The impact of the Oceanic Anoxic Event 2 on resilient carbonate platforms: a multidisciplinary approach

L'Evento Anossico Oceanico Cenomaniano-Turoniano 2 (OAE-2) è una delle principali perturbazioni del ciclo globale del carbonio nel Cretaceo, caratterizzato da temperature estremamente elevate e anossia oceanica diffusa (Schlanger e Jenkyns, 1976; Jenkyns, 1980; Arthur et al., 1990). Questo evento è associato alla deposizione globale di sedimenti ricchi di carbonio organico (argille nere). Le cause includono alti livelli di gas serra dovuti alla produzione di crosta oceanica (Arthur, 1985b; Larson, 1991; Seton et al., 2009) e degassamento vulcanico dalle Grandi Province Ignee (LIPs) (Larson, 1991; Jones e Jenkyns, 2001). Nonostante studi estesi, i meccanismi di origine, controllo e impatto dell'OAE-2 rimangono incerti. Studi geochimici, sedimentologici e paleontologici sull'OAE-2 si sono concentrati principalmente su sezioni in acque profonde. Gli ambienti marini poco profondi, come le piattaforme carbonatiche, sono meno studiati, creando una lacuna nella comprensione della risposta ecologica ai cambiamenti climatici durante l'OAE-2, poiché la maggior parte della produttività biologica oceanica e della diversità ecologica si verifica in piattaforme e bacini poco profondi (Yool e Fashman, 2001). Comprendere i processi dell'OAE-2 negli ambienti marini poco profondi è cruciale per una comprensione completa dei suoi impatti sul sistema terrestre (Frijia et al., 2019). Questo studio esamina come le piattaforme carbonatiche resilienti rispondono alle perturbazioni paleoambientali associate all'OAE-2, concentrandosi su cambiamenti di facies e disturbi dei proxy geochimici. Un approccio multidisciplinare rivela l'impatto dell'emissione dei LIPs e dell'aggiunta rapida di CO2 all'atmosfera-oceano, dei cambiamenti di temperatura, della perturbazione dei cicli geochimici e dell'eutrofizzazione oceanica come previsto da modelli e studi in depositi coevi in acque profonde. Diverse sezioni carbonatiche Cenomaniano-Turoniane nel dominio Tetide sono studi di caso. Queste sezioni si trovano nella Piattaforma Carbonatica del Mediterraneo Centrale (CMCP): la Piattaforma Carbonatica Appenninica (ACP, Italia meridionale), la Piattaforma Carbonatica Friulana (FCP, Italia nord-orientale) e la piattaforma dell'Oman (Formazione Natih). Analisi dettagliate di mercurio (Hg), fosforo (Ptot), Carbonio Organico Totale (TOC), isotopi del carbonio (δ13Corg e δ13Ccarb) e isotopi dell'ossigeno (δ18O) saranno condotte sia su materiale sfuso che su gusci selezionati, insieme ad approcci sedimentologici e paleontologici. Gli isotopi del carbonio sono utilizzati per datazioni e correlazioni ad alta risoluzione; la concentrazione di Hg e gli isotopi come proxy per l'attività vulcanica; le concentrazioni di P per la produttività primaria oceanica; e gli isotopi dell'ossigeno per le condizioni climatiche e i cambiamenti di temperatura durante l'OAE-2. Nuovi dati geochimici identificano l'intervallo dell'OAE-2 e forniscono un dettagliato resoconto del suo impatto dalle sezioni FCP e Oman nel nord e sud dell'Oceano Tetide. Analisi geochimiche (isotopi del carbonio organico e inorganico) e petrografiche (evoluzione delle facies) rivelano caratteristiche comuni tra le piattaforme Tetidee, correlate tra diverse località. I risultati indicano controlli ambientali globali sull'evoluzione delle piattaforme carbonatiche durante l'OAE-2. Le curve di concentrazione di Hg, Ptot e δ13Corg mostrano tendenze simili in tutte le piattaforme carbonatiche, evidenziando almeno un intervallo positivo all'inizio dell'OAE-2. Questa fluttuazione geochimica è legata ai principali impulsi vulcanici all'inizio dell'OAE-2, che innescano l'aumento delle temperature e della produttività primaria. Gli isotopi di Hg confermano la fonte vulcanica di Hg, con una minima influenza del deflusso terrestre e processi di fotoreduzione nei siti più superficiali. C'è una chiara relazione tra i livelli di laminite scura (microbialiti) e le fluttuazioni geochimiche.

The Cenomanian–Turonian Oceanic Anoxic Event 2 (OAE-2) is a major Cretaceous perturbation in the global carbon cycle, characterized by extremely warm temperatures and widespread oceanic anoxia (Schlanger and Jenkyns, 1976; Jenkyns, 1980; Arthur et al., 1990). This event is associated with the deposition of organic carbon-rich sediments (black shales) globally. Causes include high levels of greenhouse gases due to oceanic crust production (Arthur, 1985b; Larson, 1991; Seton et al., 2009) and volcanic outgassing from Large Igneous Provinces (LIPs) (Larson, 1991; Jones and Jenkyns, 2001). Despite extensive study, the mechanisms of origin, control, and impact of OAE-2 remain uncertain. Geochemical, sedimentological, and paleontological studies on OAE-2 have focused mainly on deep-sea sections. Shallow sea environments, such as carbonate platforms, are less studied, creating a gap in understanding the ecological response to the climate change during OAE-2, as most oceanic bioproductivity and diversity occur in shallow platforms and basins (Yool & Fashman, 2001). Understanding OAE-2 processes in shallow marine environments is crucial for a comprehensive understanding of its impacts on the Earth system (Frijia et al., 2019). This study examines how resilient carbonate platforms respond to OAE-2 perturbations, focusing on facies changes and geochemical proxy disturbances. A multidisciplinary approach uncovers the impact of LIPs emplacement and rapid CO2 addition to the atmosphere-ocean, temperature changes, geochemical cycles perturbation, and ocean eutrophication as predicted by models and deep-water studies. Several Cenomanian-Turonian carbonate sections in the Tethys realm are case studies. These sections are in the Central Mediterranean Carbonate Platform (CMCP): the Apennine Carbonate Platform (ACP, southern Italy), Friuli Carbonate Platform (FCP, northeastern Italy), and the Oman platform (Natih Formation). Detailed analysis of mercury (Hg), phosphorus (Ptot), Total Organic Carbon (TOC), carbon isotopes (δ13Corg and δ13Ccarb), and oxygen isotopes (δ18O) will be conducted on bulk material and selected shells, along with sedimentological and paleontological approaches. C-isotopes are for high-resolution dating and correlations; Hg concentration and isotopes as proxies for volcanic activity; P concentrations for ocean primary productivity; and O-isotopes for climatic conditions and temperature changes during OAE-2. New geochemical data identify the OAE-2 interval and provide a detailed record of its impact from the FCP and Oman sections in the northern and southern Tethys Ocean. Geochemical (organic and inorganic C-isotopes) and petrographic analysis (facies evolution) reveal common features among Tethyan platforms, correlated across locations. Results indicate global environmental controls on carbonate platform evolution during OAE-2. Hg concentration, Ptot, and δ13Corg curves show similar trends across all carbonate platforms, highlighting at least one positive interval at the onset of OAE-2. This geochemical fluctuation relates to major volcanic pulses at the beginning of OAE-2, triggering increased temperatures and primary productivity. Hg isotopes confirm the volcanic source of Hg, with minor terrestrial runoff influence and photoreduction processes at the shallowest sites. There is a clear relationship between dark laminite levels (microbialites) and geochemical fluctuations. Further investigation is needed to understand the correlation between these bioconstructed deposits and paleoclimatic changes triggered by OAE-2. The studied carbonate platforms document physical and chemical changes associated with OAE-2 in detail, correlating with coeval pelagic series globally, indicating wider environmental perturbations rather than local conditions.