La risposta delle parasequenze carbonatiche alle variazioni relative del livello del mare sulla base di indicatori climatici

The geometrical deposition of prograding shallow-water carbonates is the key for high-resolution (tens of thousands of years as maximum) paleoceanographic reconstructions. The project is driven by the interest in investigating the response of the coastal carbonate depositional systems to relative sea-level changes through the evolution of palaeoclimatic proxies. Heterozoan carbonate deposits cropping out in central Sicily (southern Italy) represent the perfect study case. Here, the resultant stratal architectures reflect the interaction between the efficiency of the carbonate factory and the evolution of accommodation space generated by relative changes in sea-level. Reading the record of stratal architecture therefore provides a high-resolution tool for reconstructing relative sea-level changes. The Quaternary successions of central and southern Sicily represent ideal opportunities to calibrate these records against other palaeo-climate proxies, such as oxygen isotopes. The main Quaternary succession of the Caltanissetta Basin in central Sicily shows rhythmic and constant repetition of marginal packstone bodies made of prograding sigmoidal clinoforms, evolving into siliciclastic mud to the offshore. Their record is affected by tectonics but generally is driven by cyclic eustatic sea-level changes. Therefore, this project aims at studying the relationship between coastal carbonates depositional architecture, happening during relative sea-level changes, and paleo water temperature. Each module of the present thesis will corroborate each step of the scheme to finally test the relationship between depositional architecture and seawater temperature. The first part of the work focuses on stratigraphic, sedimentological, and compositional studies of carbonates to define their main depositional features linked to carbonate production and sea-level changes. Existing models will be explained and re-examined for the basin from original investigations. A new sequence stratigraphic diagram (Wheeler diagram) strictly related to sea-level changes is presented. The carbonates have been loosely constrained in age from previous studies. However, a complete and detailed bio- and magneto-stratigraphic work is still missing. Dating the carbonate succession will enhance understanding of the main climatic events happening in the Northern Hemisphere, and how they possibly influenced the carbonate deposition, as well as the mean offset from the existing global time-temperature chart (from δ18O analyses in deep-oceans). Finally, the relationship between depositional architecture and sea water temperature is tested though a very responsive paleoclimatic proxy: the δ18O. The intention is to test the change in seawater temperature during carbonate progradation. Since temperature cannot be directly measured from sediments, δ18O analyses on fauna (from carbonates) should allow generation of a high-resolution trend that reflects seawater temperatures. The main hypothesis then would be that since carbonates develop as a regressive system (during sea-level fall) temperature should decrease through the progression of sedimentation, thus through time. If that is the case, from the start to the end of one prograding packstone body, δ18O should increase in value towards younger times. The thesis presents two excellent exposures of prograding shallow-water carbonates from central Sicily as unique opportunities around the Mediterranean basin to study sediment geometries and their relationships with sea-level changes. This study represents a first attempt in high-resolution paleoclimatic reconstructions through detailed analyses of inorganic and organic geochemistry, faunal association, stratigraphy, and isotopic responses whose results can be used as foundations for future millennial scale paleoceanographic reconstructions over shallow water environments.

Il presente progetto di dottorato ha avuto lo scopo principale di ricostruire la relazione tra le variazioni del livello del mare e i cambiamenti paleoclimatici/paleoambientali attraverso lo studio di sistemi carbonatici di mare poco profondo. A tal fine, sono stati considerati due affioramenti carbonatici ascritti alla Formazione Calcareniti di Capodarso ubicati nel Bacino di Caltanissetta (Sicilia centrale). Essi sono Monte Capodarso-Monte Sabucina (EN-CL) e Valle Serieri (EN), entrambi appartenenti al Rocca di Cerere UNESCO Global Geopark. Tali affioramenti rappresentano nel Mediterraneo centrale degli ottimi esempi di parasequenze carbonatiche, ideali per ricostruzioni paleoambientali ad alta risoluzione (103 – 104 anni). Le parasequenze sono definite come pacchi di strati continui e geneticamente correlati delimitati al tetto e alla base da superfici di annegamento o da superfici di erosione in trasgressione (ravinement surface). La ripetizione di tali parasequenze ha carattere ciclico, suggerendo una correlazione con i cicli di Milankovich. L’architettura deposizionale delle calcareniti è stata studiata tramite metodologie moderne di ricostruzione digitale di affioramenti in 3D, come l’aerofotogrammetria e i rilievi GNSS. Attraverso l’uso di algoritmi specifici è stata definita l’affidabilità (accuratezza) delle geometrie riprodotte digitalmente e l’integrità dei modelli digitali 3D. Questi ultimi sono stati quindi utilizzati per la creazione di mappe geologiche di dettaglio delle parasequenze e per lo studio delle geometrie tra le sequenze per valutare l’influenza della tettonica sulla sedimentazione. Diverse campagne di campionamento sono state svolte per analisi bio-, magneto-stratigrafiche, composizionali, geochimiche e isotopiche. I campioni raccolti sono stati georeferiti sui modelli 3D e sulle colonne stratigrafiche da essi derivate. Il primo obiettivo è stato di definire l’ambiente deposizionale al fine di comprovare il principale carattere carbonatico di tali depositi, e quindi la stretta relazione tra produzione carbonatica e cambiamenti relativi del livello del mare. A tal fine, sono state condotte analisi micro e macroscopiche sull’associazione faunistica e petrografiche su sezioni sottili, supportate da indagini geochimiche (ICP-MS - Inductive Coupled Plasma-Mass Spectrometry, XRD e terre rare - REE-Y). Le analisi bio- e magneto-stratigrafiche (in collaborazione con INGV di Roma) su 79 campioni dai diversi affioramenti sono state volte a definire l’età deposizionale. Infine, analisi isotopiche e di geochimica organica sono state svolte presso il centro di ricerca GEOMAR (Kiel, Germania) e presso l’Università della Silesia in Katowice (Polonia), per ricostruzioni paleoambientali. Nel tentativo di ricostruire una curva paleoclimatica alla scala di 104 anni, è stato scelto come indicatore il δ18O, ampiamente utilizzato in studi paleoclimatici. Tali analisi sono state condotte prevalentemente su foraminiferi bentonici e planctonici, scelti dalla frazione tra i 250 e 400 µm, previa valutazione della conservazione della micro- e macro-fauna. Quest’ultima ha previsto l’uso di stereomicroscopi, SEM (Microscopio elettronico a scansione), microsonda elettronica (svolta dall’Università di Varsavia in collaborazione con l’Università della Silesia in Katowice) e catodoluminescenza (Università della Silesia in Katowice). Infine, i biomarker preservati nel bulk dei depositi considerati sono stati analizzati attraverso un GC-MS (Gascromatografia-spettrometria di massa) e confrontati con risultati ottenuti attraverso le analisi di geochimica inorganica e isotopica.