Integrated Reconstruction of Ice sheet DYnamics during late quaternary Arctic climatic transitions

Il paleo Svalbard–Barents Sea Ice Sheet (SBSIS) è considerato dai modellisti il miglior analogo per sviluppare proiezioni sulla futura stabilità della calotta glaciale dell’Antartide occidentale, principale fonte di incertezza nelle stime dell’innalzamento globale del livello del mare. Fino al tardo Pliocene (circa 3 milioni di anni fa) il Mare di Barents era meno profondo e in parte emerso; successivamente si è approfondito a causa della graduale erosione del substrato avvenuta durante le glaciazioni, che ha trasformato la base della calotta da continentale a marina. Come la calotta antartica occidentale odierna, anche il SBSIS divenne vulnerabile all’intrusione di acque oceaniche calde sulla piattaforma poco profonda, favorendo un rapido scioglimento accompagnato da frequenti instabilità del fronte glaciale, amplificate dal progressivo aumento del livello del mare. Queste destabilizzazioni si manifestarono con rapidi arretramenti del fronte, il collasso di ampie porzioni della calotta e conseguenti flussi accelerati di ghiaccio verso l’oceano, responsabili di significativi innalzamenti globali del livello marino (meltwater pulses).

La storia dinamica del paleo-SBSIS è registrata nei sedimenti marini attraverso l’abbondante presenza di detriti rilasciati da iceberg (Ice Rafted Debris, IRD) e da altri depositi derivanti dalla fusione glaciale lungo il margine delle Svalbard nei periodi caldi, come avvenuto durante gli eventi Dansgaard-Oeschger e i meltwater pulses. È ipotizzato che massicci apporti di acqua dolce di fusione abbiano alterato le caratteristiche delle masse d’acqua e la circolazione oceanica, rallentando la circolazione termoalina globale e innescando fasi fredde.

Ottenere informazioni precise sulla dinamica e sull’evoluzione delle paleo-calotte glaciali, sulle loro interconnessioni climatiche e sui meccanismi forzanti responsabili dei cambiamenti avvenuti nel tardo Pleistocene è quindi essenziale. Il paleo-SBSIS rappresenta infatti un analogo cruciale per comprendere la risposta futura della moderna calotta dell’Antartide occidentale, oggi minacciata dal riscaldamento globale.

L’obiettivo principale del progetto IRIDYA è stato lo studio integrato della paleo-dinamica glaciale del SBSIS per effetto della WSC, durante le transizioni climatiche tardo Quaternarie (ultimi 90 mila anni) e la definizione dell’impatto dei MWPs sulla (paleo)circolazione oceanica, sull’ambiente e sul clima come verifica delle retroazioni prospettate dalla analisi dei modelli numerici. Gli obiettivi di IRIDYA erano coerenti e intendevano essere di supporto alla proposta di perforazione oceanica IODP 985-Full2.

Gli obiettivi specifici affrontati dal progetto IRIDYA sono stati:

1. La definizione di un dettagliato modello di età utile per le correlazioni tra i punti di campionamento lungo il margine continentale e per la calibrazione dei dati geofisici;
2. La ricostruzione dei processi sedimentari associati alle oscillazioni climatiche;
3. L’identificazione e caratterizzazione di eventi locali/regionali di scioglimento glaciale;
4. L’identificazione dei meccanismi responsabili per l’innesco di MWPs;
5. La ricostruzione dell'impatto locale/regionale causato da prominenti eventi di fusione glaciale sulla dinamica della calotta e sulla configurazione oceanografica (e.g., caratterizzazione delle acque oceaniche superficiali e profonde prima/durante/dopo gli eventi di fusione glaciale);
6. La stima del lasso di tempo intercorrente tra i cambiamenti paleo-climatici registrati sulla superficie terrestre (carote di ghiaccio) e in ambiente marino (carote di sedimenti) utile per definire/modellare i tempi di risposta delle calotte polari al presente riscaldamento globale;
7. L’identificazione di siti di perforazione IODP alternativi, adatti agli scopi previsti nella proposta di ricerca IODP 985-Full2;
8. Correlazione dei dati marini geologici e geofisici per la ricostruzione della dinamica glaciale del paleo SBSIS;
9. Contributo al International Bathymetric Chart of Arctic Ocean (IBCAO).

Il progetto IRIDYA ha permesso di fare un importante passo in avanti nella comprensione dei processi dinamici della paleo calotta delle SBSIS, avvenuti negli ultimi 60 mila anni e delle interconnessioni con le caratteristiche delle correnti oceaniche e dell'atmosfera. Di seguito si riporta con maggiore dettaglio i principali risultati ottenuti relativamente agli obiettivi della ricerca IRIDYA, con riferimento ai lavori pubblicati (incluso tesi di dottorato e di laurea magistrale) o in corso d’opera come indicato nei Prodotti della ricerca.

1. Definizione di un dettagliato modello di età

Un dettagliato modello di età è stato definito per le carote studiate, evidenziando la presenza di sequenze sedimentarie temporalmente estese a 95 mila anni, corrispondente alla fine del Marine Isotopic Stage (MIS)-5c.

La definizione di un corretto e affidabile modello di età è stata fondamentale per inserire in un contesto temporale la dinamica della paleo calotta delle SBSIS e le interazioni tra oceano-criosfera-atmosfera.

Il modello di età è stato ottenuto combinando:

(i) dati paleomagnetici attraverso lo studio delle variazioni della paleointensità del campo magnetico terrestre che hanno evidenziato la presenza delle escursioni magnetiche di breve periodo note con i nomi di Laschamp (41 ky) e il Norwegian-Greenland Sea geomagnetic excursion (65 ky) (Caricchi et al., in prep.), e l’utilizzo di

(ii) 20 nuove datazioni radiocarbonio (AMS ¹⁴C) effettuate su campioni monospecifici di foraminiferi planctonici (Neogloboquadrina pachyderma).

La scelta dei livelli da datare é stata principalmente guidata dallo studio litostratigrafico attraverso l’identificazione di marker stratigrafici (es. i MWPs) nelle sequenze sedimentarie e loro correlazione nelle carote studiate lungo il margine (Douss, 2023; Gois Smith, 2024; Bronzo, 2024; Lucchi et al., in rev.).

Una sofisticata e attenta calibrazione delle datazioni radiometriche è stata effettuata considerando valori di variazione locale di reservoir del carbonio (ΔR) variabili nel tempo. Questo è particolarmente importante nelle aree polari dove l’equilibrio dei valori di gas disciolto nelle masse d’acqua oceaniche superficiali e l’atmosfera può essere limitato da una permanente copertura di ghiaccio marino o da una forte stratificazione della massa oceanica causata dalla presenza di acque di fusione glaciale. Queste ultime, possono anche rappresentare una fonte aggiuntiva di materia organica riciclando la vecchia materia organica contenuta nelle formazioni geologiche che sono state erose dalla copertura glaciale nel suo movimento verso i margini continentali, “invecchiando” quindi le acque superficiali. Per queste e altre ragioni, i valori locali di reservoir del carbonio possono subire considerevoli variazioni nel tempo che devono essere tenute in considerazione durante la calibrazione delle datazioni radiocarbonio.

Le variabili ΔR e le loro relative deviazioni standard (ΔR_std) sono state determinate, per ogni livello datato nelle carote, combinando la curva di calibrazione regionale Normarine18, che è specifica per il Mar di Norvegia (Brendryen et al., 2020), e la curva di calibrazione globale Marine20 (Heaton et al., 2020). Il modello di età ottenuto è stato poi raffinato applicando il processo statistico bayesiano (Gois Smith, 2024; Gois Smith et al., sottomesso).

2. Ricostruzione dei processi sedimentari associati alle oscillazioni climatiche

Lo studio delle facies sedimentarie, abbinato ad analisi geochimiche della materia organica (Ctot, Corg, Ntot) e della composizione dei sedimenti attraverso analisi di XRF core scan (composizione chimica dei sedimenti) e analisi XRD (minerali delle argille), hanno permesso di definire i processi sedimentari associati alle variazioni climatiche e alla dinamica glaciale del SBSIS. Questo studio è avvenuto attraverso:

(i) la definizione delle aree di provenienza dei sedimenti sulla base della distribuzione dei minerali delle argille (Lucchi et al., in rev.);

(ii) l’identificazione di litologie tipiche associate alla dinamica glaciale e alle correnti oceaniche di contour seguendo lo schema proposto da Lucchi et al. (2013, GPC) come la presenza di facies conturitiche associate alle correnti versus la distribuzione di IRD e di sedimenti interlaminati legati alla dinamica glaciale;

Questo tipo di studio è stato sviluppato nel registro sedimentario recuperato in diverse carote prelevate lungo il margine occidentale delle Svalbard seguendo un transetto di circa 350 km tra il Bellsund Drift (carote IRIDYA-02 e PREPARED-01PC) sito nella parte a sud del transetto, nel Isfjorden Drift (carote PREPARED-02PC e GAGE-15) e il Vestnesa Ridge (carota CAGE-05) posto nella porzione a nord del transetto.

3. Identificazione e caratterizzazione di eventi locali/regionali di scioglimento glaciale

L’identificazione degli eventi di scioglimento glaciale è stata supportata dai risultati delle analisi degli isotopi stabili (O, C) e del rapporto Mg/Ca misurati su gusci di foraminiferi planctonici monospecifici di N. pachyderma. L’identificazione, caratterizzazione e correlazione di questi eventi nei diversi registri sedimentari prelevati lungo il margine delle Svalbard ha permesso di distinguere eventi di carattere locale, osservabili solo in alcuni registri sedimentari, da quelli aventi carattere regionale che si osservano lungo l’intero margine, come l’Heinrich-like (H-like) event 2 (24 ky), il H-like event 1 (16 ky BP), il MWP-1A (14.6 ky BP) (Douss, 2023; Lucchi et al., in rev.; Gois Smith et al., sottomesso). 

Il registro del MWP-1A₀ (19 ky) è stato osservato nel Bellsund e Isfjorden drifts, ma non nel Vestnesa Ridge sito nell’area più a nord. Questo dato ha fornito ulteriori informazioni sulla modalità di ritiro del SBSIS indicando che la porzione più settentrionale è rimasta stabile fino a circa 16 ky (presenza dell’H-like 1 nel registro sedimentario), grazie alla concomitante presenza di un substrato meno profondo e quindi meno vulnerabile alle correnti oceaniche e all’arrivo tardivo della calda WSC proveniente da sud.

4. Identificazione dei meccanismi responsabili per l’innesco dei MWPs durante l’ultima deglaciazione

Uno studio di altissimo dettaglio con campionamento ad 1-cm della carota CAGE-15, ha permesso di ricostruire le variazioni delle caratteristiche oceaniche nell’intervallo di tempo 30–14 ky vale a dire tra la fine dell’interglaciale MIS-3 e l’innesco della fase principale di deglaciazione (terminazione glaciale I) dopo l’ultimo massimo glaciale del MIS-2. Questo ha richiesto uno studio interdisciplinare che ha utilizzato analisi micropaleontologiche con l’identificazione e conteggio dei foraminiferi planctonici, dei nannofossili calcarei e della frazione detritica di IRD, analisi degli isotopi stabili (O, C), analisi Mg/Ca e analisi geochimiche di C-N e di l’XRF core scan (Gois Smith, 2024; Bronzo, 2024).

Questo studio ha permesso di effettuare una ricostruzione paleoclimatica e paleoceanografica di grande dettaglio a partire dall’innesco dell’ultimo periodo glaciale dove i valori di Mg/Ca mostrano una drastica riduzione di flusso di calore trasportato dalla WSC (Gois Smith et al., sottomesso). 

Il confronto del registro marino con quello continentale delle carote di ghiaccio della Groenlandia, ha permesso di associare l’H-like event-2 all’evento caldo Greenland Interglacial (GI) 2.1 e 2.2 avvenuto tra 24–23 ky BP (Rasmussen S.O. et al., 2014^{(4 )}), ponendo in evidenza la forzante atmosferica sulla criosfera.

Al contrario, l’inizio della deglaciazione T1 può essere associato ad un marcato aumento di flusso di calore trasportato dalla WSC come evidenziato dai valori di Mg/Ca che ha innescato la fusione glaciale che è registrata nelle carote marine con la deposizione del MWP-1A₀.

Coerentemente alla curva isotopica dell’ossigeno (O) che mostra un chiaro cambio del trend, questo evento rappresenterebbe un tipping point a partire dal quale si passa dal periodo glaciale alla deglaciazione e da qui al interglaciale olocenico che prosegue fino ai nostri giorni (Gois Smith et al., sottomesso).

5. Definizione dell’impatto ambientale e climatico associato a MWPs

Lo studio multidisciplinare del registro paleoclimatico marino ha permesso di mettere in evidenza l’impatto sull'ambiente causato dall’immissione nell’oceano di consistenti volumi di acque dolci torbide derivanti da fusione glaciale (Lucchi et al., in rev.; Gois Smith et al., sottomesso).

Alcuni punti fondamentali sono stati messi in evidenza:

(I) Il particellato detritico in sospensione causa una drastica riduzione di penetrazione della luce solare determinando un ambiente ostile alla produzione primaria con ovvie conseguenze sul resto della catena alimentare;

(II) Il particellato in sospensione oltre a trasportare detriti litici, rilascia vecchia materia organica derivata dall'erosione glaciale del substrato geologico, interferendo con il ciclo del carbonio;

(III) La presenza di acque dolci determina una forte stratificazione delle masse oceaniche con ridotto rimescolamento verticale che impedisce le interazioni tra oceano e atmosfera riducendo, in particolare, gli scambi gassosi di ossigeno e anidride carbonica. Questa condizione porta ad un impoverimento in ossigeno delle masse oceaniche che si riflette sul bioma, sull’accumulo di materia organica non utilizzata dagli organismi e processi di trasformazione dei minerali ferromagnetici contenuti nei sedimenti;

(IV) La presenza di acque dolci superficiali promuove la formazione di ghiaccio marino la cui estensione interferisce con l’albedo e con la circolazione oceanica. La combinazione di questi due fattori rappresenta un forzante climatico verso condizioni fredde.

6. Stima dei tempi di reazione della calotta glaciale a forzanti climatici

Questo aspetto della ricerca proposto dal progetto IRIDYA, è a tutt’oggi in evoluzione in quanto ha incontrato numerose problematiche di non facile soluzione.

Tre sono i principali problemi da risolvere:

(I) Una più precisa determinazione nel tempo dell’effetto reservoir del carbonio necessario per una corretta calibrazione delle datazioni radiometriche ¹⁴C dei sedimenti marini;

(II) Il differente metodo per determinare la cronologia dei registri marini (carote di sedimento) e di quelli terrestri (carote di ghiaccio) per il quale è necessaria una intercalibrazione;

(III) Il fattore di incertezza dei diversi metodi di datazione che inserisce una grossa incertezza nella efficace determinazione dei tempi intercorrenti tra causa ed effetto (i.e., riscaldamento atmosferico registrato nelle carote di ghiaccio e risposta della copertura glaciale registrata nelle carote di sedimenti marini).

7. Identificazione di siti di perforazione oceanica alternativi per supportare il proposal IODP 985-Full2 (https://iodp.tamu.edu/scienceops/expeditions/eastern_fram_strait_paleo_archive.html)

I dati geofisici e geologici acquisiti durante la campagna artica PRA-IRIDYA della RV Laura Bassi hanno permesso di caratterizzare meglio i siti già indicati nella proposta di perforazione oceanica IODP-985Full2, evidenziando locali criticità (es. carotaggio del sito IRIDYA-02) che hanno permesso di spostare alcuni siti già proposti (IODP-985Add2, disponibile nel sito web sopra indicato). Inoltre è stato possibile esplorare nuovi possibili siti di perforazione attraverso l’acquisizione di nuove carote (IRIDYA-01, IRIDYA-04).

Il progetto PRA-IRIDYA ha quindi contribuito attivamente all’approvazione della campagna di ricerca dell’International Ocean Discovery Program IODP Exp-403 che è stata attuata nel 4 Giugno – 2 Agosto, 2024, recuperando il registro geologico sedimentario degli ultimi 5.8 milioni di anni (tardo Miocene) con il quale si vuole studiare la storia della glaciazione artica e le transizioni climatiche degli ultimi 5 milioni di anni con particolare attenzione ai periodi caldi e loro impatto sulla copertura glaciale e paleoclima.

Per tutto questo, il progetto PRA-IRIDYA è stato indicato negli Acknowledgements del Initial Report of Exp-403 dei Proceedings of the International Ocean Discovery Program che sarà disponibile alla comunità scientifica dopo il 26 Febbraio 2026 (fine del periodo di moratoria dei dati acquisiti durante la spedizione).

8. Correlazione dei dati marini geologici e geofisici per la ricostruzione della dinamica glaciale del paleo SBSIS

Lo studio combinato dei dati geofisici di sub-bottom e delle carote di sedimento ha permesso di ricostruire nello spazio e nel tempo (ultimi 200 ky) l'evoluzione della dinamica glaciale del paleo SBSIS e analizzare lo spessore dei sedimenti per interpretare l’apporto sedimentario durante le diverse fasi climatiche. Questo studio ha messo in evidenza i seguenti punti  (Ventrice, 2023):

(I) Ingenti quantità di materiale detritico derivante dall’erosione del substrato operata dalle correnti di ghiaccio (ice streams) solo durante alcuni periodi glaciali degli ultimi 200 ky, è stato trasportato fino al limite della piattaforma continentale (MIS-2 e MIS-6). Il loro scivolamento lungo la scarpata continentale, causato da condizioni di instabilità, ha dato origine a depositi massivi, acusticamente trasparenti, caratterizzati da alta densità e basso contenuto in acqua che sono correlabili al Glacigenic Diamicton descritto da Lucchi et al. (2013, GPC);

(II) Un secondo tipo di deposito detritico massivo caratterizzato da una minore densità e maggiore contenuto in acqua rispetto al Glacigenic Diamicton ma anch’esso acusticamente trasparente, è stato ritrovato in condizioni distali sulla scarpata. La sua posizione stratigrafica indica che la messa in posto è avvenuta durante le fasi di disgelo e per questo è stato associato a processi di debris flows (Glacial Debris Flow, GDF) avvenuti durante la fase di disgelo, quando ingenti quantità di acqua hanno rimescolato i sedimenti generando colate di fango e detriti.

(III) Gli spessori dei sedimenti osservati sia nei dati di sub bottom sia nelle carote di sedimento, indicano chiaramente che durante i periodi glaciali, la sedimentazione nelle aree non interessate da apporti detritici massivi (Mass Transport Deposits), sono caratterizzate da una bassa velocità di sedimentazione associate ad una debole corrente di contour (lenta WSC) (Ventrice, 2023, Lucchi et al., in rev.; Gois Smith et al., submitted).

(IV) Durante le fasi di deglaciazione i sedimenti sono principalmente trasportati dalle acque di fusione glaciale, con spessore dei depositi che appare massimo nelle aree della scarpata superiore, vicino all’area di rilascio delle acque, e diminuisce rapidamente lungo la scarpata. Questi depositi sono caratterizzati da una classica facies acustica laminata.

(V) Durante i periodi caldi interglaciali, il trasporto dei sedimenti è affidato quasi esclusivamente alla correnti di contour (WSC) con spessori massimi a circa 1500 m bsf, come già suggerito da Rebesco et al. (2013, Deep Sea Research II).

9. Contributo al International Bathymetric Chart of Arctic Ocean (IBCAO)

I dati acquisiti durante la campagna artica PRA-IRIDYA della RV Laura Bassi hanno contribuito alla genesi della nuova versione (versione 5) della Carta Batimetrica Internazionale dell’Oceano Artico che è stata pubblicata alla fine del 2024 su Nature Scientific Data (Jacobsson et al., 2024).

Pubblicazioni

Jakobsson M., Mohammad R., Karlsson M., et al., 2024. The International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean Version 5.0. Nature Scientific Data 11, 1420. https://doi.org/10.1038/s41597-024-04278-w

Plaza-Faverola, A., Sultan, N., Lucchi, R.G., El bani Altuna, N., Ramachandran, H., Singhroha, S., Cooke, F., Vadakkepuliyambatta, S., Ezat, M.M., Rasmussen, T.L., 2023. Spatial changes in gas transport and sediment stiffness influenced by regional stress: Observations from piezometer data along Vestnesa Ridge, eastern Fram Strait. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, e2022JB025868. https://doi.org/10.1029/2022JB025868

Lucchi R.G., Romeo R., Accettella D., Caburlotto A., Coslovich F., Del Core M., Douss N., Gallerani A., Geletti R., Tomini I., Visnovich G., Zgur F., 2021. IRIDYA: Integrated reconstruction of ice sheet dynamics during Late Quaternary Arctic climatic transitions. Project Cruise Report of the R/V Laura Bassi Arctic expedition LB21, 06/08–14/09/2021, Bergen (NOR) – Bergen (NOR), 54 pp.  https://doi.org/10.13120/5e6d8d78-ad64-4bcb-9023-0dee3e4b9d2c

Tesi di Dottorato e Laurea Magistrale

Gois Smith F.S., 2024: Meltwater Pulses during Late-Quaternary, origin, onset, dynamics and impacts on the environment and climate. Tesi di Dottorato, XXXVII ciclo, Università di Firenze.

Bronzo L., 2024: Response of calcareous nannoplankton to climatic events in Mediterranean and Arctic climate hot-spots during the last 30,000 years. Tesi di Dottorato, XXXVII ciclo, Università di Firenze.

Douss N., 2023. Interplay of bottom currents and glacial input on west margin of the Svalbard: Evidences from giant piston cores spanning the last 90 ky. Tesi di Dottorato, XXXIV ciclo, Università di Trieste, Corso di dottorato in Scienze della Terra, Fluidodinamica e Matematica.

Rossana Ventrice 2023: Analisi sismostratigrafica integrata con carote di sedimento degli ultimi 200.000 anni del margine glaciale occidentale di Spitsbergen (Isole Svalbard). Tesi di Laurea magistrale in Scienze e Tecnologie Geologiche, Università di Pisa, A.A. 2021-2022. (110/110 e lode).

Tesi Triennali e Tirocini Curricolari: 3 tesi di triennale e 4 tirocini curriculari presso il Dipartimento di Scienze della Terra dell'Università di Pisa, 

Presentazioni in congressi: 14 presentazioni orali delle quali 7 ad invito e 11 presentazioni a poster in congressi nazionali e internazionali e workshops.

Articoli in preparazione o in revisione per risottomissione

Lucchi, R.G., Caricchi, C., Sagnotti, L., Musco, M.E., Giorgetti, G., Ventrice, R., Douss, N., Princivalle, F., Morigi, C., Macrì, P., Gois Smith, F.S., Caburlotto, A., Geletti, R., Romeo, R., Zgur, F., Rebesco, M., in revisione. Ice Sheet Instability and Meltwater Events Along the Svalbard–Barents Sea Margin During the Last 60,000 Years. Global and Planetary Change.

Gois Smith F.S., Lucchi R.G., Bini M., Ferretti P., Bronzo L., Muschitiello F., Aquino Lopez M., Douss N., Caricchi C., Relitti F., Rosenthal Y., Mugerwa T., Gallerani A., Romeo R., Zgur F., Knies J., Morigi C.: Tipping point of the Last Glacial Termination: evidence on the western margin of Svalbard. In revision per ri-sottomissione su Quaternary Science Review.

Caricchi C., Lucchi R.G., Knies J., Douss N., Macrì P., Gois Smith F.S., and Sagnotti L.: Magnetostratigraphy results from sedimentary core collected along the Spitzbergen margin: new evidence of geomagnetic excursions in arctic region. In revisione per ri-sottomissione su Geochemistry, Geophysics, Geosystems.

Bronzo L., Cascella A., Caricchi C., Gois Smith F. S., Langone L., Lucchi R. G., Macrì P., Morigi C.: Climatic reconstruction of the last 24 ky on the western Spitsbergen margin based on a multiproxy approach. In preparazione per la sottomissione su Global and Planetary Change.