution for a complete year; thus, an annual record of changes in the amount and nature of particles was obtained. A systematic provenance study is developed using isotope geochemistry techniques to characterise the source area of the lithogenic particles arriving in the Alboran Sea. In particular, the radiogenic isotopes of 87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd, 208Pb/204Pb, 207Pb/204Pb and 206Pb/204Pb were measured in the lithogenic sediment fraction, and the measured isotopic ratios signal were compared with the potential source areas and their corresponding isotopic endmember values. In this sense, due to the singular location of the Alboran Sea, lithogenic particles are typically introduced by both from fluvial discharges and/or atmospheric dust plumes from the Sahara desert. These new Sr and Nd isotope results clearly indicate that river discharge is the primary source of sediments arriving into the sediment traps. Even though there is evidence for a degree of presence of Saharan dust signal in all the samples, this endmember is generally significantly diluted by the sheer mass of sediments transported by rivers. Only during periods of the year with minimum river runoff, it is possible to clearly distinguish the Sahara isotopic signature in the lithogenic sediment samples. A comparison of the newly generated radiogenic isotope records with instrumental rainfall gauge records in Malaga and the Guadalhorce river discharges (located in front of the sediment trap) indicates that the observed variations in the isotopic composition of terrigenous materials (particularly Sr isotope ratios) are closely linked to the rainfall and river discharges. Therefore it is now possible to clearly differentiate through the 87Sr/86Sr ratio those events when the first rains occurred after the dry season (autumn and early winter), especially those associated to the torrential events and also those periods at the end of the rainy season followed by dry summer conditions (late winter to autumn). The fourth point takes advantage of the mechanistic changes described in the radiogenic isotope measurements in present-day sediment traps as a response to changes in rainfall patterns in the western Mediterranean Sea. Using these new results as a present-day analogue, it is possible now to extrapolate this isotopic mixing model to reconstruct past changes in rainfall

patterns during the Holocene. With this goal in mind, in this thesis has been measured 87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd, 208Pb/204Pb, 207Pb/204Pb and 206Pb/204Pb isotope ratios in the lithogenic fraction of marine sediments, at the same core site located in the Alboran Sea where the Mg/Ca-SST were measured. By applying the radiogenic isotope mixing models developed for the sediment traps, it is shown that a relatively constant fluvial discharge source of sediments during the Holocene at this location. Moreover, the elemental composition of the bulk sediment measured on the XRF- core scanner is statistically treated using the principal component analyses. This treatment reveals that Zr and K are potentially affected by hydrological changes. Based on the new measurements of radiogenic isotopes in lithogenic sediments as well as bulk XRF analysis, we can clearly subdivide the Holocene into three main climatic periods as defined by changes in the rainfall patterns: (1) the Early Holocene (11.7 – 7.6 cal kyr BP), described as relatively constant rainfall regime, reduced erosion and transport of fluvial sediments towards the sea; (2) the Middle Holocene (7.6 – 4.2 cal kyr BP) which is described as a transitional period marked by a progressive increase in erosion and sediment transport by rivers, potentially as a response to a regional aridification increase and/or enhanced torrential character of the rains, reaching a maximum expression in the sedimentary record at around 4.2 cal kyr BP. (3) the Late Holocene period (4.2 – 0 cal kyr BP) is punctuated by stronger millennial-scale variability compared to the previous intervals. It is argued that this last period corresponds to the establishment of rainfall patterns analogue to present-day conditions.

[cat] La regió mediterrània és molt sensible a la variabilitat climàtica moderna. Està situada en una zona climàtica subtropical temperada i envoltada quasi íntegrament per grans masses continentals fent que tant el clima com l’oceanografia estiguin controlats en gran mesura per la variabilitat climàtica dels sistemes atmosfèrics subtropicals i subpolars. El mar Mediterrani occidental intercanvia les aigües amb l'oceà Atlàntic a través de l'estret de Gibraltar, on les aigües superficials Atlàntiques entren al Mediterrani, mentre que les aigües Mediterrànies surten cap a l'Atlàntic en profunditat, fent així un intercanvi net de calor i sals que és molt sensible als canvis climàtic presents i passats. Aquesta tesi presenta un nou enfocament per a l'estudi i la comprensió de la variabilitat climàtica natural passada de la regió Mediterrània mitjançant l'anàlisi dels canvis ocorreguts a l'oceà i a l'atmosfera durant l'Holocè. Aquesta tesi pretén millorar la nostra comprensió sobre els mecanismes i les respostes climatològiques i oceanogràfiques que han modulat el clima del sud de la Península Ibèrica durant els últims 11.700 anys. A més, es presenten nous avenços metodològics rellevants en eines geoquímiques «d'última generació» per estudiar els canvis hidrològics passats i, per primera vegada, es validen aquests mètodes utilitzant uns registres de sèries temporals modernes al Mar d'Alboran. Aquesta tesi s'ha basat en quatre punts clau: En el primer punt clau es presenta un nou registre d’alta resolució que reconstrueix les temperatures superficials del mar (SST de l’anglès Sea Surface Temperatures) durant l’última desglaciació i l’Holocè. Es basa en les relacions de Mg/Ca mesurades en el foraminífer planctònic Globigerina bulloides. Aquest nou registre es compara amb altres registres de Mg/Ca, així com també amb altes registre prèviament publicats de SST a través d’alquenones de la mateixa regió i també durant el mateix període temporal. En tots el casos s’observa un al nivell de coherència entre els diferents registres de Mg/Ca, però alhora hi ha grans discrepàncies quan es compara amb els registres d’alquenones. S’argumenta que aquestes discrepàncies venen determinades per un canvi en la resposta dels dos indicadors (G. bulloides i alquenones) durant la desglaciació. Es fa la hipòtesi que G bulloides presenta una estratègia de resiliència, canviant la seva temporada principal de creixement i en conseqüència, durant la desglaciació el Mg/Ca registre un escalfament més petit que el que registren les alquenones. D’altre banda, durant l’Holocè, la variabilitat que s’observa en la reconstruccions de les SST a través del Mg/Ca és molt més elevada que no pas en els registres de les alquenones. Es proposa que les SST reconstruïdes a partir del Mg/Ca registren la variabilitat de temperatures durant la primavera, mentre que les alquenones, que mostren menys oscil·lacions, en realitat estan representant una mitja anual de les temperatures superficials del mar. El registre de Mg/Ca derivat a SST diferencia l’Holocè en tres períodes: (1) el període més càlid que succeeix durant l’Holocè Inferior (11.7 – 9 ka BP); (2) un refredament continu durant l’Holocè Mig que culmina al 4.2 ka BP registrant el període més fred de l’Holocè; (3) l’Holocè Superior (4.2 ka fins l’actualitat) on no es registre cap escalfament

o refredament però les oscil·lacions d’escala mil·lenària de SST s’incrementen. Aquest registre de SST es posa en context amb l’Atlàntic, discutint com es modifiquen les aigües Atlàntiques quan entren al Mediterrani, així com també la implicació que te la circulació de l’Atlàntic Nord. Així doncs, es proposa un estret lligam entre els patrons de circulació de l’Atlàntic Nord amb l’entrada d’aigües al mar Mediterrani que controlen la variabilitat climàtica de l’Holocè en aquesta regió. El segon punt clau d'aquesta tesi es basa en el desenvolupament d'un nou mètode ràpid, eficient i fiable per preparar mostres de sediments lítics per a l'anàlisi d'isòtops radiogènics (87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd, 208Pb/204Pb, 207Pb/204Pb i 206Pb/204Pb). Es desenvolupen dos nous mètodes: el primer amb l'objectiu d'aconseguir una digestió total de la fracció lítica, mentre que el segon té l'objectiu de separar i purificar els diferents sistemes isotòpics (Sr, Nd, Pb) de la fracció lítica mitjançant l'ús d'una única columna cromatogràfica amb la resina DGA. El nou mètode de separació de Sr, Nd i Pb per columnes cromatogràfica es desenvolupa en un sol pas utilitzant un sistema de buit de pressió controlada aplicat a cada columna. El tercer punt clau d'aquesta tesi es basa en un nou enfocament per estudiar la procedència de la fracció de sediments lítics capturada per una trampa de sediments entre els anys 1997 i 1998 davant de la costa de Màlaga. Aquesta trampa de sediments va capturar les partícules litògenes que s'enfonsaven al mar d'Alboran amb una resolució aproximadament quinzenal cobrint doncs un any complet. Així doncs, d’aquesta manera es va obtenir un registre anual dels canvis en la quantitat i la naturalesa de les partícules litogèniques. Per caracteritzar l'àrea font d’aquestes partícules que arriben al mar d'Alboran, es s’ha desenvolupat un estudi sistemàtic de procedència utilitzant tècniques de geoquímica d'isòtops. En particular, els isòtops radiogènics de 87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd, 208Pb/204Pb, 207Pb/204Pb i 206Pb/204Pb s’han mesurat en la fracció de sediments lítics, i la senyal d’aquestes relacions isotòpiques mesurades s’ha comparat amb la senyal de les àrees fonts potencials i els seus corresponents valors isotòpics de referència. En aquest sentit, a causa de la ubicació singular del mar d'Alboran les partícules litogèniques s'introdueixen típicament tant a partir de descàrregues fluvials i/o a partir de plomes de pols atmosfèrica provinent del desert del Sàhara. Aquests nous isòtops d’Sr i Nd indiquen clarament que la font primària de sediments que arriben a les trampes de sediments provenen majoritàriament de les descàrregues fluvials. Tot i que hi ha evidències de presència de pols sahariana en totes les mostres, aquesta senyal és generalment molt diluïda degut a la quantitat de sediments transportats pels rius. Però, només durant els períodes de l'any amb un mínim d'escorrentia fluvial és possible distingir clarament la senyal isotòpica del Sàhara en les mostres de sediments litogènics. Comparant els registres d'isòtops radiogènics generats amb els registres instrumentals de precipitació a Màlaga i les descàrregues del riu Guadalhorce (situats davant de la trampa de sediments) s’observa que les variacions observades en la composició isotòpica dels materials terrígens (particularment les relacions d'isòtops Sr) estan estretament relacionades amb les precipitacions i les descàrregues fluvials. Amb aquest estudi és clarament possible diferenciar a través de la relació 87Sr/86Sr aquells esdeveniments que ocorren durant les primeres

pluges que es produeixen després de l’estació seca (tardor i hivern primerenc), especialment aquells associats als esdeveniments torrencials i també aquells períodes al final de l'estació de pluges seguides per condicions d'estiu sec (finals d'hivern a tardor). El quart punt aprofita els canvis descrits en les mesures d'isòtops radiogènics en les trampes de sediments actuals com a resposta als canvis en els patrons de precipitacions a la Mediterrània occidental. Utilitzant aquests nous resultats com a anàlegs actuals, ara és possible extrapolar aquest model de barreja isotòpica per reconstruir els canvis passats en els patrons de pluja durant l'Holocè. Amb aquest objectiu en ment, en aquesta tesi s'han mesurat les relacions isotòpiques de 87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd, 208Pb/204Pb, 207Pb/204Pb i 206Pb/204Pb en la fracció litogènica dels sediments marins, en el mateix testimoni del Mar d'Alboran on es van mesurar les Mg/Ca-SST. Aplicant els models de barreja d'isòtops radiogènics desenvolupats per a les trampes de sediments, es mostra que durant l'Holocè la font de descàrrega fluvial es relativament constant en aquesta ubicació. A més es mesura la composició elemental del sediment total en XRF- core scanner i els valors obtinguts es tracten estadísticament utilitzant un anàlisis de components principals. Aquest tractament estadístic revela que Zr i K són potencialment afectats per canvis hidrològics. Basant en les mesures d’isòtops radiogènics en la fracció lítica dels sediments marins, així com amb l'anàlisi de XRF, permet subdividir l'Holocè en tres períodes climàtics principals segons els canvis en els patrons de precipitació: (1) l'Holocè inferior (11.7 - 7.6 cal kyr BP), descrit amb un règim de precipitacions relativament constant, amb una reducció de l'erosió i del transport de sediments fluvials cap al mar; (2) l'Holocè mitjà (7.6 - 4.2 cal kyr BP) que es descriu com un període transitori marcat per un augment progressiu de l'erosió i el transport de sediments dels rius, potencialment com a resposta a un augment regional de l’aridesa i/o un augment en el caràcter torrencial de les pluges, arribant a una màxima expressió en el registre sedimentari al voltant de 4.2 cal kyr BP. (3) el període de l'Holocè tardà (4,2 – 0 cal kyr BP) és marcat per una variabilitat mil·lenària més forta en comparació amb els intervals anteriors. S'argumenta que aquest últim període correspon a l'establiment de patrons de pluja anàlegs a les condicions actuals.