Early to middle Eocene calcareous nannoplankton evolution: paleoclimatic forcing or casual pattern?

This PhD thesis focuses on ecological and evolutionary dynamics of calcareous nannoplankton communities during the early-middle Eocene, when the extreme warmth condition of the Early Eocene Climatic Optimum progressively switched towards the long-term middle Eocene cooling. This time interval represents a crucial transitional phase in the long-term global Paleogene climate evolution, but the relationship between climate and calcareous nannoplankton are poorly constrained due to the lack of high resolution records. We present calcareous nannofossil data combined with stable isotope of bulk sediments and carbonate records from the deep-sea succession recovered at Site U1410 (IODP Exp. 342, northwest Atlantic). The continuous stratigraphic record and the exceptional preservation of calcareous nannofossils at Site U1410 enabled us to improve the biostratigraphic framework and to document the temporal relationship between changes in paleoenvironmental trends and modification in calcareous nannofossil assemblage. Throughout the study interval, the general long-term evolution of calcareous nannofossil assemblages is characterized by the onset and successively the dominance of family Noelaerhabdaceae. In particular, genus Reticulofenestra emerged during the EECO and became established as the prominent component of Eocene assemblages by the early Lutetian. The prominent increase in abundance observed during the latest Ypresian was concomitant with the decline of other important components of the assemblage such as Zygrhablithus, Discoaster and Sphenolithus and appears to have been favoured by a combination of different biotic and abiotic factors, such as the long-term effect of EECO coupled with minor environmental changes recorded as a positive step of δ18O. On a short-term perspective, the early Lutetian at Site U1410 is characterized by a distinctive short-term negative perturbation in the stable isotope records that have been tentatively interpreted as a warming episode that interrupted the initial post-EECO cooling phase (Chapter 2). Calcareous nannofossil assemblages seems to respond to this transient event with changes in abundance observed both in Sphenolithus and Discoaster. In addition, the exceptionally preservation of middle Eocene calcareous nannofossils enabled a comprehensive taxonomic revision of middle Eocene Coccolithus-like placoliths; the SEM analyses highlighted the development of cross or X-shaped structures in the central area (Chapter 3), which eventually lead to the description a new genus Pletolithus and a new species (Pletolithus giganteus). Finally, a taxonomic reassessment of the middle Eocene Sphenolithus furcatolithoides group was the case study of Chapter 4. Based on the morphology and extinction pattern we described the successive steps observed in this lineage that led to comprehensive understanding of the stepped evolution of this group. More importantly, these taxonomic studies improve the stability of middle Eocene biostratigraphic schemes and highlight that the appearance of reiterative characters, a apical spine within sphenoliths and a robust structure in the central area within coccolithaceans, have occurred during a phase of relatively stable conditions during the Lutetian.

Questa tesi di Dottorato è incentrata sullo studio delle dinamiche ecologiche ed evolutive entro le comunità dei nannofossili calcarei durante l’Eocene inferiore-medio, che coincide con l’intervallo di tempo in cui le estreme condizioni di “greenhouse” raggiunte durante l’Early Eocene Climatic Optimum progressivamente sono passate alla fase di raffreddamento a lungo temine che caratterizza l’Eocene medio. Questo intervallo di tempo rappresenta una fase di transizione cruciale nell’evoluzione climatica globale a lungo termine del Paleogene, ma ad oggi, i dettagli dell’evoluzione climatica e di quella delle associazioni a nannofossili calcarei sono poco definiti a causa della carenza di record ad alta risoluzione. In questo studio noi presentiamo i dati delle associazioni a nannofossili calcarei insieme ai record degli isotopi stabili di carbonio e ossigeno della successione sedimentaria recuperata al Site U1410 (IODP Exp. 342, Atlantico nord-occidentale), dove a partire dall’Eocene medio si sono depositate espanse successioni di drift ricche in argilla. Il record stratigrafico continuo e l’eccezionale qualità di preservazione dei nannofossil calcarei al Site U1410 hanno permesso di fornire dei dati che servono a migliorare la biostratigrafia dell’Eocene e di documentare le relazioni temporali tra i trend paleoambientali e quelli delle associazioni a nannofossili calcarei. Durante l’intero intervallo studiato l’evoluzione generale delle associazioni a nannofossili calcarei è caratterizzata dall’ingresso e aumento in abbondanza fino alla dominanza della famiglia Noelaerhabdaceae. In particolare, il genere Reticulofenestra, entra nell’ associazione fossile durante l’EECO e diventa entro la fine dell’Eocene inferiore la componente dominante. Il significativo aumento in abbondanza di Reticulofenestra durante la fase terminale dell’Ypresiano coincide anche con la diminuzione in abbondanza dei generi Zygrhablithus, Discoaster e Sphenolithus e sembra essere legato ad un insieme di diversi fattori sia biotici che abiotici, come l’effetto a lungo termine dell’EECO sulle associazioni associato ad un spostamento di piccola entità verso valori più positivi nel record del δ18O. Il record degli isotopi stabili al Site U1410 è caratterizzato da una distintiva escursione negativa alla base del Luteziano che è stata interpretata come un possibile segnale legato ad un episodio di riscaldamento che ha interrotto la fase di iniziale raffreddamento a lungo termine. In corrispondenza di questa escursione negativa le associazioni a nannofossili calcarei registrano variazioni in abbondanza nei generi Discoaster e Sphenolithus. Inoltre, l’eccezionale preservazione dei nannofossili calcarei ci ha permesso di effettuare una revisione tassonomica approfondita di forme di placoliti che hanno una struttura simile a quella del genere Coccolithus. L’analisi al SEM di queste forme ha evidenziato lo sviluppo di strutture a croce o ad X nell’area centrale (Capitolo 3), che hanno portato alla descrizione di un nuovo genere (Pletolithus) e di una nuova specie (Pletolithus giganteus). Infine, il caso di studio presentato nel Capitolo 4 è principalmente incentrato su una revisione tassonomica degli sphenoliti dell’Eocene medio che appartengo al gruppo di Sphenolithus furcatolithoides. Sulla base della morfologia e del loro pattern di estinzione è stata descritta la successione degli step evolutivi all’interno di questo gruppo. Lo studio tassonomico di questi due gruppi ha consentito di migliorare la stabilità degli schemi biostratigrafici standard e ha evidenziato che la comparsa di caratteri reiterativi, come la spina apicale tra gli sphenoliti e robuste strutture nell’area centrale nelle coccolithaceae, sia avvenuta durante una fase di condizioni paleambientali relativamente stabili nel Luteziano.