Bernal Wormull, Juan Luis
Moreno Caballud, Ana (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2023
Abstract: Abordar la reconstrucción de la variación climática pasada a través de los espeleotemas de cuevas responde a uno de los mayores retos a los que nos enfrentamos como sociedad hoy en día, que es la emergencia climática. Aunque actualmente existe un consenso científico sobre la causa antrópica del reciente calentamiento global, las incertidumbres sobre las consecuencias previstas del aumento de la temperatura en nuestro planeta y en nuestra sociedad siguen siendo grandes. El estudio de los cambios climáticos del pasado, en particular los que se produjeron con rapidez, como las terminaciones glaciares y los cambios climáticos rápidos del Holoceno, se presenta
como la mejor forma de obtener datos de escenarios climáticos comparables a nuestra situación climática actual.
La presente tesis aborda el estudio de las cuevas de Ostolo y Mendukilo (Navarra, NE de España) con el foco puesto en la comprensión de la dinámica actual en el interior de las cavidades y en la reconstrucción paleoclimática desde la última deglaciación a partir de su registro espeleotémico (últimos 16.000 años). La Cueva de Ostolo (248 m s.n.m.) y la de Mendukilo (750 m s.n. m.) están situadas en la parte más oriental de la Cordillera Cantábrica (Montañas Vascas), Pirineo Occidental. Morfológicamente, la cueva de Ostolo tiene una longitud de 631 m y una extensión vertical de 39 m y una única entrada formada por un pasaje corto y estrecho que, puesto que coincide con una salida de agua permanente, imposibilita el acceso y la monitorización continuada. Las galerías de la cueva son ramificadas y alargadas, y aparecen morfologías
diagnósticas de procesos paragenéticos, a la vez que sedimentos fluviokársticos rellenan los conductos. Por otro lado, Mendukilo es una cueva turística con una longitud total de 869 metros y una extensión vertical de 59 metros, que se encuentra actualmente en condiciones vadosas. Está afectada por procesos de ruptura gravitacional (colapso de techo y paredes) que eliminan las morfologías asociadas con fases espeleogenéticas anteriores.
El estudio de la dinámica actual dentro de las cuevas, incluyendo muestreos de lluvia, de agua de goteo y de precipitados de calcita, permite conocer el funcionamiento de los procesos que influyen en la formación del registro espeleotémico. En el caso de la cueva de Ostolo, los trabajos de monitorización no se pudieron realizar de forma continuada, pero se mostró que los valores de δ18O en el agua de goteo y el carbonato precipitado no presentan variación estacional y que el carbonato precipita a lo largo de todo el año. La cueva de Mendukilo sí que presenta una monitorización continua durante 2018-2021 que ha permitido determinar el papel de la cantidad de lluvia en los valores isotópicos (δ18O y δ13C) en el carbonato precipitado.
Varias estalagmitas de ambas cuevas se muestrearon, dataron y fueron analizadas geoquímicamente para obtener registros paleoclimáticos de alta resolución a partir de estos excelentes archivos. Tres espeleotemas de la cueva de Ostolo (OST1, OST2 y OST3), datados mediante el método de U/Th a alta resolución, abarcan gran parte de la última deglaciación y el inicio del Holoceno. Las series de δ18O, replicadas de un modo muy robusto, presentan una excelente correlación con otros registros del resto de Europa y Groenlandia permitiendo así
obtener, junto con los resultados de monitorización en el interior de la cavidad, una señal precisa de la variación de temperatura asociada a los diferentes cambios bruscos de la última deglaciación.
Además del efecto de la temperatura, las series δ18O de estos espeleotemas están influidas por cambios en la composición isotópica de la fuente de humedad que afecta a estas cuevas, siendo notable este proceso durante la descarga masiva de icebergs en el hemisferio norte en el evento Heinrich 1.
El registro de espeleotemas de la cueva de Mendukilo consta de cuatro estalagmitas (MEN- 2, MEN-3, MEN-4 y MEN-5) extraídas de la misma galería, compuestas de calcita y con una petrografía similar. El registro compuesto de δ13C de la cueva Mendukilo, junto con las series de
elementos traza, nos permite determinar que los valores más altos (más bajos) de δ13C están relacionados con intervalos más fríos (más cálidos) y/o más secos (más húmedos) con una respiración del suelo y una productividad de la vegetación baja (alta). Por otro lado, el registro de δ18O de los espeleotemas capturó una señal anual, que está modificada, principalmente, por la cantidad de lluvia y por cambios en la composición isotópica del océano. Estas interpretaciones nos permiten reconstruir e identificar los cambios climáticos a escala milenaria observados en otros registros de la región durante el Younger Dryas hasta principios del Holoceno tardío (eg. últimos 4000 años), como el máximo térmico del Holoceno y la Neoglaciación. Además, los eventos de corta duración asociados con perturbaciones importantes en la circulación de aguas profundas del Atlántico Norte y, a veces, como resultado de la intrusión de agua de deshielo, se pudieron identificar y caracterizar su magnitud en la cueva de Mendukilo.
Gracias al análisis de inclusiones fluidas de las estalagmitas de Ostolo y Mendukilo se obtuvieron nuevos registros climáticos desde la última deglaciación que pudieron ser interpretados, de un modo cuantitativo gracias a una función de transferida definida a partir de
los trabajos de monitorización. Así, los valores de δD en inclusiones fluidas para el Holoceno y otros periodos cálidos fueron comparables a los actuales de goteos en cada cueva. Por el contrario, los valores de δD son más negativos durante periodos fríos, como el Younger Dryas o el evento de Heinrich 1. El registro compuesto de paleotemperatura calculado para ambas cuevas (OMFIT) representa la primera evidencia no biogénica de las transiciones rápidas de temperatura durante la última desglaciación y el Holoceno en el noreste peninsular.
Abstract (other lang.): Reconstructing past climate variations from cave speleothems has roots in a major challenge we face as a society today: the current climate emergency. While there is scientific consensus regarding the anthropogenic origin of global warming, sizeable uncertainties persist concerning the potential impacts of increasing temperatures on our planet and society. The investigation of past climatic changes, particularly those that occurred quickly, such as glacial terminations and Holocene rapid climate changes, provides the most appropriate means of obtaining climate scenario data analogous to our current climatic state. This Thesis specifically addresses the study of the Ostolo and Mendukilo caves (Navarra, NE Spain) with a focus on comprehending the present cave dynamics and reconstructing the paleoclimatic conditions since the last deglaciation, based on a multi-proxy analysis of their speleothems. Ostolo (248 m above sea level) and Mendukilo (750 m above sea level) caves are found in the easternmost region of the Cantabrian Mountain range (Basque Mountains) in the Western Pyrenees near the Cantabrian coast. Ostolo cave is 631 m long, with a vertical extent of 39 m, and has a single entrance formed by a narrow passage (approximately 0.5 ¿ 1 m wide) that is permanently flooded with water, making access and monitoring during rainfall impossible. The cave passages display a lengthy network of branches, with discernible paragenetic processes and sediments resulting from river erosion filling the channels. In contrast, Mendukilo cave is a popular destination for tourists, spanning 869 m in length with a 59 m vertical extension. The cave is presently experiencing vadose conditions, and its morphology is defined by gravitational breakdown features, namely roof and wall collapses, which have obliterated the morphological characteristics of previous speleogenic phases. The investigation of the present dynamics within caves encompasses the collection of precipitation, drip water, and farmed calcite samples. In the instance of Ostolo cave, despite continuous monitoring being impeded by the challenges encountered when accessing it, the analyses of ¿18O values in dripwater and on precipitated carbonate indicate no seasonal variation, while carbonate precipitation occurs throughout the year. Mendukilo cave has been monitored continuously from 2018 to 2021, demonstrating that changes in the precipitation levels affect the ¿18O and ¿13C values in carbonate samples on an interannual scale, although the seasonal impact is less pronounced. Several stalagmites from the Ostolo and Mendukilo caves were sampled, dated, and geochemically analyzed to obtain high-resolution paleoclimate information from those excellent archives. Three speleothems from Ostolo cave (OST1, OST2, and OST3) were dated using the U/Th method at a high resolution in intervals that present a speleothem petrography suitable for paleoclimatic interpretations. These dating results allow the generation of age models and a series of stable oxygen isotopes that cover a large part of the last deglaciation and the onset of the Holocene. These ¿18O series are robustly replicated, and their variations when abrupt climatic changes arise correlate very well with other records from the rest of Europe and the Greenland ice cores. This allows, together with the results of monitoring inside the cavity, the interpretation that the ¿18O signal stored in these stalagmites is directly influenced by the temperature changes that occurred during the different abrupt changes of the last deglaciation. Indeed, depleted ¿18O values were observed during the cold Greenland stadials (GS), and enriched values were observed during warm Greenland interstadials (GI), indicating a dominant control of air temperature in this signal. In addition to the effect of temperature, the ¿18O series of these speleothems is influenced by changes in the isotopic composition of the humidity source that affects these caves (e.g., meltwater released into the North Atlantic Ocean as a consequence of the discharge of massive ice sheets in the northern hemisphere during Heinrich Event 1). The speleothem record from Mendukilo cave consists of four stalagmites (MEN-2, MEN-3, MEN-4, and MEN-5) extracted from the same gallery, composed of calcite, and with a similar petrography. The ¿13C composite record from Mendukilo cave, in conjunction with the trace element series, allowed us to determine that higher (lower) ¿13C values are related to colder (warmer) intervals and/or drier (wetter) environments with reduced (improved) soil respiration and vegetation productivity. However, the ¿18O composite record of the speleothems captured an annual signal, which was mainly influenced by the amount of rainfall and changes in the isotopic composition of the ocean. These interpretations for both composites, together with those of trace elements, allow us the identification and reconstruction of millennial-scale climate changes previously observed in other records from the region during last 13 kyr, such as the Holocene thermal maximum and neoglaciation. The Mendukilo oxygen isotope composite also records short-lived events associated with major disturbances in the North Atlantic deep-water circulation, and sometimes as a result of meltwater intrusion. A new series of stable isotopes was defined based on the ¿D values from the analysis of fluid inclusions of Ostolo and Mendukilo stalagmites. The ¿D fluid inclusion values for the Holocene and other warm periods were similar to those of the present-day dripping waters at each cave. In contrast, ¿D values were more negative during GS-1 and GS-2.1a. Monitoring work (rainfall isotopes, dripwater isotopes, and temperature) allows defining a transfer function to convert the ¿D values of fluid inclusions to quantitative temperature values and to create a composite fluid inclusion paleotemperature record for both caves (OM-FIT). The OM-FIT record adds new and the first non-biogenic evidence for rapid temperature transitions during the last deglaciation and the Holocene period, accompanied by the identification of the most pronounced abrupt events that occurred during the last 16.5 thousand years in northern Iberia.
como la mejor forma de obtener datos de escenarios climáticos comparables a nuestra situación climática actual.
La presente tesis aborda el estudio de las cuevas de Ostolo y Mendukilo (Navarra, NE de España) con el foco puesto en la comprensión de la dinámica actual en el interior de las cavidades y en la reconstrucción paleoclimática desde la última deglaciación a partir de su registro espeleotémico (últimos 16.000 años). La Cueva de Ostolo (248 m s.n.m.) y la de Mendukilo (750 m s.n. m.) están situadas en la parte más oriental de la Cordillera Cantábrica (Montañas Vascas), Pirineo Occidental. Morfológicamente, la cueva de Ostolo tiene una longitud de 631 m y una extensión vertical de 39 m y una única entrada formada por un pasaje corto y estrecho que, puesto que coincide con una salida de agua permanente, imposibilita el acceso y la monitorización continuada. Las galerías de la cueva son ramificadas y alargadas, y aparecen morfologías
diagnósticas de procesos paragenéticos, a la vez que sedimentos fluviokársticos rellenan los conductos. Por otro lado, Mendukilo es una cueva turística con una longitud total de 869 metros y una extensión vertical de 59 metros, que se encuentra actualmente en condiciones vadosas. Está afectada por procesos de ruptura gravitacional (colapso de techo y paredes) que eliminan las morfologías asociadas con fases espeleogenéticas anteriores.
El estudio de la dinámica actual dentro de las cuevas, incluyendo muestreos de lluvia, de agua de goteo y de precipitados de calcita, permite conocer el funcionamiento de los procesos que influyen en la formación del registro espeleotémico. En el caso de la cueva de Ostolo, los trabajos de monitorización no se pudieron realizar de forma continuada, pero se mostró que los valores de δ18O en el agua de goteo y el carbonato precipitado no presentan variación estacional y que el carbonato precipita a lo largo de todo el año. La cueva de Mendukilo sí que presenta una monitorización continua durante 2018-2021 que ha permitido determinar el papel de la cantidad de lluvia en los valores isotópicos (δ18O y δ13C) en el carbonato precipitado.
Varias estalagmitas de ambas cuevas se muestrearon, dataron y fueron analizadas geoquímicamente para obtener registros paleoclimáticos de alta resolución a partir de estos excelentes archivos. Tres espeleotemas de la cueva de Ostolo (OST1, OST2 y OST3), datados mediante el método de U/Th a alta resolución, abarcan gran parte de la última deglaciación y el inicio del Holoceno. Las series de δ18O, replicadas de un modo muy robusto, presentan una excelente correlación con otros registros del resto de Europa y Groenlandia permitiendo así
obtener, junto con los resultados de monitorización en el interior de la cavidad, una señal precisa de la variación de temperatura asociada a los diferentes cambios bruscos de la última deglaciación.
Además del efecto de la temperatura, las series δ18O de estos espeleotemas están influidas por cambios en la composición isotópica de la fuente de humedad que afecta a estas cuevas, siendo notable este proceso durante la descarga masiva de icebergs en el hemisferio norte en el evento Heinrich 1.
El registro de espeleotemas de la cueva de Mendukilo consta de cuatro estalagmitas (MEN- 2, MEN-3, MEN-4 y MEN-5) extraídas de la misma galería, compuestas de calcita y con una petrografía similar. El registro compuesto de δ13C de la cueva Mendukilo, junto con las series de
elementos traza, nos permite determinar que los valores más altos (más bajos) de δ13C están relacionados con intervalos más fríos (más cálidos) y/o más secos (más húmedos) con una respiración del suelo y una productividad de la vegetación baja (alta). Por otro lado, el registro de δ18O de los espeleotemas capturó una señal anual, que está modificada, principalmente, por la cantidad de lluvia y por cambios en la composición isotópica del océano. Estas interpretaciones nos permiten reconstruir e identificar los cambios climáticos a escala milenaria observados en otros registros de la región durante el Younger Dryas hasta principios del Holoceno tardío (eg. últimos 4000 años), como el máximo térmico del Holoceno y la Neoglaciación. Además, los eventos de corta duración asociados con perturbaciones importantes en la circulación de aguas profundas del Atlántico Norte y, a veces, como resultado de la intrusión de agua de deshielo, se pudieron identificar y caracterizar su magnitud en la cueva de Mendukilo.
Gracias al análisis de inclusiones fluidas de las estalagmitas de Ostolo y Mendukilo se obtuvieron nuevos registros climáticos desde la última deglaciación que pudieron ser interpretados, de un modo cuantitativo gracias a una función de transferida definida a partir de
los trabajos de monitorización. Así, los valores de δD en inclusiones fluidas para el Holoceno y otros periodos cálidos fueron comparables a los actuales de goteos en cada cueva. Por el contrario, los valores de δD son más negativos durante periodos fríos, como el Younger Dryas o el evento de Heinrich 1. El registro compuesto de paleotemperatura calculado para ambas cuevas (OMFIT) representa la primera evidencia no biogénica de las transiciones rápidas de temperatura durante la última desglaciación y el Holoceno en el noreste peninsular.
Abstract (other lang.): Reconstructing past climate variations from cave speleothems has roots in a major challenge we face as a society today: the current climate emergency. While there is scientific consensus regarding the anthropogenic origin of global warming, sizeable uncertainties persist concerning the potential impacts of increasing temperatures on our planet and society. The investigation of past climatic changes, particularly those that occurred quickly, such as glacial terminations and Holocene rapid climate changes, provides the most appropriate means of obtaining climate scenario data analogous to our current climatic state. This Thesis specifically addresses the study of the Ostolo and Mendukilo caves (Navarra, NE Spain) with a focus on comprehending the present cave dynamics and reconstructing the paleoclimatic conditions since the last deglaciation, based on a multi-proxy analysis of their speleothems. Ostolo (248 m above sea level) and Mendukilo (750 m above sea level) caves are found in the easternmost region of the Cantabrian Mountain range (Basque Mountains) in the Western Pyrenees near the Cantabrian coast. Ostolo cave is 631 m long, with a vertical extent of 39 m, and has a single entrance formed by a narrow passage (approximately 0.5 ¿ 1 m wide) that is permanently flooded with water, making access and monitoring during rainfall impossible. The cave passages display a lengthy network of branches, with discernible paragenetic processes and sediments resulting from river erosion filling the channels. In contrast, Mendukilo cave is a popular destination for tourists, spanning 869 m in length with a 59 m vertical extension. The cave is presently experiencing vadose conditions, and its morphology is defined by gravitational breakdown features, namely roof and wall collapses, which have obliterated the morphological characteristics of previous speleogenic phases. The investigation of the present dynamics within caves encompasses the collection of precipitation, drip water, and farmed calcite samples. In the instance of Ostolo cave, despite continuous monitoring being impeded by the challenges encountered when accessing it, the analyses of ¿18O values in dripwater and on precipitated carbonate indicate no seasonal variation, while carbonate precipitation occurs throughout the year. Mendukilo cave has been monitored continuously from 2018 to 2021, demonstrating that changes in the precipitation levels affect the ¿18O and ¿13C values in carbonate samples on an interannual scale, although the seasonal impact is less pronounced. Several stalagmites from the Ostolo and Mendukilo caves were sampled, dated, and geochemically analyzed to obtain high-resolution paleoclimate information from those excellent archives. Three speleothems from Ostolo cave (OST1, OST2, and OST3) were dated using the U/Th method at a high resolution in intervals that present a speleothem petrography suitable for paleoclimatic interpretations. These dating results allow the generation of age models and a series of stable oxygen isotopes that cover a large part of the last deglaciation and the onset of the Holocene. These ¿18O series are robustly replicated, and their variations when abrupt climatic changes arise correlate very well with other records from the rest of Europe and the Greenland ice cores. This allows, together with the results of monitoring inside the cavity, the interpretation that the ¿18O signal stored in these stalagmites is directly influenced by the temperature changes that occurred during the different abrupt changes of the last deglaciation. Indeed, depleted ¿18O values were observed during the cold Greenland stadials (GS), and enriched values were observed during warm Greenland interstadials (GI), indicating a dominant control of air temperature in this signal. In addition to the effect of temperature, the ¿18O series of these speleothems is influenced by changes in the isotopic composition of the humidity source that affects these caves (e.g., meltwater released into the North Atlantic Ocean as a consequence of the discharge of massive ice sheets in the northern hemisphere during Heinrich Event 1). The speleothem record from Mendukilo cave consists of four stalagmites (MEN-2, MEN-3, MEN-4, and MEN-5) extracted from the same gallery, composed of calcite, and with a similar petrography. The ¿13C composite record from Mendukilo cave, in conjunction with the trace element series, allowed us to determine that higher (lower) ¿13C values are related to colder (warmer) intervals and/or drier (wetter) environments with reduced (improved) soil respiration and vegetation productivity. However, the ¿18O composite record of the speleothems captured an annual signal, which was mainly influenced by the amount of rainfall and changes in the isotopic composition of the ocean. These interpretations for both composites, together with those of trace elements, allow us the identification and reconstruction of millennial-scale climate changes previously observed in other records from the region during last 13 kyr, such as the Holocene thermal maximum and neoglaciation. The Mendukilo oxygen isotope composite also records short-lived events associated with major disturbances in the North Atlantic deep-water circulation, and sometimes as a result of meltwater intrusion. A new series of stable isotopes was defined based on the ¿D values from the analysis of fluid inclusions of Ostolo and Mendukilo stalagmites. The ¿D fluid inclusion values for the Holocene and other warm periods were similar to those of the present-day dripping waters at each cave. In contrast, ¿D values were more negative during GS-1 and GS-2.1a. Monitoring work (rainfall isotopes, dripwater isotopes, and temperature) allows defining a transfer function to convert the ¿D values of fluid inclusions to quantitative temperature values and to create a composite fluid inclusion paleotemperature record for both caves (OM-FIT). The OM-FIT record adds new and the first non-biogenic evidence for rapid temperature transitions during the last deglaciation and the Holocene period, accompanied by the identification of the most pronounced abrupt events that occurred during the last 16.5 thousand years in northern Iberia.
Pal. clave: gogía ; paleoclimatología ; geoquïmica
Titulación: Programa de Doctorado en Geología
Plan(es): Plan 489
Knowledge area: Ciencias
Nota: Presentado: 18 12 2023
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2023
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