Resumen de Cenozoic paleoenvironmental and paleoceanographic reconstructions in the Drake-Scotia gateway
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El papel desempeñado por la apertura y profundización del Paso de Drake y Mar de Scotia en el desarrollo de la primera capa de hielo Antártica a escala continental y el inicio de la Corriente Circumpolar Antártica (ACC) en la Transición Eoceno-Oligoceno (EOT), es objeto de debate. El factor limitante es el escaso control de edad de la separación de los diferentes bloques continentales que llevaron a la apertura del Paso de Drake; de hecho, las edades propuestas para la apertura varían entre 40 y 17 millones de años (Ma). La apertura progresiva del Paso de Drake propició el desarrollo de pequeñas cuencas sedimentarias en el sur del Mar de Scotia. La formación de dichas cuencas tuvo un gran impacto en el establecimiento de los patrones de circulación de aguas profundas, posibilitando la salida de aguas antárcticas frías a través del Mar de Weddell (i.e., agua profunda del Mar de Weddell: WSDW), así como su interacción con los diferentes frentes de la ACC en el Mar de Scotia. Pese a su relevancia, el conocimiento de la distribución regional y la variabilidad temporal de las masas de agua en el Mar de Scotia es muy limitado. Esta tesis doctoral tiene dos objetivos principales: (1) reconstruir los cambios paleoambientes en el Microcontinente de las Orcadas del Sur (SOM) y su relación con la evolución tectónica y climática del Paso de Drake -Mar de Scotia durante el Eoceno superior- Oligoceno; (2) reconstruir los patrones de sedimentación reciente en aguas profundas en la parte occidental del Mar de Scotia, y evaluar las rutas e interacciones entre las principales corrientes de fondo (ACC y WSDW) una vez desarrolladas completamente. Estos dos objetivos engloban dos ventanas temporales diferentes que representan las dos situaciones extremas de influencia de las corrientes de fondo alrededor de la Antártida, y sus eventuales vínculos con los cambios climáticos. Para lograr estos objetivos, se han llevado a cabo análisis en testigos de sedimentos marinos obtenidos en el SOM (Pozo ODP 696B), y de datos geofísicos e hidrográficos obtenidos en la Cuenca Ona, la cuenca más occidental del Mar de Scotia. En primer lugar, esta tesis indica que durante el Eoceno tardío (~37.6–35.5 Ma) el SOM estaba unido a la Península Antártica antes de la apertura de la Cuenca Powell. Desde ~35.5–34.1 Ma, la identificación de un proceso de glauconitización documenta un reducción de aporte terrígeno al SOM y una tendencia de ascenso relativo del nivel del mar guiada por la apertura de la proto-Cuenca Powell. En la EOT (~34.1–33.6 Ma), se identifican dos fases regresivas dentro de la tendencia general de ascenso relativo del nivel del mar, posiblemente relacionadas con el enfriamiento global y la expansión del hielo continental hacia zonas costeras antárticas. El Oligoceno inferior (~33.6–33.2 Ma) documenta una profundización adicional del SOM en respuesta al desarrollo de la apertura de la Cuenca Powell. Durante este último intervalo la sedimentación es rica en materia orgánica en respuesta a un incremento de la productividad biológica, en parte determinada por el establecimiento de un fenómeno de afloramiento costero. El enfriamiento durante la EOT condicionó la composición de floras terrestres. Nuestro registro sedimentario, de n-alcanos sugiere un cambio de bosques templados relativamente húmedos en el Eoceno superior a bosques secos y fríos en el Oligoceno inferior, acompañado de una disminución progresiva del aporte de materia orgánica terrestre. Además, nuestros resultados sugieren que la apertura de la proto-Cuenca Powell podría haber proporcionado una vía somera para un flujo de agua a través de la cuenca restringida hacia el norte del Mar de Weddell, estableciendo las condiciones para el desarrollo de un afloramiento costero en el margen sur de la plataforma del SOM. Asimismo, las variaciones de productividad desde el EOT podrían haber sido el resultado del efecto combinado de la apertura de la Cuenca Powell y el enfriamiento climático. Nuestros resultados, además, demuestran la necesidad de establecer un enfoque integrado (sedimentológico, mineralógico y geoquímico) al interpretar sedimentos glauconíticos y las condiciones fisicoquímicas relacionadas con su depósito. Solo bajo esas condiciones la autogénesis de glauconia puede utilizarse como un indicador paleoambiental en sedimentos antárticos cenozoicos. Además, se proporcionan nuevos avances en el conocimiento del mineral ‘glauconita’. En particular, se propone que la glauconita debe considerarse como un interestratificado mica-esmectita con orden R3, rico en mica, mientras que la mica pura del término extremo también tiene características químicas intrínsecas deficientes en K (K+ ~0.8 apfu). En segundo lugar, esta tesis doctoral investiga la distribución espacial de los rasgos morfo-sedimentarios superficiales en la Cuenca Ona, documentando así la influencia de las masas de agua profundas en el modelado del fondo marino, una vez abierto completamente el Paso de Drake y las cuencas del Mar de Scotia. El margen sur de la cuenca puede considerarse como un sistema mixto/híbrido con abundantes cuerpos y rasgos erosivos contorníticos con una gran extensión lateral, interrumpidos por morfologías perpendiculares al talud. La llanura abisal incluye extensos cuerpos contorníticos laminares relativamente homogéneos con ondas de sedimento superimpuestas, cuerpos contorníticos monticulares y diversos rasgos erosivos contorníticos, indicando una influencia mayor de las masas de agua de fondo en el suelo marino. En el sur de la cuenca, la tectónica es el factor de control en la interacción entre los procesos sedimentarios profundos longitudinales y transversales al margen continental, a medida que el flujo hacia el oeste del WSDW se desvía, canaliza e intensifica en su ruta. Por el contrario, en el norte de la cuenca se documenta la rotación en sentido horario del flujo del WSDW, así como una variabilidad espacial y vertical del WSDW y de los frentes de la ACC, afectando los patrones de sedimentación profundos alrededor de montes submarinos y altos estructurales. Estos resultados señalan la importancia de la estructura vertical de las masas de agua, la inclinación de las interfases, el grado de confinamiento de las cuenca, y la influencia de los altos batimétricos en los modelos de sedimentación de pequeñas cuencas oceánicas con escaso aporte sedimentario.
- English
The role that the opening and deepening of the Drake Passage and the Scotia Sea played in the development of the first Cenozoic continental ice sheet in Antarctica and the onset of the Antarctic Circumpolar Current (ACC) during the Eocene-Oligocene Transition (EOT) is still uncertain. This limited knowledge stems from the poor age control of the separation of the diferent continental blocks leading to the opening of the Drake Passage; in fact, proposed ages for this opening range from 40 to 17 million years (Ma). Along with the progressive opening of Drake Passage, a number of small sedimentary basins developed in the southern Scotia Sea. These basins had a major impact on the establishment on deep-water circulation patterns due to their role as principal conduits for the exit cold Antarctic waters from the Weddell Sea (i.e., the Weddell Sea Deep Water: WSDW) and their interaction with the diferent fronts of the ACC in the Scotia Sea. In spite of this importance, the knowledge of the distribution and temporal variability of the water masses in the Scotia Sea is very limited.
This PhD Thesis aims to: (1) reconstruct late Eocene to early Oligocene paleoenvironmental changes at the South Orkney Microcontinent (SOM) and their relation to the tectonic and climatic evolution of the Drake Passage-Scotia Sea; (2) reconstruct the recent deep-water sedimentation patterns in the western Scotia Sea to asses the paths and interactions between major bottom current patterns once the ACC and the WSDW were fully developed. These two objectives target two diferent temporal windows that represent the two end-member situations on the establishment of bottom currents around Antarctica, and their eventual links with climatic changes. To achieve these aims, we have conducted a suite of analysis in marine sediment cores recovered in the SOM (ODP Site 696B), and using geophysical and hydrographic datasets collected in the westernmost Scotia Sea basin (Ona Basin).
Firstly, this PhD Thesis shows that during the late Eocene (~37.6–35.5 Ma) the SOM was still attached to the Antarctic Peninsula prior to rifting related to the opening of Powell Basin. From ~35.5–34.1 Ma, a shutdown in terrestrial input and the identification of a glauconitization process indicates a continuous deepening and relative sea-level rise trend led by the rifting process and opening of the proto-Powell Basin. At the EOT (~34.1–33.6 Ma), major cooling and continental ice expansion to coastal and shelf areas was likely recorded at Site 696B by regressive phases bracketed within the overall sea-level trend recorded since ~35.5 Ma. The early Oligocene (~33.6–33.2 Ma) documents further deepening of the SOM in response to the continued rifting and opening of Powell Basin. During this last interval, deposition of organic-rich sediments was induced by enhancement of biological production, partially driven by upwelling.
Major cooling across the EOT influenced the composition of terrestrial floras in our sediments record. A shift in terrestrial n-alkanes from relatively humid temperate forests in the late Eocene to dry and cool forests in the early Oligocene seems to indicate a weaker contribution of the terrestrial organic matter to the marine sediments. In addition, our results suggest that the opening of the proto-Powell Basin could have provided a shallow-water pathway for water flowing through the restricted Powell Basin towards the northern Weddell Sea, enhancing upwelling at the southern SOM shelf margin. Further, productivity variations since the EOT might have resulted from the combined effects of the Powell Basin opening and climate cooling.
Our results further demonstrate that an integrated sedimentological, mineralogical and geochemical approach is required when interpreting glaucony-bearing deposits and related physico-chemical conditions. Only in such circumstances glaucony authigenesis can be used as a reliable paleoenvironmental indicator in Cenozoic Antarctic sediments (i.e., mature in situ vs. reworked sediments). Additionally, new insights into the nature of the mineral ‘glauconite’ have been provided. Particularly, it is proposed that glauconite must be assessed as mica-rich mica-smectite R3 interstratified mineral, while the pure end-member mica also having intrinsic K-deficient chemical characteristics (K+~ 0.8 apfu).
Secondly, this PhD Thesis investigates the distribution of morpho-sedimentary features in Ona Basin as a proxy for documenting present-day oceanographic influence on the seafloor, once the Drake Passage and Scotia Sea basins have been fully opened. The southern margin of the basin can be regarded as a mixed/hybrid system containing abundant sediment drifts with channels and contourite moats and a lateral continuity interrupted by downslope morphologies. The northern abyssal setting comprises relatively homogeneous large sheeted drifts with superimposed sediment waves, mounded drifts, and several scattered erosive features, likely reflecting the more distinct influence of deepwater contourite processes. In the southern basin, tectonic features control the interaction between deepwater along- and down-slope processes, as the westward flow of the WSDW is deflected, channelized, and intensified along its westward route. In contrast, an overall clockwise rotation of the WSDW flow, with the spatial and vertical variability of ACC fronts and WSDW affecting the distribution of bottom-current features around seamounts and/or structural highs is documented in the northern region. These results underscore the importance of sloping interphases in the water mass vertical structure, the degree of basin confinement, and the influence of local bathymetric elevations in sedimentation models of small sediment-starved oceanic basins.
