An Integrated Study on Late Cisuralian (Early Permian) Palaeoenvironments and Palaeoclimate of Southern Alps

The transition from ice-house to green-house conditions that characterized the Permian (289–252 million years ago) climate passed through several glacial and interglacial phases and an increase of aridity, which affected the palaeoequatorial regions. The causes behind this increase, which led to several important changes within the terrestrial ecosystems, are still poorly understood. During the Permian, extrabasinal floras, mainly composed of drought-tolerant plants such as conifers and other gymnosperms, started to spread and move into the lowlands, progressively replacing the hygrophytic lowland floras that characterized the Carboniferous peat-forming forests. These climate changes and terrestrial biotic turnover left an important imprint in the carbon stable isotopic composition of the atmospheric CO2, and consequently, of the terrestrial organic matter. However, the step-wise nature of the Permian palaeofloristic transition and the low-resolution of δ13C data on the terrestrial organic matter make it difficult to clearly reconstruct what happened to the Permian palaeoequatorial ecosystems. A palaeoenvironmental and palaeoclimate reconstruction of the Kungurian (Cisuralian, early Permian) Tregiovo Basin (NE-Italy) is here provided. A multidisciplinary study has been carried out, through which two sections of the Tregiovo Formation, respectively “Le Fraine” and Tregiovo village sections, have been investigated for sedimentology, geochemistry, palaeobotany and palynology. The taxonomical study on the two rich palaeobotanical assemblages of the “Le Fraine” section revealed a very diverse and abundant flora, composed of sphenophytes (Annularia), ginkgophytes (?Sphenobaiera), pteridosperms (Peltaspermum), conifers (e.g., Hermitia, Feysia, Quadrocladus, Dolomitia) and taxa with uncertain botanical affinity like taeniopterids (Taeniopteris), sphenopterids (Sphenopteris) and two incertae sedis “morphotypes”. The palaeobotanical and palynological study indicates a xerophytic character for the Tregiovo flora, mainly dominated by conifers and sphenopterids. A thorough taxonomical study on these two plant groups showed a remarkable diversity, which allowed to pre-date the first appearance of genus Dolomitia to be moved back to the Kungurian, and to identify a new sphenopterid species, Sphenopteris valentinii. Sedimentological studies from the two sections indicate a playa-lake environment alternating with stable lacustrine conditions. Lake phases are indicated by common microbial carbonates, whereas playa-lake phases are indicated by the occurrence of mud-cracks and tetrapod footprints. Stable isotopic analyses on bulk organic carbon and conifer coalified tissues from the two Tregiovo sections highlighted a distinct negative shift of the δ13C curve on the terrestrial organic carbon within the Tregiovo Formation, well-constrained to the middle Kungurian by radiometric data, that correlates very well with the negative shift recorded by other authors for the Kungurian. This work represents a contribution to the comprehension of the complex picture of Permian palaeoenvironments and palaeoclimate, filling a gap on the knowledge about the early Permian eastern palaeoequatorial ecosystems.

Il Permiano (289–252 milioni di anni) rappresenta un periodo di transizione da condizioni di ice-house a condizioni di green-house, avvenuto attraverso diverse fasi glaciali e interglaciali. Questo cambiamento è stato caratterizzato da un incremento di aridità che interessò le regioni paleoequatoriali della Pangea. Le cause principali di questo incremento e di altri importanti cambiamenti che hanno interessato gli ecosistemi terrestri sono ancora poco chiare. Nel Permiano, le flore che occupavano le aree al di fuori dei bacini, costituite soprattutto da conifere ed altre gimnosperme che meglio tollerano periodi di aridità, cominciarono a migrare all’interno dei bacini, rimpiazzando progressivamente le flore più igrofitiche che avevano caratterizzato le foreste pluviali Carbonifere. Tali cambiamenti, sia climatici che relativi al biota terrestre, lasciarono un’impronta considerevole sulla composizione isotopica della CO2 atmosferica, e di conseguenza, della materia organica terrestre. La natura discontinua della transizione paleofloristica Permiana e la scarsa risoluzione dei dati riguardanti il δ13C della materia organica terrestre, rendono difficile una chiara visione di quello che accadde agli ecosistemi Permiani paleoequatoriali. In questa ricerca, viene proposta una ricostruzione paleoclimatica e paleoambientale del bacino Kunguriano (Cisuraliano, Permiano inferiore) di Tregiovo (NE-Italia). Attraverso uno studio multidisciplinare, le due sezioni di “Le Fraine” e del villaggio, appartenenti alla Formazione Tregiovo, sono state investigate dal punto di vista sedimentologico, geochimico, paleobotanico e palinologico. Lo studio tassonomico sui due depositi a piante di “Le Fraine” ha rivelato una flora molto ricca e diversificata, composta da sfenofite (Annularia), ginkgofite (?Sphenobaiera), pteridosperme (Peltaspermum), conifere (e.g., Hermitia, Feysia, Quadrocladus, Dolomitia) e taxa con affinità incerta come taeniopteridi (Taeniopteris), sfenopteridi (Sphenopteris) e due morfotipi incertae sedis. Gli studi paleobotanico e palinologico indicano un carattere xerofitico per la flora di Tregiovo, dominata da conifere e sfenopteridi. L’approfondito studio tassonomico di questi due gruppi ha svelato una notevole diversità, ha permesso di retrodatare al Kunguriano la prima comparsa del genere Dolomitia, e ha consentito di identificare una nuova specie di sfenopteride, Sphenopteris valentinii. Gli studi sedimentologici su entrambe le sezioni hanno indicato un’alternanza tra condizioni di playa-lake e lacustri stabili. Le fasi di playa-lake sono indicate dalla presenza di mud-cracks ed impronte di tetrapodi, mentre quelle lacustri stabili sono indicate dalla presenza abbastanza comune di carbonati microbiali. Le analisi isotopiche sul carbonio stabile contenuto nel bulk e nei tessuti carbonificati provenienti dalle due sezioni, hanno evidenziato uno shift negativo della curva del δ13C della Formazione di Tregiovo. Quest’ultima, radiometricamente datata Kunguriano medio, è molto ben correlabile con lo shift negativo registrato da altri autori per il Kunguriano. Il presente lavoro rappresenta un notevole contributo alla comprensione del complesso, e tuttora incompleto, quadro degli ecosistemi e del clima Permiani, che va a colmare una lacuna nelle conoscenze riguardante gli ecosistemi paleoequatoriali Permiani della Pangea orientale.