Eastern mediterranean sea palaeoceanography at the time of sapropel S1 deposition

The growing complexity and volume of paleodata make Big Data Analytics (BDA) a fundamental field of science that will provide ground-breaking research tools that will be instrumental to the scientific accomplishments of the next decades. For the first time, the sapropel (S1) deposition has been studied through BDA techniques. Sapropels are organic-rich dark sediments deposited during the last 13.5 million years (Miocene-Pliocene-Pleistocene-Holocene) in the eastern Mediterranean Sea. Even though several mechanisms have been proposed that might have led to the deposition of sapropels, but until now, we not know the precise process of it. The goal of this thesis was to use the novel Data Analytics (DA) techniques to contribute to identify the mechanisms leading to S1 deposition, and deepening our understanding of the modes of operation of the eastern Mediterranean Sea throughout S1. Taking advantage of the great wealth paleodata in the literature at the time of S1 deposition, we designed and developed the BEyOND database, which provides a large amount of paleodata record of the Mediterranean Sea past 20.000 years history. This first step revealed the need for data standardization as the main issue when working with a huge data volumes. The results obtained by combination of cores collected at different water depths and located across the eastern Mediterranean Sea (Adriatic, Aegean, Ionian, and Levantine Seas) shown a synchronous S1 deposition in the whole eastern Mediterranean Sea between 10.1 and 6.5 Cal. ka BP with slight differences of the order of 100-130 years, showing a depth-dependent deposition. This synchronism was reflected in the large input of freshwater in the whole eastern Mediterranean Sea that, together with the cold events observed at 9.5, 8.5 (related to 8.2 ka event), and 7.5 Cal. ka BP, confirm the close interplay between mid- (North Atlantic) and low-latitudes (North African Monsoon) climate systems. These cold events caused activation/enhancement of the intermediate waters circulation and the subsequent resumption of deep-water formation that improved the oxygen conditions. Furthermore, the different redox conditions and TOC contents observed among the sub-basins are not representative of the local forcings but correlate to different water depths. Finally, the S1 onset did not occur under anoxic waters, as these were settled 400-500 years after S1 onset, in line with the progressive deterioration of deep water ventilation.

L’incremento in volume e complessità dei dati paleo rende il Big Data Analytics (BDA) un settore fondamentale della scienza che fornisce strumenti di ricerca innovativi, fondamentali per i risultati scientifici dei prossimi decenni. Per la prima volta, la deposizione del sapropel S1 è stata studiata attraverso le tecniche BDA. I saproprel sono sedimenti scuri ricchi in sostanze organiche, che si sono depositati nel mar Mediterraneo orientale durante gli ultimi 13.5 miliardi di anni (Miocene-Pliocene-Pleistocene-Olocene). Differenti ipotesi sono state proposte per spiegare la deposizione dei sapropel ma, nonostante questo, ad oggi non siamo a conoscenza dei precisi processi che determinano la sua deposizione. Lo scopo di questa tesi è quello di approfondire le conoscenze riguardanti i processi che hanno causato la deposizione di S1 ed il modus operandi del mar Mediterraneo orientale durante questo evento. Considerando la ricchezza dei dati paleo in letteratura riguardanti la deposizione di S1, abbiamo prima di tutto ideato, e successivamente sviluppato, il database BEyOND, che contiene un’ampia quantità di dati paleo relativi agli ultimi 20.000 anni di storia del mar Mediterraneo. Questa prima fase del lavoro ha incontrato difficoltà dovute alla mancanza di dati standardizzati, un aspetto che si è rivelato essere una delle principali problematiche di quando si lavora con un grande volume di dati. I risultati ottenuti attraverso la combinazione di carote raccolte in differenti bacini (Mar Adriatico, Egeo, Ionio e Levantino) ed a differenti profondità, hanno mostrato una deposizione sincrona di S1 in tutto il Mediterraneo orientale tra 10.1 e 6.5 cal. ka BP, con piccole differenze di 100-130 anni in profondità che mostrano una deposizione dipendente da quest’ultima. Questo sincronismo si è riflesso dal grande apporto d’acqua dolce avvenuto in tutto il Mediterraneo. Questo apporto d’acqua, insieme ai diversi eventi freddi osservati a 9.5, 8.5 (in relazione all’evento 8.2 ka), e 7.5 cal. ka BP, conferma la stretta interazione dei sistemi climatici fra le medie (Atlantico nord) e basse latitudini (il monsone del nord di Africa). Gli eventi freddi, precedentemente citati, incrementarono la circolazione dell’acque intermedie con la conseguente formazione delle acque profonde, che migliorarono le condizioni di ossigeno nei fondali marini. Le differenti condizioni di ossidoriduzione ed il variabile contenuto di TOC osservato fra i bacini, inoltre, non sono rappresentativi delle forzanti locali ma sono correlati alle differenti profondità dell’acqua. Infine, è stato osservato che l’iniziale deposizione di S1 non è avvenuta in condizioni anossiche, poiché queste condizioni si sono manifestate dopo 400-500 anni dall’inizio di S1. Questi risultati sono in linea con il progressivo deterioramento della ventilazione delle acque profonde dei fondali del Mediterraneo orientale.