La salute degli ecosistemi marini è oggi gravemente compromessa dal riscaldamento globale, ma comprendere la resilienza del sistema oceanico in condizioni di caldo estremo richiede archivi climatici a lungo termine, molto più ampi delle osservazioni moderne. In questo contesto, i record paleoclimatici e la documentazione micropaleontologica rappresentano strumenti fondamentali per ricostruire gli effetti delle passate perturbazioni ambientali e i meccanismi di risposta del sistema Terra. Questo progetto di dottorato è dedicato al Middle Eocene Climatic Optimum (MECO, ~40 Ma), un evento di riscaldamento globale eccezionalmente prolungato (~500–600 kyr) durante il quale le temperature aumentarono di circa 3–6 °C. Le condizioni raggiunte sono comparabili agli scenari più estremi previsti entro fine secolo, ma l’assenza di una marcata escursione isotopica del carbonio e la durata anomala del fenomeno fanno del MECO un vero enigma del ciclo del carbonio. I foraminiferi planctonici (PF), sensibili indicatori delle condizioni superficiali e importanti calcificatori marini, costituiscono un archivio privilegiato per analizzare le dinamiche di questo evento. Il lavoro è articolato in quattro principali obiettivi: (1) Analisi quantitative delle associazioni di PF nei siti ODP 1051, 1263 e 702, per valutare variazioni tassonomiche e biogeografiche lungo un ampio gradiente latitudinale. (2) Analisi isotopiche dell’azoto (FB-δ15N) per ricostruire l’ossigenazione della colonna d’acqua, l’efficienza del biological pump e le strategie simbiotiche. (3) Analisi mineralogiche ad alta risoluzione della sezione di Alano (NE Italia) per definire l’intensità del weathering continentale e il ruolo dei feedback climatici. (4) Microanalisi geochimiche al sincrotrone su gusci di PF da Alano e dal Site 1263, per individuare potenziali driver del riscaldamento MECO e l’origine delle deformazioni osservate. I dati micropaleontologici rivelano un marcato turnover nelle comunità, con un declino irreversibile delle grandi specie di Acarinina e un aumento di Globigerinatheka, un pattern coerente a tutte le latitudini considerate. Si osserva inoltre la diminuzione di Subbotina e la scomparsa di Chiloguembelina, taxa tipici di acque intermedie povere di ossigeno. Questo indica un miglioramento dell’ossigenazione durante il MECO, in contrasto con le tendenze dell’attuale riscaldamento globale, e mostra la scarsa resilienza delle comunità PF, incapaci di recuperare la composizione pre-evento. Le analisi FB-δ15N confermano la contrazione della ODZ e rivelano differenze isotopiche tra i principali generi simbiotici, suggerendo l’impiego di differenti tipi di microalghe. Ciò spiega la maggiore vulnerabilità di Acarinina rispetto a Globigerinatheka. Le analisi mineralogiche mostrano un progressivo intensificarsi del weathering continentale, testimoniato dal passaggio da assemblaggi illite–clorite a caolinite e smectite, coerente con condizioni più calde e umide e con un forte incremento dell’apporto detritico. L’assenza di argille autigene esclude un ruolo rilevante del reverse weathering, suggerendo invece feedback negativi legati all’alterazione dei silicati e alla sepoltura di carbonio organico. Le microanalisi al sincrotrone evidenziano un arricchimento in metalli bioattivi (Zn, Cu, Ni, Fe, Mn) al picco del MECO, compatibile con un input vulcanico che avrebbe modificato la chimica marina e influenzato la biomineralizzazione dei PF, in linea con le deformazioni osservate nei gusci. Nel complesso, questo lavoro fornisce nuove evidenze sulla risposta del sistema Terra a un episodio di riscaldamento prolungato, migliorando la comprensione delle interazioni tra chimica oceanica, biota e processi continentali e offrendo strumenti interpretativi utili per valutare scenari climatici futuri.
Marine ecosystems are increasingly threatened by ongoing global warming, yet understanding their resilience under extreme heat requires long-term perspectives that modern observations cannot provide. Paleoclimatic and micropaleontological records offer a crucial window into past climatic perturbations, revealing how the Earth system and marine biota responded to sustained environmental stress. This PhD project investigates the Middle Eocene Climatic Optimum (MECO, ~40 Ma), an unusually long (~500–600 kyr) global warming event during which temperatures rose by ~3–6 °C. The MECO represents a key analogue for future climate scenarios (IPCC RCP 8.5), but the absence of a pronounced carbon isotope excursion (CIE) and its extended duration make it a true carbon cycle conundrum. Planktic foraminifera (PF), major marine calcifiers and sensitive tracers of surface-ocean conditions, are abundant in the geological record, yet their response to the MECO remains poorly explored. This research applies an integrated micropaleontological, geochemical, and mineralogical approach to better constrain the mechanisms and environmental consequences of the event. The study is articulated into four main objectives: (1) Quantitative analysis of PF assemblages from ODP Sites 1051, 1263 and 702 to assess latitudinal patterns in taxonomic and biogeographic changes across the MECO. (2) Nitrogen stable isotope analyses (FB-δ¹⁵N) to reconstruct oxygenation conditions, biological pump efficiency, and symbiotic strategies. (3) High-resolution mineralogical analyses of the Alano section (NE Italy) to evaluate continental weathering intensity and its role in climate feedbacks. (4) Synchrotron-based microanalyses of PF shells from Alano and Site 1263 to identify potential drivers of MECO warming and the origin of observed test malformations. PF assemblage data reveal a major community turnover, with a permanent decline of large Acarinina and a parallel rise in Globigerinatheka, consistently recorded across all latitudes. The disappearance of Chiloguembelina and the decline of Subbotina, typically linked to oxygen-poor waters, indicate enhanced intermediate-water oxygenation during the MECO, opposite to trends seen under modern warming, highlighting the low resilience of PF communities and their limited post-event recovery. Nitrogen isotope results corroborate ODZ contraction and reduced denitrification. Distinct δ¹⁵N signatures among symbiotic genera show that Acarinina and Globigerinatheka relied on different algal partners, suggesting unequal responses to environmental stress and offering a plausible explanation for the selective crisis of Acarinina. Mineralogical analyses demonstrate intensified continental weathering during the MECO, marked by a shift from illite–chlorite to kaolinite–smectite assemblages, reflecting warmer and more humid conditions and enhanced terrigenous input. The absence of authigenic clay formation excludes a significant contribution of reverse weathering; instead, strengthened silicate weathering and organic carbon burial likely acted as negative feedbacks. These findings align with other Tethyan records while revealing regional differences linked to basin dynamics. Synchrotron microanalyses show elevated concentrations of bioactive trace metals (Zn, Cu, Ni, Fe, Mn) at the MECO thermal peak, indicating possible volcanic inputs that may have altered seawater chemistry and compromised PF biomineralization, consistent with the observed shell malformations. Overall, this work advances our understanding of the Earth system’s response to prolonged global warming, providing new insights into the interplay between ocean chemistry, biological responses, and continental processes. The multidisciplinary framework adopted here contributes valuable perspectives for interpreting both past extreme climate events and future climatic trajectories.
The Middle Eocene Climatic optimum (MECO, ~40 ma): integrating planktic foraminifera, geochemistry, and mineralogy across marine and continental archives
SIGISMONDI, Silvia
2026
Abstract
La salute degli ecosistemi marini è oggi gravemente compromessa dal riscaldamento globale, ma comprendere la resilienza del sistema oceanico in condizioni di caldo estremo richiede archivi climatici a lungo termine, molto più ampi delle osservazioni moderne. In questo contesto, i record paleoclimatici e la documentazione micropaleontologica rappresentano strumenti fondamentali per ricostruire gli effetti delle passate perturbazioni ambientali e i meccanismi di risposta del sistema Terra. Questo progetto di dottorato è dedicato al Middle Eocene Climatic Optimum (MECO, ~40 Ma), un evento di riscaldamento globale eccezionalmente prolungato (~500–600 kyr) durante il quale le temperature aumentarono di circa 3–6 °C. Le condizioni raggiunte sono comparabili agli scenari più estremi previsti entro fine secolo, ma l’assenza di una marcata escursione isotopica del carbonio e la durata anomala del fenomeno fanno del MECO un vero enigma del ciclo del carbonio. I foraminiferi planctonici (PF), sensibili indicatori delle condizioni superficiali e importanti calcificatori marini, costituiscono un archivio privilegiato per analizzare le dinamiche di questo evento. Il lavoro è articolato in quattro principali obiettivi: (1) Analisi quantitative delle associazioni di PF nei siti ODP 1051, 1263 e 702, per valutare variazioni tassonomiche e biogeografiche lungo un ampio gradiente latitudinale. (2) Analisi isotopiche dell’azoto (FB-δ15N) per ricostruire l’ossigenazione della colonna d’acqua, l’efficienza del biological pump e le strategie simbiotiche. (3) Analisi mineralogiche ad alta risoluzione della sezione di Alano (NE Italia) per definire l’intensità del weathering continentale e il ruolo dei feedback climatici. (4) Microanalisi geochimiche al sincrotrone su gusci di PF da Alano e dal Site 1263, per individuare potenziali driver del riscaldamento MECO e l’origine delle deformazioni osservate. I dati micropaleontologici rivelano un marcato turnover nelle comunità, con un declino irreversibile delle grandi specie di Acarinina e un aumento di Globigerinatheka, un pattern coerente a tutte le latitudini considerate. Si osserva inoltre la diminuzione di Subbotina e la scomparsa di Chiloguembelina, taxa tipici di acque intermedie povere di ossigeno. Questo indica un miglioramento dell’ossigenazione durante il MECO, in contrasto con le tendenze dell’attuale riscaldamento globale, e mostra la scarsa resilienza delle comunità PF, incapaci di recuperare la composizione pre-evento. Le analisi FB-δ15N confermano la contrazione della ODZ e rivelano differenze isotopiche tra i principali generi simbiotici, suggerendo l’impiego di differenti tipi di microalghe. Ciò spiega la maggiore vulnerabilità di Acarinina rispetto a Globigerinatheka. Le analisi mineralogiche mostrano un progressivo intensificarsi del weathering continentale, testimoniato dal passaggio da assemblaggi illite–clorite a caolinite e smectite, coerente con condizioni più calde e umide e con un forte incremento dell’apporto detritico. L’assenza di argille autigene esclude un ruolo rilevante del reverse weathering, suggerendo invece feedback negativi legati all’alterazione dei silicati e alla sepoltura di carbonio organico. Le microanalisi al sincrotrone evidenziano un arricchimento in metalli bioattivi (Zn, Cu, Ni, Fe, Mn) al picco del MECO, compatibile con un input vulcanico che avrebbe modificato la chimica marina e influenzato la biomineralizzazione dei PF, in linea con le deformazioni osservate nei gusci. Nel complesso, questo lavoro fornisce nuove evidenze sulla risposta del sistema Terra a un episodio di riscaldamento prolungato, migliorando la comprensione delle interazioni tra chimica oceanica, biota e processi continentali e offrendo strumenti interpretativi utili per valutare scenari climatici futuri.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
