AMUSED

Titolo

AMUSED: Ricostruzione dei cambiamenti climatici globali del passato attraverso lo studio multidisciplinare di archivi continentali e marini della regione mediterranea.

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Coordinatore

Informazioni sul progetto

Obiettivi delle attività

Il principale obiettivo del progetto è ricostruire la variabilità climatica nell’area del Mediterraneo centrale durante il Quaternario medio-superiore, con un focus sull'Olocene, integrando dati paleoclimatici multi-proxy acquisiti in differenti contesti paleoambientali. Nello specifico, ci proponiamo di indagare successioni sedimentary lacustri e marine e gli speleotemi al fine di confrontare e valutare le espressioni della variabilità climatica in tre differenti sottosistemi a differenti scale temporali e di risoluzione (da orbitale a scala sub- millenaria). Sono stati selezionati: i) il maar di Castiglione (Italia centrale), dove verranno effettuati due carotaggi di 120 m e uno di 10 m, che coprono gli ultimi ~280 kyr e ~12 kyr rispettivamente, ii) speleotemi da grotte dell'area dei monti Lepini-Ausoni-Aurunci, e iii) due carote marine NDT09 e NDT12, lunghe 5,7 m e 3,8 m e che coprono gli ultimi ~ 50 kyr e ~ 5 kyr rispettivamente, recuperate nel Tirreno durante la crociera NextData (Fig. 1).

Il record continentale - Il paleolago vulcanico di Castiglione

Studi precedenti, condotti con bassa risoluzione crono-stratigrafica, indicano che il bacino di Castiglione ospita una successione lacustre spessa almeno 88 m, che copre gli ultimi ~ 250 kyr (Narcisi et al., 1992). Crediamo nella potenzialità di questo sito nel fornire una successione continua adatta per indagini paleoclimatiche ad alta risoluzione. Dopo una indagine geofisica preliminare, le due carote recuperate verranno sottoposte a numerose analisi fisiche, bio-geochimico e paleontologiche: caratterizzazione delle litofacies, fluorescenza a raggi X, paleomagnetismo e magnetismo delle rocce, pollini, ostracodi, δ18O e δ13C, contenuto di carbonio (TC/TIC/TOC), tefrostratigrafia e tefrocronologia (elementi principali e in tracce, analisi degli isotopi). Il modello di età sarà costruito combinando le datazioni assolute al radiocarbonio sui macrofossili continentali e/o sui resti organici nei sedimenti fino a ~45 kyr e tramite tefrocronologia con 40Ar-39Ar fino a ~ 280 kyr, come stimato da Marra et al., 2003. Il sito si trova nel comprensorio vulcanico dei Colli Albani a poca distanza dai centri vulcanici ultra-potassici peri-tirrenici caratterizzati da un'intensa attività esplosiva quaternaria. E’ prevista una forte presenza di tefra ricchi in K, adatti per la datazione diretta (40Ar-39Ar ad alta precisione) e indiretta (impronta geochimica). La cronologia assoluta sarà utilizzata per correlare le curve di variazione paleosecolare del campo geomagnetico e la paleointensità relativa ottenute con i modelli di riferimento (Pavón ‐ Carrasco, 2014; Constable et al., 2016) e le stack (ad esempio Guyodo e Valet, 1999), fornendo nuove informazioni sulle variazioni del campo geomagnetico utili per le correlazioni a medio-alta latitudine.

Speleotemi – L’Area carsica dei Lepini-Ausoni-Aurunci

Questa area comprende varie grotte ricche di speleotemi. Le indagini su carote prelevate da stalagmiti e flowstone includeranno: isotopi stabili δ18O e δ13C e serie temporali di elementi in tracce vincolate una robusta cronologia fornita da analisi U/Th sulla calcite. I campioni saranno integrati con altri speleotemi già archiviati prelevati nelle Alpi Apuane (Isola et al., 2019).

Record Marini – Carote Tirreniche dal bacino Marsili e dal delta del Tevere.

Le due carote NextData (www.nextdataproject.it) saranno investigate per ottenere un record paleoclimatico degli ultimi 50 mila anni con una robusta cronologia. Saranno effettuate analisi: micropaleontologiche, paleomagnetiche e del magnetismo delle rocce, tefrocronologiche, TC/TIC/TO, isotopi stabili δ18O e δ13C sui gusci dei microrganismi, radionuclidi 210Pb -137Cs, curva del δ11B e scansioni raggi X ad alta risoluzione. L’intervallo di tempo indagato è di particolare interesse per gli eventi climatici che si sono succeduti sin dall’ultimo massimo glaciale: l’evento Heinrich (H1), i cicli Dansgaard–Oeschger, la transizione Bølling–Allerød, Younger Dryas, e ulteriori oscillazioni durante l’Olocene (Heinrich, 1988; Bond et al., 1992; Schmittner et al., 2011), che offrono informazioni utili per comprendere l’attuale variabilità climatica.

Il progetto rappresenta uno studio integrato e multidisciplinare dei proxies del cambiamento climatico da 280 kyr fino al presente, includendo possibili interventi di contenimento. Per realizzare questi obiettivi è stata creata una fitta rete di collaborazioni che comprende università e istituti di ricerca italiani e stranieri: UniPD, UniVE, UniPG, UniPA, CNR-ISMAR Bologna e Napoli, CNR-IRPI Perugia, CNR-IGG Pisa, CNR-IGAG Roma, Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, Università di Colonia, AWI di Bremerhaven, Università di Melbourne, Università di Cambridge. Come approccio metodologico generale, particolare attenzione verrà data a: i) sviluppare un robusto e indipendente modello di età, necessario per correlare gli archivi paleoclimatici, ii) capire come funziona il sistema climatico, a differente scala temporale e geografica, iii) fornire capisaldi naturali affidabili per modellare proiezioni future. I record marini e terrestri, cronologicamente ben vincolati, acquisiti in questo progetto verranno comparati con i dati disponibili delle regioni polari, al fine di valutare connessioni temporali e tra i marker paleoclimatici. In questo modo i potenziali meccanismi e fattori, sia interni (interazione tra criosfera, idrosfera ed atmosfera) che esterni (astronomici), che guidano i cambiamenti climatici alla scala intra- (dalle alte alle medie latitudini dell’emisfero boreale) e inter-emisferica, possono essere indagati ad alta risoluzione temporale.

Un ulteriore obiettivo di questo progetto è la stima e la riduzione delle emissioni naturali dal suolo di CO2 nell'area dei Colli Albani (Italia centrale). Sebbene gran parte delle emissioni in atmosfera di CO2, il principale gas serra della Terra, provenga da fonti industriali e antropiche, un contributo significativo deriva da fonti naturali (Burton et al., 2013). Studi precedenti hanno dimostrato che l'area dei Colli Albani, incluse alcune aree della città metropolitana di Roma, è caratterizzata da diverse zone anomale per il rilascio di gas dal suolo, per un totale di 609,2 tonnellate/giorno rilasciate da un'area di soli 15,3 km2 (Carapezza et al., 2019, dati non pubblicati). L'obiettivo è duplice: i) completare la stima delle emissioni di CO2 dal suolo nell'area dei Colli Albani, con nuovi rilievi da integrare con quelli provenienti da aree già investigate ii) mitigare l'emissione di CO2 in zone ad alto rilascio di gas piantando, in collaborazione con gli agronomi, vegetazioni ad-hoc per l'assorbimento di CO2. I risultati saranno ottenuti da studi di geochimica ambientale monitorando la CO2 nel suolo la cui composizione isotopica discriminerà la componente naturale da quella antropica. Infine, studi tefro-stratigrafici saranno integrati con informazioni sui cambiamenti climatici provenienti da analisi multiproxy al fine di mettere in luce le possibile relazioni tra attività vulcanica e i cambiamenti climatici/ambientali.

Amused Location engl

Fig. 1: Location dell’area di studio e dei siti di perforazione e campionamento lungo il margine continentale italiano e il mar Tirreno.

Bibliografia

Bond, G., Heinrich, H., Broecker, W., Labeyrie, L., McManus, J., Andrews, J., ... and Tedesco, K. (1992). Evidence for massive discharges of icebergs into the North Atlantic ocean during the last glacial period. Nature, 360, 245-249.

Burton, M.R., Sawyer, G. M., and Granieri, D. (2013). Deep carbon emissions from volcanoes. Rev. Mineral. Geochem., 75(1), 323-354

Carapezza, M.L., Barberi, F., Ranaldi, M., Tarchini, L., and Pagliuca, N.M. (2019). Faulting and gas discharge in the Rome area (Central Italy) and associated hazards. Tectonics, 38.

Constable, C., Korte, M., Panovska, S., 2016. Persistent high paleosecular variation activity in southern hemisphere for at least 10 000 years. Earth Planet. Sci. Lett. 453, 78-86.

Guyodo, Y., and Valet J.P. (1999). Global changes in intensity of the Earth's magnetic field during the past 800 kyr, Nature, 399, 249–252.

Heinrich, H. (1988). Origin and consequences of cyclic ice rafting in the northeast Atlantic Ocean during the past 130,000 years. Quater. Res., 29(2), 142-152.

Isola, I., Zanchetta, G., Drysdale, R. N., Regattieri, E., Bini, M., Bajo, P., Hellstrom, J. C., Baneschi, I., Lionello, P., Woodhead, J., and Greig, A. (2019). The 4.2 ka event in the central Mediterranean: new data from a Corchia speleothem (Apuan Alps, central Italy), Clim. Past, 15, 135–151.

Marra, F., Freda, C., Scarlato, P., Taddeucci, J., Karner, D. B., Renne, P. R., ... and Cavarretta, G. (2003). Post-caldera activity in the Alban Hills volcanic district (Italy): 40 Ar/39 Ar geochronology and insights into magma evolution. Bull. Volcanol., 65(4), 227-247.

Narcisi, B., Anselmi, B., Catalano, F., Dai Pra, G., Magri, G., (1992). Lithostratigraphy of the 250,000 year record of lacustrine sediments from the Valle di Castiglione. Crater, Roma. Quat. Sci. Rev., 11, 353-362.

Pavón‐Carrasco, F. J., Osete, M. L., Torta, J. M., and De Santis, A. (2014). A geomagnetic field model for the Holocene based on archeo-magnetic and lava flow data. Earth Planet. Sci. Lett., 388, 98–109.

Schmittner, A., Urban, N.M., Shakun, J.D., Mahowald, N.M., Clark, P.U., Bartlein, P.J., Mix, A.C., Rosell-Melé A. (2011). Climate sensitivity estimated from temperature reconstructions of the Last Glacial maximum. Science, 334, 1385-1388.

WP/UR

Title

AMUSED: A MUltidisciplinary Study of past global climatE changes from continental and marine archives in the MeDiterranean regio

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Coordinator

Project information

The main goal of the project is to reconstruct the climatic variability in the central Mediterranean region during the middle-late Quaternary, with a focus on the Holocene, by integrating paleoclimate multi-proxy data, acquired from different paleoenvironmental settings. Specifically, we propose to investigate lacustrine, speleothem and marine successions aiming at evaluating within a narrow geographical range, the expressions of the climate variability in three different subsystems at different temporal scales and resolutions (i.e., from orbital to sub-millennial scale). We selected: i) the Castiglione maar (central Italy), where two 120m long cores and a 10m long core will be drilled, spanning the last ~280 kyr and ~12 kyr respectively, ii) Speleothems acquired from selected caves of the Lepini-Ausoni-Aurunci area, and iii) two marine cores, the 5.7m long NDT09 and the 3.8m long NDT12, spanning the last~50 kyr and ~5 kyr respectively, recovered in the Tyrrhenian Sea during the NextData cruise (Fig. 1).

Continental record - The Castiglione Maar

Previous low-resolution and chronologically poorly constrained investigations indicate that the Castiglione maar hosts at least an 88 m-long lacustrine succession, spanning the last ~250 kyr (Narcisi et al., 1992). We are confident about the potentiality of this site in providing a continuous succession suitable for high-resolution paleoclimatic investigations. After a preliminary geophysical survey, two sediment cores will be recovered and subjected to physical, biogeochemical and paleontological multi-proxy analyses: lithofacies characterisation, X-ray Fluorescence (XRF) core scanning, paleomagnetism and rock magnetism, pollens, ostracods, δ18O-δ13C on bulk carbonates, carbon content (TC/TIC/TOC), tephrostratigraphy and tephrochronology (major and trace elements, isotopes analysis). The age model will be built on a combination of 14C radiocarbon absolute dating of terrestrial macrofossils and/or on the bulk organic matter back to ~45 kyr, and with 40Ar-39Ar tephrochronology extending back to ~280 kyr, as estimated by Marra et al., 2003. The site is located in the Colli Albani Volcanic district and at a short distance from the other ultrapotassic, peri-Tyrrhenian volcanic centers, characterised by an intense explosive activity during the Quaternary period. Therefore, a very rich record of K-rich tephra, suitable for direct (high-precision 40Ar-39Ar) and indirect (geochemical fingerprinting) dating is expected. The absolute chronology will be used as tie points to correlate the geomagnetic field paleosecular variation and relative paleointensity records with reference models (Pavón‐Carrasco, 2014; Constable et al., 2016) and stacks (e.g. Guyodo and Valet, 1999), providing new insights on past geomagnetic field variations and highlighting any global coherence over millennial timescales, useful for mid to high latitude correlations.

Speleothems - The Lepini-Ausoni-Aurunci karst area

This area comprises a number of caves rich in speleothems. Investigations on stalagmites and flowstone cores will include: δ18O and δ13C stable isotopes and trace elements depth-series, anchored to a robust chronology provided by U/Th dating of the calcite. Samples will be integrated with other speleothems already archived from Apuan Alps (Isola et al., 2019).

Marine record – Marsili basin and Tiber river mouth cores

NextData cores (www.nextdataproject.it) will be investigated to obtain original paleoclimatic multi-proxy records with a powerful chronology over the last ~50 kyr. High-resolution XRF scanning, micropaleontological analyses, TC/TIC/TOC, paleomagnetic and rock magnetic investigations, tephrochronology, δ18O-δ13C stable isotopes composition of shells, δ11B record and 210Pb -137Cs radionuclides content, will be performed. This time interval is of particular interest because of the well-known climate signatures that took place since the Last Glacial Maximum: last Heinrich event (H1), Dansgaard–Oeschger cycles, Bølling–Allerød transition, Younger Dryas, and further Holocene climate oscillations (Heinrich, 1988; Bond et al., 1992; Schmittner et al., 2011), which further offer helpful insights on current climate variability.

The project represents an integrated, multidisciplinary study of climate change indicators spanning 280 ka through the present, including chronology, driving mechanisms and possible restraint interventions. An extensive network including Italian, foreign universities and research institutes have been created in order to fulfill the aims: UniPD, UniVE, UniPG, UniPA, CNR-ISMAR Bologna e Napoli, CNR-IRPI Perugia, CNR-IGG Pisa, CNR-IGAG Roma, Scuola Superiore Sant’Anna-Pisa, University of Koln, AWI of Bremerhaven, University of Melbourne and the University of Cambridge. As a general methodological approach, great attention will be paid to i) developing robust and independent age models, crucial for comparing archives of the past climate change; ii) understanding how the climate system works, at different time and geographical scales; iii) providing reliable natural benchmarks for modelling future projections. The geochronologically well-constrained terrestrial and marine multi-proxy records acquired, will be further compared to the available polar regions data, in order to evaluate paleoclimatic connections and possible interhemispheric time lags/leads. In this way, the potential mechanisms and the forcing factors, either internal (e.g., interaction between cryosphere, hydrosphere and atmosphere) or external (e.g. astronomical), which leads the climate system changes at intra (high to mid-latitudes of the boreal hemisphere) and at inter-hemispheric scales, could be explored within a coherent chronological framework.

Another objective of this project is the estimation and reduction of the natural soil CO2 emission in the Colli Albani area (Central Italy) (Fig. 1). Although most of the emission into the atmosphere of CO2, the main Earth greenhouse gas is from industrial and anthropogenic sources, a significant contribution comes from natural sources (Burton et al., 2013). Previous investigations have shown that the Colli Albani area, including Rome Metropolitan city, contains several zones with anomalous soil gas release totaling 609.2 tons/day from only 15.3 km2 (Carapezza et al., 2019 and unpublished data). This specific objective is twofold: i) to complete the estimation of diffused soil CO2 emission from the Colli Albani area, integrating the results from already surveyed zones with those from new field surveys of CO2 soil flux and ii) to mitigate the diffused CO2 emission in a selected high gas releasing zone by planting, in cooperation with agronomists, an ad hoc CO2 adsorbing vegetation. Results will be obtained by environmental geochemistry studies: in particular by assessing and monitoring the soil CO2 output in the Rome city area, whose isotopic composition will discriminate naturally from anthropogenic sources. Finally, the tephrostratigraphy will be integrated with information about climate change from independent multi-proxies analyses, in order to highlight the possible relationship between volcanic activity and climatic/environmental changes.

Amused Location ita

Fig. 1: Location of the study areas and of drilling and sampling sites along the Italian continental margin and Tyrrhenian sea.

References

Burton, M.R., Sawyer, G. M., and Granieri, D. (2013). Deep carbon emissions from volcanoes. Rev. Mineral. Geochem., 75(1), 323-354

Carapezza, M.L., Barberi, F., Ranaldi, M., Tarchini, L., and Pagliuca, N.M. (2019). Faulting and gas discharge in the Rome area (Central Italy) and associated hazards. Tectonics, 38.

Constable, C., Korte, M., Panovska, S., 2016. Persistent high paleosecular variation activity in southern hemisphere for at least 10 000 years. Earth Planet. Sci. Lett. 453, 78-86.

Guyodo, Y., and Valet J.P. (1999). Global changes in intensity of the Earth's magnetic field during the past 800 kyr, Nature, 399, 249–252.

Heinrich, H. (1988). Origin and consequences of cyclic ice rafting in the northeast Atlantic Ocean during the past 130,000 years. Quater. Res., 29(2), 142-152.