Interglacials hydrological diversity from high altitude Mediterranean archives inferred from continental carbonates (speleothem and lakes): analyses of two Apennine sites (central Italy).

Diversità idrologica degli interglaciali da carbonati continentali (speleotemi e sedimenti lacustri) di aree montane del Mediterraneo: analisi di due siti appenninici (Italia centrale) Il presente progetto di Dottorato consiste nella ricostruzione della variabilità idrologica di due siti montani dell’Appennino centrale (le Alpi Apuane in Toscana e il bacino di Sulmona in Abruzzo) durante il periodo compreso tra i 160 e i 90 mila anni fa e durante l’Olocene. Il materiale di studio sono carbonati continentali (speleotemi provenienti da due grotte, la Tana che Urla e il Corchia, per le Apuane e sedimenti lacustri per il bacino di Sulmona). I carbonati continentali sono un potente archivio delle variazioni idrologiche nel bacino del Mediterraneo, perché fanno parte integrante del ciclo idrogeologico e perché molte delle loro proprietà sono legate al clima. Per ogni sito sono stati prodotti dei records di composizione degli isotopi stabili (δ18O e δ13C) che sono poi stati comparati con altre proprietà (proxies) dei depositi indagati (petrografia e composizione degli elementi in traccia per gli speleotemi, contenuto percentuale in carbonato di calcio per i sedimenti lacustri) in modo da garantire una migliore interpretazione del record isotopico in termini di variazioni climatiche ed ambientali. Un punto di forza degli archivi selezionati è la possibilità di avere cronologie independenti per ogni record, grazie a datazioni U/Th per gli speleotemi e grazie allo studio tefrostratigrafico (correlazione diretta con altri archivi) e tefrocronologico (datazioni Ar/Ar) dei livelli di cenere vulcanica intercalati ai depositi carbonatici lacustri. I risultati ottenuti sono stati comparati e correlati con la variabilità climatica regionale (i.e. Mediterranea) ed extra-regionale (principalmente Nord Atlantica ma con riferimenti anche ai patterns di circolazione atmosferica delle latitudini tropicali). Gli obiettivi sono stati quelli di ricavare un quadro della risposta idrologica del Mediterraneo centrale alle variazioni climatiche su scala emisferica e globale e definire le rispettive influenze delle diverse componenti del sistema climatico alle diverse scale temporali (orbital e sub-orbitale), con particolare attenzione alle teleconnessioni con i fenomeni di circolazione oceanica ed atmosferica del Nord Atlantico e con il sistema monsonico dell’emisfero boreale. L’intervallo temporale investigato corrisponde alla parte finale del penultimo periodo glaciale (Stage Isotopico Marino, MIS 6), alla penultima deglaciazione (Termination II), all’ultimo interglaciale (MIS5e-d), alla prima parte dell’ultima glaciazione (MIS5d-b) e al presente interglaciale (Olocene). La comparazione della variabilità idrologica in periodo caratterizzati da diverse condizioni al contorno (parametri orbitali, estensione delle coperture glaciali, diverse concentrazioni di gas serra etc.) è infatti molto utile per ricostruire le relazioni di causa-effetto tra i fenomeni osservati. Nell’ambito della tesi di dottorato sono stati prodotti 4 records di variabilità idrologica che sono stati discussi ed interpretati separatamente: i) Il record olocenico degli elementi in traccia del campione CC26 (Antro del Corchia): Tramite l’analisi statistica dei dati (rapporti molari di Mg/Ca, Ba/Ca, Sr/Ca, inediti, e composizione isotopica di ossigeno e carbonio, precedentemente pubblicati da Zanchetta et al., 2007) è stata prodotta una curva delle anomalie medie che evidenzia una variabilità climatica sub-millennaria riconducibile a variazioni nella stagionalità delle precipitazioni e correlabile con la variabilità olocenica già conosciuta in letteratura (e.g. l’evento a 4.2 ka, la Piccola età del Ghiaccio..). ii) Il record petrografico, isotopico e del tasso di crescita di due carote di flowstone della Tana che Urla per il periodo ca. 160-120 ka BP. Il record mostra una significativa variabilità idrologica sia a scala orbitale che sub-orbitale. Nella parte finale del MIS6 è evidente un periodo umido correlabile con quanto osservato in altri speleotemi italiani (Grotta dell’Argentarola, Lazio) e del Mediterraneo occidentale (Grotte di Soreq e Peqiin, Israele). Molto evidente in tutti i proxy analizzati è la transizione tra MIS6 e MIS5, caratterizzata da un rapido e sostanziale aumento delle precipitazioni e da una contemporanea risposta ambientale (rapido sviluppo del suolo e della vegetazione nell’area di assorbimento della grotta). La prima parte dell’ultimo interglaciale mostra 3 eventi interpretabili come deterioramento delle condizioni climatiche, correlabili con quanto osservato in altri records, sia marini sia continentali. iii) Il record isotopico della successione lacustre di Sulmona per il periodo 115-90 ka BP. Le variazioni presenti nel record del δ18O mostrano una buona correlazione con il record delle carote di ghiaccio della Groenlandia per gli interstadiali GI25, GI24 e GI23 e con altri record ricavati da speleotemi sia italiani (Antro del Corchia) sia alpini. Nell’intervallo di tempo esaminato, emerge una prominenza dell’interstadiale GI24 rispetto agli interstadiali successivo e precedente. Tale prominenza è interpretata come legata ad una maggiore stagionalità delle precipitazioni (inverni umidi ed estati aride) e tale interpretazione è confermata da una maggiore abbondanza di elementi Mediterranei nel record pollinico del Lago di Monticchio, con cui la successione di Sulmona è fisicamente correlata grazie alla presenza degli stessi livelli vulcanici. Il periodo di maggiore stagionalità evidenziato dal record isotopico è circoscritto da due livelli vulcanici che si ritrovano anche in una carota marina del Tirreno dove circoscrivono la deposizione del sapropel S4, suggerendo una relazione tra stagionalità delle precipitazioni nel Mediterraneo centrale e la deposizione dei sapropel nel Mediterraneo orientale. iv) Il record composito (Corchia Cave Stacked, CCS), ottenuto da 4 stalagmiti dell’Antro del Corchia per il periodo 150-90 ka BP (parte dei dati pubblicata, parte inedita). Grazie all’elevata sensibilità idrologica del sito, ai suoi stretti legami con il sistema climatico del Nord Atlantico e all’eccellente cronologia U/Th, il nuovo CCS rappresenta un template della variabilità millenaria del MIS5 la cui significatività si estende ben oltre la regione Mediterranea. Grazie alla significativa somiglianza tra il record del Corchia e i records di diverse carote marine provenienti dal Nord Atlantico e dal Mediterraneo è stato infatti possibile effettuare un tuning dei records marini sulla cronologia radiometrica del Corchia. Tale operazione ha permesso il preciso inquadramento temporale della variabilità del MIS5 (in particolare la successione degli eventi freddi da C28 a C22) e la definizione dell’inizio, della fine e della durata dell’ultimo interglaciale (Eemiano) in ambiente continentale. La discussione generale della tesi di dottorato analizza e compara i dati del MIS5 con quelli Olocenici e, grazie alla comparazione tra records pollinici records monsonici e isotopici provenienti dal settore orientale del Mediterraneo, esplora le relazioni tra stagionalità delle precipitazioni nel Mediterraneo centrale, incremento dell’attività monsonica e deposizione dei sapropel S1, S4 e S5 nel Mediterraneo orientale. English version: In the present thesis, climate records from three different sites in the Apennine area are presented. Covered periods are from 160 to 90 ka BP (encompassing the time from the previous glacial to the last glacial inception) and the last 13 ka BP (late Glacial-Holocene). The multiproxy records derive from continental carbonates (speleothems from “Corchia” and “Tana che Urla” caves and a paleo-lake section from the Sulmona basin, all in central Italy). Investigated proxies are stable isotope (δ18O and δ13C), trace elements composition and petrographic data. The aims are reconstructing the hydrological variability in the Mediterranean and understanding the climate forcing and the teleconnections with the North Atlantic and the low latitudes. This is done comparing the obtained multiproxy records with other climate-environmental data from the west-central Mediterranean area (pollen and SST records), the North Atlantic (ice and marine cores) and the East Mediterranean (speleothem, pollen records and marine cores). The δ18O composition of the carbonates is used as a moisture-proxy mainly reflecting the changes in the amount of precipitation as well as their seasonal distributions. Thus the Mediterranean response to the North Atlantic climate variability is reflected in hydrological changes perfectly registered in the speleothem and lake records of the Apennine area. All the presented records are independently dated (U/Th dating for speleothems and tephrochronology for the paleo-lake section) and it allows to define the length of the last interglacial period in central and southern Europe and the timing of the climatic events occurring in the Mediterranean area. The thesis is subdivided into different chapters with the “Results and Discussion” mainly consisting in four papers published in peer-reviewed journals in the course of the PhD. Moreover, one paragraph presents not-published data regarding the timing and progression of the Mediterranean climate during MIS 5 using a stacked record from the Corchia Cave. At the end a general discussion chapter links together all the results obtained, covering both the Holocene and the previous interglacial/glacial inception and putting this work in a more general context of climate variability in the Mediterranean at orbital and suborbital scales, looking at the main teleconnections with the low latitudes (different monsoonal systems) and the North Atlantic climate variability