Dottorato di Ricerca in Scienze della Terra
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Dott. Matteo Reghizzi



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Tutore:

Tesi:

Sub-milankovian cyclicity in Messinian evaporites: sedimentological, petrographic, geochemical and geochemical-isotopic analyses

Supervisor:

Dott. Vinicio Manzi, Università di Parma

Co-supervisors:

Prof. Marco Roveri, Università di Parma
Prof. Stefano Lugli, Università di Modena e Reggio Emilia
Prof. Paola Iacumin, Università di Parma
Dott. Emma Salvioli Mariani, Università di Parma

The Messinian salinity crisis (MSC) is a complex geological event that resulted in the transformation of the Mediterranean Sea into a giant brine pool where a dramatic hydrological and biological crisis occurred at about 6 Ma. This crisis led to the deposition of huge gypsum and halite deposits (more than 1 x 10km3) which, in less than 640 ka, accumulated on the bottom of the Mediterranean basin, both in shallow and deep-water settings (Fig. 1) (Manzi et al. 2009, 2012, Lugli et al., 2010, Roveri et al., 2008). This peculiar geological event has been for many years subject of interest of the international scientific community and still has many unresolved problems and controversies. The main issues concern: i) the evaporite deposits stratigraphic correlation in different Mediterranean geological settings (Lower Evaporites and halite, Upper Evaporites), ii) the identification and description of the different stages that characterized the evaporative event and their accurate chronostratigraphic calibration, iii) the sedimentological facies interpretation and the relationships with geological, hydrological, geochemical and biological factors characterizing the original depositional environments, iv) the factors controlling the late Miocene Mediterranean hydrology, v) the evolution of paleoenvironmental and paleoclimatic conditions during the event and their variations related to the main astronomical cycles and to middle-high-frequency climatic oscillations. Recent studies on the Messinian evaporite deposits showed a marked lithological cyclicity due to climatic variations at different scale that would have altered paleoceanographic and hydrological conditions of the entire Mediterranean basin. The larger scale cyclicity (shown by the alternation of gypsum and clay metric beds) is attributable to milankovian astronomical variations, while that at smaller scale refers to sub-milankovian oscillations (Manzi et. al., 2009, 2012, Lugli et. al., 2010, Roveri et. al, 2006, 2008, 2014).

The purpose of this PhD project is to reconstruct paleoclimatic and paleoenvironmental conditions that controlled evaporites deposition, through an integrated sedimentologic, stratigraphic, petrographyc and geochemical study of evaporites from key sections characterizing different Mediterranean geological settings (central and northern Apennines, Sicily, Spain; Manzi et. al., 2009, 2012, Lugli et. al., 2010, Roveri et. al, 2006, 2008) Part of the samples is already available, while others will be collected in coming months. In particular, the aim is to reconstruct hydrological features (salinity, temperature) of brines from which Messinian evaporites precipitated and their variability according to latitudinal parameters and different time scale, through geochemical isotopes studies (Sr, O, C, S and H) and fluid inclusions analysis on Messinian evaporites (gypsum and halite), previously sedimentologically and petrographically characterized.

The main issues to deal can be summarized in three main points:

1) Variability of hydrological and paleoceanographic conditions at milankovian scale – Lower Evaporites and (in case) Upper Evaporites

Sr isotopic analysis of the Lower Evaporites (Lugli et al., 2007; 2010) suggest a precessional-type control between the variability of Mediterranean hydrological conditions and evaporites deposition. The number of samples analyzed is, however, reduced and further analysis are required to validate this hypothesis.

Furthermore, we will attempt to identify and describe a dependence between 87Sr/86Sr and δ18O isotopic ratios and large and small scale hydrological and hydrodynamic changes in different settings of the Mediterranean basin, like continental and oceanic water inflow-outflow, and variability of evaporation and precipitation rate during the late Messinian period (Topper et. al., 2011, 2013). This will be hopefully possible by comparing proxies data of two gypsum cycles, different for both facies and depositional environment and recording well defined time intervals.

2) Variability of hydrological and paleoceanographic conditions at sub-milankovian scale (annual and pluriannual) – Lower Evaporites, halite

A further purpose is to highlight, through a systematic and detailed sampling, the presence of diagnostic markers for the detection of sub-milankovian periodic cycles influence, from a macroscopic point of view and also with the interpretation of microtextural and mineralogical variations, investigating gypsum and halite outcrops from Apennines and Sicily (Fig. 2) (Manzi et. al., 2012). In particular we intend to study small-scale cyclicity visible in Lower Evaporites primary gypsum (Northern Apennines and Sicily) and halite and kainite cyclic alternations in the Realmonte salt mine (Sicily) (Fig. 3).

3) Investigate hydrological features of brines from which Messinian evaporites precipitated and evaluate the presence of a annual-pluriannual climatic variability – Lower Evaporites, halite

This target is closely related to the previous one and aims to investigate two main aspects.

3.1) Recent evaporites fluid inclusions data from Piedmont basin suggest that the deposition of evaporites occurred from very-low salinity brines. Similar analysis are underway for Vena del Gesso basin succession, in order to generalize this new insight to other areas of the Mediterranean basin. We also want to obtain a geochemical characterization in order to get information about temperature and salinity of Messinian brines and confirm the fluid inclusions data (Natalicchio et. al., in press).

3.2) Identify the presence of climatic and/or geochemical factors that led to the deposition of halite and kainite cyclic alternations.

4) Investigate Messinian evaporites biological content.

A further aim is to detect and describe qualitatively the presence of biological content (cyanobacteria and other microbial communities) in evaporite minerals, both trapped in crystals during their growing phase and within fluid inclusions (Lowenstein et al., 2011, Panieri et. al, 2008, 2010, Schubert et al., 2010), considering also this aspect in order to contribute to the reconstruction of depositional paleoenvironment.

The overall objective of this research is therefore to contribute to the interpretation of the several uncertainties relating to one of the most complex and important geological events of the Cenozoic era.

 

Ciclicità sub-milankoviana nelle Evaporiti Messiniane: analisi sedimentologiche, petrografiche, geochimiche e geochimico-isotopiche

La crisi di salinità del Messiniano è un evento geologico complesso che ha portato alla trasformazione del Mar Mediterraneo in un’enorme salina, nella quale, circa 6 milioni di anni fa, avvenne una drammatica crisi idrologica e biologica. Questa crisi fu accompagnata dalla deposizione di voluminosi depositi di gesso e sale (più di 1 x 106 km3) in un periodo di tempo di circa 640 mila anni, sul fondo del bacino del Mediterraneo; sia in contesti di acque basse sia profonde (Fig. 1) (Manzi et al. 2009, 2012, Lugli et al., 2010, Roveri et al., 2008). Questo importante evento geologico è ormai da molti anni oggetto d’interesse della comunità scientifica internazionale e presenta ancora oggi molti aspetti irrisolti e numerose controversie. I principali problemi ancora parzialmente o del tutto insoluti, riguardano: i) la correlazione stratigrafica dei depositi evaporitici presenti nei differenti contesti geologici del Mediterraneo (evaporiti inferiori e sale, evaporiti superiori), ii) l’identificazione e la descrizione delle differenti fasi che caratterizzarono l’evento evaporitico e la loro accurata taratura cronostratigrafica; iii) l’interpretazione delle facies sedimentarie individuate all’interno dei depositi evaporitici e le relazioni tra queste e i fattori geologici, idrologici, geochimici e biologici caratteristici dell’originario ambiente deposizionale; iv) gli aspetti riguardanti l’idrologia del Mediterraneo durante il tardo Miocene; v) l’evoluzione delle condizioni paleoambientali e paleoclimatiche durante l’evento Messiniano e le variazioni di queste in accordo con i principali cicli astronomici e le relative oscillazioni climatiche a medio-alta frequenza. Gli studi condotti negli ultimi anni sui depositi evaporitici messiniani, hanno evidenziato una marcata ciclicità litologica riconducibile a variazioni climatiche a scala diversa che avrebbero modificato le condizioni paleoceanografiche e idrologiche dell’intero bacino Mediterraneo. La ciclicità a più grande scala (data dall’alternanza di banchi plurimetrici di gesso e argille) è riferibile a variazioni astronomiche di tipo milankoviano, mentre quella a più piccola scala è di tipo submilankoviano (Manzi et. al., 2009, 2012, Lugli et. al., 2010, Roveri et. al, 2006, 2008, 2014).

Scopo di questo progetto di ricerca è di ricostruire le condizioni paleoclimatiche e paleoambientali che hanno controllato la deposizione delle evaporiti, attraverso uno studio integrato sedimentologico, stratigrafico, petrografico e geochimico da eseguire su evaporiti deposte in diversi contesti geologici del Mediterraneo (Appennino centro-settentrionale, Sicilia, Spagna) oggetto di studio di numerosi lavori scientifici (Manzi et. al., 2009, 2012, Lugli et. al., 2010, Roveri et. al, 2006, 2008). Parte dei campioni è già disponibile, mentre altri saranno raccolti nei prossimi mesi. In particolare l’obiettivo è di ricostruire le caratteristiche idrologiche (salinità, temperatura) delle salamoie da cui sono precipitate le evaporiti messiniane e la loro variabilità in base a parametri latitudinali e a diverse scale temporali, attraverso studi geochimici isotopici (Sr, O, C, S e H) e studi sulle inclusioni fluide di evaporiti (gesso e halite) messiniane, previamente caratterizzate dal punto di vista sedimentologico e petrografico.

Le principali problematiche che si intendono affrontare possono essere riassunte in tre punti principali:

1) Variabilità delle condizioni idrologiche e paleoceanografiche alla scala milankoviana - Evaporiti Inferiori ed eventualmente Evaporiti Superiori

Le analisi isotopiche di Sr delle Evaporiti Inferiori (Lugli et al., 2007; 2010) suggeriscono un controllo di tipo precessionale tra la variabilità delle condizioni idrologiche del Mediterraneo e la deposizione delle evaporiti. Il numero di campioni analizzato è tuttavia ridotto e si rendono necessarie successive analisi per convalidare questa ipotesi. Inoltre si tenterà di individuare e descrivere una dipendenza tra i rapporti isotopici 87Sr/86Sr e δ18O e le variazioni idrologiche e idrodinamiche a grande e piccola scala nei vari contesti del bacino del Mediterraneo, intese come affluenza di acque di origine continentale ed oceanica all’interno del bacino e studio della variabilità del tasso di evaporazione e delle precipitazioni durante la fine del periodo Messiniano (Topper et. al., 2011, 2013). Questo potrebbe essere ottenuto confrontando i dati ottenuti da vari proxy di due cicli deposizionali dei gessi inferiori, differenti sia per tipologia di facies presenti, che per ambiente di deposizione, rappresentanti intervalli temporali ben definiti.

2) Variabilità delle condizioni idrologiche e paleoceanografiche alla scala sub-milankoviana (annuale e pluriennale) - Evaporiti Inferiori, sale

Un ulteriore obiettivo è quello di evidenziare, attraverso un campionamento sistematico e di grande dettaglio, l’eventuale presenza di fattori diagnostici per l’individuazione di cicli periodici a frequenza sub-milankoviana, sia alla scala dell’affioramento sia a livello di micro variazioni tessiturali e mineralogiche, andando ad indagare affioramenti di gesso e sale nell’Appennino settentrionale ed in Sicilia (Fig. 2) (Manzi et. al., 2012). In particolare si intende studiare la ciclicità alla piccola scala visibile nei gessi primari delle Evaporiti Inferiori (Appennino settentrionale e Sicilia) e le alternanze cicliche di salgemma e kainite, osservate nella miniera di sale di Realmonte (Sicilia) (Fig. 3).

3) Riconoscere le caratteristiche idrologiche delle salamoie da cui sono precipitate le evaporiti messiniane e valutare la presenza di una variabilità climatica a scala annuale pluriennale - Evaporiti Inferiori, sale

Questo obbiettivo è strettamente legato a quello precedente ed è volto ad indagare due aspetti principali.

3.1) Recenti studi sulle inclusioni fluide delle evaporiti primarie del Piemonte suggeriscono che la deposizione delle evaporiti sia avvenuta da acque a salinità molto bassa. Analisi simili sono in corso per la successione affiorante in Romagna, per valutare se le conclusioni ottenute dallo studio dei depositi piemontesi possa essere generalizzato ad altre aree del Mediterraneo. A queste analisi si vuole affiancare una caratterizzazione geochimica per ottenere informazioni sulla salinità e temperatura delle salamoie da cui sono precipitate le evaporiti e confermare i dati delle inclusioni fluide (Natalicchio et. al., in stampa).

3.2) Individuare la presenza di fattori climatici e/o geochimici che hanno portato alla deposizione le alternanze cicliche di salgemma e kainite.

4) Indagare il contenuto biologico delle evaporiti messiniane.

Un ulteriore obiettivo è quello di valutare e descrivere qualitativamente la presenza di contenuto biologico (cianobatteri ed altre comunità microbiche) nei minerali evaporitici, sia intrappolato nei cristalli durante la fase di crescita, sia all’interno delle inclusioni fluide (Lowenstein et al., 2011, Panieri et al., 2008, 2010, Schubert et al., 2010), considerando questo ulteriore aspetto al fine di una ricostruzione del paleoambiente deposizionale.

Obiettivo complessivo della ricerca è dunque quello di contribuire all’interpretazione delle numerose incognite relative ad uno dei più complessi ed importanti eventi geologici dell’era cenozoica.

 

References

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“Vena del Gesso” evaporites revisited: characterization of isotopic composition and organic

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Lugli, S., Manzi, V., Roveri, M., Schreiber, B.C., 2010. The Primary Lower Gypsum in the

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Panieri, G., Lugli, S., Manzi, V., Palinska, K.A., Roveri, M., 2008. Microbial communities in Messinian evaporite deposits of the Vena del Gesso (northern Apennines, Italy). Stratigraphy, 5, 347-356.

Panieri, G., Lugli, S., Manzi, V., Roveri, M., Schreiber, B.C., Palinska, A., 2010. Ribosomal RNA gene fragments from fossilized cyanobacteria identified in primary gypsum from the late Miocene, Italy. Geobiology, 8, 101-111.

Roveri, M., Manzi, V., 2006. The Messinian salinity crisis: looking for a new paradygm?

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Roveri, M., Lugli, S., Manzi, M., Schreiber, B.C., 2008. The Messinian Sicilian stratigraphy

revisited: new insights for the Messinian salinity crisis. Terra Nova, 20, 483-488.

Roveri, M, Lugli, S, Manzi, V, Gennari, R, Schreiber, B.C., 2014. High-resolution strontium isotope stratigraphy of the Messinian deep Mediterranean basins: Implications for marginal to central basins correlation. Marine Geology.

Schubert, B.A., Timofeeff, M.N., Lowenstein, T.K., Polle, J.E.W., 2010. Dunaliella Cells in Fluid Inclusions in Halite: Significance for Long-term Survival of Prokaryotes. Geomicrobiology Journal, 27: 1, 61-75.

Topper, R.P.M., Flecker, R., Meijer, P.Th., Wortel, M.J.R., 2011. A box model of the Late Miocene Mediterranean Sea: Implications from combined 87Sr/86Sr and salinity data. Paleoceanography 26, PA3223.

Topper, R.P.M., Meijer, P.Th., 2013. A modelling perspective on spatial and temporal variations in Messinian evaporite deposits. Marine Geology, 336, 44-60.


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Ultimo aggiornamento: 04/07/2014 12:47
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