Tracing paleoenvironmental changes through high-resolution mineralogical and geochemical analysis of the onset of the Carnian Pluvial Episode (Upper Triassic) in marine mixed carbonate-terrigenous successions of the Dolomites (Italy)

Durante il Carnico (237-227 Ma; Triassico Superiore) si verificarono numerose perturbazioni del ciclo del carbonio, che causarono cambiamenti ambientali e biologici. Questo intervallo è noto come Episodio Pluviale Carnico (CPE) ed il suo inizio fu segnato da una escursione negativa negli isotopi del carbonio (NCIE1), documentata a livello globale nella materia organica e nei carbonati marini al passaggio tra le biozone ad ammoniti Trachyceras aonoides e Austrotrachyceras austriacum (limite Julico 1-Julico 2). Successivamente, altre NCIE si registrano nel record sedimentario durante il CPE, fino alla base della biozona ad ammoniti Tropites subbullatus (Tuvalico 2), indicando ripetute iniezioni di CO₂ nel sistema atmosfera–oceano. Tali eventi sono stati associati alla messa in posto della provincia magmatica della Wrangellia. Modelli biogeochimici indicano che le iniezioni di CO₂ avvennero in condizioni di relativamente bassa pCO₂ atmosferica e durante la massima fase di amalgamazione della Pangea, condizioni che hanno probabilmente amplificato gli effetti del riscaldamento globale. Analisi degli isotopi dell’ossigeno in conodonti indicano un aumento della temperatura marina di 4-7°C. Contestualmente, un maggiore apporto di materiale silicoclastico, tassi di sedimentazione più elevati e sporomorfi igrofili indicano un clima più umido e un rafforzamento del deflusso continentale. In alcuni bacini, argille laminate e piccoli framboidi di pirite suggeriscono lo sviluppo di condizioni anossiche. Il CPE ha una durata relativamente lunga (max 2,5 Myr) e la comprensione dei tempi e dei meccanismi dei cambiamenti ambientali e biologici è ancora limitata a causa della scarsità di studi ad alta risoluzione. Inoltre, ciascun NCIE del CPE ebbe una durata stimata di alcune decine o centinaia di migliaia di anni simile ad altri eventi simili del Mesozoico e potrebbe segnare un distinto evento ambientale e biologico. Il progetto di dottorato ha indagato, tramite un approccio multi-proxy ad alta risoluzione, le dinamiche del cambiamento climatico nel dominio della Tetide occidentale in relazione al primo rapido impulso (<100 kyr) di CO₂ del CPE ed ai suoi effetti sugli ambienti terrestri e marini. La prima fase ha analizzato l’impatto delle emissioni di CO₂ sul continente, valutando la risposta della flora terrestre, l’alterazione chimica dei silicati e le dinamiche del trasporto dei sedimenti verso il bacino marino. La seconda fase ha esaminato l’ambiente marino, concentrandosi sulle variazioni dei nutrienti, salinità, condizioni redox e variazioni del mercurio (Hg). Rocce a grana fine (argilliti e siltiti) sono state campionate ogni ~50 cm in due successioni marine affioranti in Dolomiti (Nord-est Italia, Alpi Meridionali) che registrano la transizione tra la Formazione di San Cassiano e la Formazione di Heiligkreuz, intervallo stratigrafico in cui l’NCIE1 era già stato registrato nelle successioni delle Alpi Meridionali. Le analisi effettuate hanno incluso d13CTOC, CNS, Hg, geochimica di elementi maggiori e in traccia, mineralogia bulk e in forma di iso-orientati, misura dei framboidi di pirite e analisi palinologiche qualitative e quantitative. I risultati documentano rapide oscillazioni climatiche durante l’NCIE1, con episodi di forte aridificazione che causarono una grave crisi floristica nell’area continentale del bacino delle Dolomiti. Nei periodi più aridi, venti più intensi rafforzarono le correnti di upwelling, aumentando la produttività e modificando salinità e condizioni redox. Le oscillazioni climatiche influenzarono anche il trasporto di Hg, riducendolo nei periodi aridi e aumentandolo in quelli più umidi. Lo studio inoltre evidenzia l’importanza di un approccio multiproxy ad alta risoluzione per comprendere la dinamica dei processi paleoambientali e offre uno strumento per valutare se eventi anologhi si siano verificati in altri contesti marini e terrestri coevi.

During the Carnian (237–227 Ma; Late Triassic) multiple C-cycle perturbations led to widespread environmental changes and biological turnovers. The interval of C-cycle disruptions is called Carnian Pluvial Episode (CPE) and its onset was marked by a negative C-isotope excursion (NCIE1) that is worldwide recorded in organic matter and marine carbonates across the boundary between the Trachyceras aonoides and Austrotrachyceras austriacum ammonoid zones (Julian 1–Julian 2 boundary). After this first NCIE, multiple NCIEs are recorded in the sedimentary record during the CPE up to the base of the Tropites subbullatus ammonoid Zone (Tuvalian 2). The NCIEs testify for injections of CO2 into the Carnian atmosphere-ocean system possibly linked to the emplacement of Wrangellia Large Igneous Province. Models indicate that pulses of CO2 occurred under relatively low background atmospheric pCO2 levels and temperatures, and at the peak amalgamation of Pangea, which likely amplified the environmental response to CO2-driven global warming. Oxygen isotope records (18O) from conodont apatite show a warming of 4º–7°C in seawater temperature. Widespread higher siliciclastic input and sedimentation rates, and hygrophytic sporomorph assemblages indicate a more humid climate and enhancement of continental runoff during the CPE. The formation of laminated shales and small pyrite framboids suggests ocean anoxia in some marine basins. However, the CPE was a relatively long interval of up to max. 2.5 Myr, and the timing and mechanisms of the environmental/biological changes in response to the C-cycle perturbations remain poorly understood due to the scarcity of high-resolution studies. Moreover, each CPE’s NCIE had a duration like other major events of the Mesozoic (tens to hundreds of thousands years) and could mark distinct environmental/biological “events”. The PhD project aimed at investigating, through a high-resolution multi-proxy approach, the pattern of climate change in the western Tethys realm in response to the rapid (< 100 Kyr) initial CO2 pulse (CPE-Event1), and its impact on terrestrial and marine environments. The first phase of the research focused on investigating the effect of CO2 emissions on land, in particular the impact of the climate change on terrestrial flora, intensity of silicate chemical weathering and modes of sediment transport to the marine basin. The second phase focused on marine environment, examining changes in nutrients, salinity and redox conditions. Moreover, Hg variations were investigated. Fine-grained rocks (shales and mudstones) were sampled at ⁓50 cm in marine successions of the Dolomites (Italy, Southern Alps) that record the San Cassiano – Heiligkreuz Formation transition, where CPE’s NCIE1 has been previously found in the Southern Alps. C-isotope (13CTOC), CNS, Hg, major and trace element geochemistry, bulk and iso-oriented mineralogical analyses, pyrite framboid diameter measurements, and qualitative and quantitative palynological analyses were performed. The PhD study provides new insights into the climatic and environmental responses to CPE-Event1 in Western Tethys. For the first time, it documents rapid climate swings during the initial CO2 emissions marking the CPE, with episodic strong aridification that caused a severe floral crisis in the catchment area of the Dolomites Basin. Furthermore, during the drier intervals, stronger winds intensified upwelling currents and boosted productivity, causing changes in salinity and redox conditions. These climate swings also regulated Hg delivery to the Dolomites Basin, reducing it during arid periods and increasing it during humid intervals. The results of this study also highlight the importance of high-resolution, multiproxy approach in improving the understanding of process dynamics, and provide a basis for assessing whether similar environmental changes occurred in other coeval marine and terrestrial depositional settings.