Paleoclimatic reconstructions and Ocean DYnamics from the Sediment drifts of the ross SEA

Una delle principali incertezze nelle future proiezioni del livello del mare è come le calotte glaciali risponderanno al riscaldamento globale, in particolare quanta parte dell'Antartide sta perdendo massa di ghiaccio attraverso le sue grandi piattaforme glaciali. Le calde acque oceaniche e il relativo flusso di calore verso la piattaforma glaciale, causando lo scioglimento basale delle piattaforme glaciali antartiche, potrebbero ridurre il loro effetto di trattenimento dei flussi glaciali (ice streams) e innescare instabilità. Come succede in Artico, il trasporto di calore da parte delle correnti marine genera il progressivo scioglimento del ghiaccio marino e dei ghiacciai, che a loro volta hanno un impatto sostanziale sulla circolazione locale. Di conseguenza, lo studio su come le calotte glaciali e gli oceani hanno interagito in passato fornisce importanti vincoli per migliorare i modelli numerici delle calotte glaciali e le proiezioni del livello del mare.

Le depressioni batimetriche sulla piattaforma continentale e le profonde incisioni lungo la scarpata continentale rappresentano percorsi preferenziali per lo scambio tra le acque dense della piattaforma che scorrono lungo la scarpata continentale e le acque calde che risalgono verso la piattaforma continentale e la base della piattaforma glaciale. L'Hillary Canyon, lungo la scarpata continentale del Mare di Ross, forma un condotto per uno dei più grandi deflussi di acque dense nel Mare di Ross, ma si trova anche in corrispondenza di un'area focalizzata di penetrazione di acque calde verso i bacini di Pennell e Glomar-Challenger. Di conseguenza, è un punto ottimale per ricostruire come la circolazione oceanica abbia regolato in passato il flusso di calore sulla piattaforma continentale antartica e gli avanzamenti/ritiri passati della calotta glaciale.

L'area di studio si trova sul margine orientale dell'Iselin Bank e sul rialzo continentale a ovest dell'Hillary Canyon, a circa 74° S. Spessi depositi sedimentari sono conservati qui e costituiscono il fulcro di questo studio. Questi sono stati precedentemente interpretati come il prodotto dell'azione combinata di correnti torbiditiche e correnti di fondo che scorrono verso ovest risultando in un sistema deposizionale misto torbiditico e contouritico, come è il caso in altri settori del margine continentale antartico. Questi sistemi deposizionali, che in alcuni casi includono anche Mass Transport Deposits, costituiscono il rialzo continentale e offrono una registrazione indiretta, ma più continua, dell'attività deposizionale combinata glaciale e oceanica. Tuttavia nel settore del Mare di Ross, il rialzo continentale è meno esplorato rispetto alla piattaforma continentale, dove sono stati raccolti numerosi dati geofisici e geologici al fine di ricostruire gli avanzamenti/ritiri della calotta glaciale direttamente lì dove era appoggiata.

Per esplorare i processi glaciali e oceanici dominanti che agiscono nell'area tra l'Iselin Bank e l'Hillary Canyon, sono stati raccolti nuovi dati sismici, morfo-batimetrici e oceanografici durante la spedizione antartica del 2017 di R/V OGS Explora. Nel 2018, la spedizione 374 dell'International Ocean Discovery Program (IODP) ha perforato un totale di cinque siti come parte di un transetto  tra la piattaforma continentale esterna e il rialzo continentale per indagare sulle interazioni passate tra oceano e calotta glaciale e due di questi siti sono stati posizionati anche grazie ai dati raccolti in questo progetto.

Obiettivo generale: Contribuire alla comprensione delle dinamiche oceaniche passate e presenti, e della storia glaciale di questo settore dell’Antartide. In particolare, per trovare evidenze (nella geometria e distribuzione delle sequenze stratigrafiche) degli avanzamenti e ritiri della West e East Antarctic Ice Sheet (rispettivamente WAIS e EAIS) nel Miocene-Pleistocene, e dei loro effetti sulla produzione e regime della Ross Sea Bottom Water (RSBW), con un controllo cronologico della successione Quaternaria per mezzo di carote di sedimento.  

Obiettivi specifici:

- Definire la geometria e la forma dei sediment drifts e il volume dei sedimenti coinvolti attraverso una specifica indagine sismica multicanale ad alta risoluzione.

- Definire il carattere acustico del sedimento più superficiale, al fine di mettere in relazione le strutture sedimentarie con le attuali condizioni oceanografiche;

- Determinare la composizione e la granulometria dei sedimenti superficiali attraverso la raccolta di un transetto di carote a gravità;

- Vincolare cronologicamente le unità sismiche tramite il contenuto di microfossili, datazione al radiocarbonio e magnetostratigrafia di carote di sedimenti;

- Ottenere misure dirette della velocità dell’acqua di fondo da utilizzare per quantificare il trasporto del carico sedimentario e per vincolare il modello di flusso e trasporto;  

- Cercare una relazione tra composizione del sedimento, contenuto di microfossili, granulometria e condizioni idrografiche;

- Produrre un modello concettuale della circolazione e del trasporto dei sedimenti, basato sull'attuale topografia del fondo marino, integrando anche i risultati di simulazioni numeriche della circolazione attuale del mare di Ross a diverse scale.

La campagna di acquisizione è stata realizzata sulla nave da ricerca OGS Explora prima dell’inizio ufficiale del progetto (contratto tra CNR e OGS firmato 10 mesi dopo la campagna), a causa delle tempistiche imposte dalla finestra climatica ottimale che permette campagne di acquisizione di dati in Antartide solo durante l’estate australe e quelle imposte dall’ENEA quale attuatore della logistica. I materiali inventariabili e di consumo necessari alla campagna sono stati per questo motivo acquistati grazie a fondi anticipati direttamente da OGS. Tra questi sono stati acquistati:

- una sorgente sparker per l’energizzazione dei dati simici come alternativa ad alta risoluzione ma minore penetrazione. Purtroppo le condizioni meteomarine e i ristretti tempi operativi non ne hanno permesso l’utilizzo;

- una sonda SVP per la calibrazione dei dati multibeam, che è stata impiegata con successo;

- uno stereomicroscopio per analisi speditive, e in effetti durante la campagna siamo stati in grado di analizzare campioni presi dal top e bottom delle prime carote, permettendo di pianificare meglio le carote successive;

- un PC per il processing dei dati sismici durante la crociera, che ha permesso una analisi preliminare e la sottomissione di abstracts alla conferenza PAIS (scadenza pochi giorni dopo il termine della crociera).  

Con i dati acquisiti nella campagna OGS Explora hanno permesso di comprendere il ruolo dell'acqua densa di piattaforma nello sviluppo della morfologia di canyon sottomarini Antartici (vedi articolo Gales et al., 2020) ed della corrente di fondo sulla deposizione di sedimenti tra Iselin Bank e Hillary Canyon (vedi articolo Conte et al., submitted). I dati multibeam, elaborati da OGS con Software Teledyne PDS ed integrati con i dati regionali IBCSO, hanno fornito una base cartografica (vedi Mappa di cui ai Prodotti 3.E) che ha permesso di visualizzare la posizione degli altri dati rispetto alla morfologia del fondo. I dati sismici e sub-bottom, elaborati presso OGS, sono stati caricati in un progetto Kingdom (vedi Database di cui ai Prodotti 3.F) che ha permesso la loro visualizzazione ed interpretazione in maniera integrata.  

Per comprendere la variabilità spazio-temporale delle principali caratteristiche delle masse d'acqua e della circolazione generale del Mare di Ross è stato utilizzato presso ISMAR (Venezia) il modello ROMS a 5 km di risoluzione e 24 livelli verticali, e condizioni al contorno: batimetria da IBCSO, draft del Ross sea ice Shelf da BEDMAP2 e flussi atmosferici da data set Era-Interim. Nell'area di studio di ODYSSEA, 3 masse d'acqua principali interagiscono fortemente tra loro: l'acqua di superficie antartica (AASW), l'acqua di fondo del mare di Ross (RSBW) e l'acqua profonda circumpolare (CDW). L'AASW scorre fino a circa 100-150 m di profondità. La RSBW (temperatura <0 °C, salinità 34.60-34.70) sprofonda come una corrente di fondo dalla piattaforma verso la scarpata aumentando la sua velocità fino a 25 cm/s tra 1500 e 1900 m. La simulazione numerica suggerisce che, sebbene ricorrente, il cascading della RSBW non è un processo continuo. La CDW (temperatura 0.50-1.50 °C,  salinità 34.50–34.70) scorre a profondità intermedia (tra 300 e 1000/1500 m). Così, come per il flusso di sprofondamento della RSBW, l'intrusione di CDW è episodica anche se spesso ricorrente nella zona di indagine. Sulla scarpata continentale, la torbidità aumenta gradualmente da circa 1000 m verso il fondo, innescata sia dall'ASC che dal cascading di RSBW che si mescola localmente con la CDW. Dalla simulazione emergono tre percorsi principali dell'acqua di piattaforma durante il suo sprofondamento. Il percorso 1, che comprende il volume più grande, è collegato agli aggiustamenti geostrofici, scendendo lentamente a causa dell'attrito del fondo. Conserva fortemente la sua vorticità potenziale, che gli consente di raggiungere lunghe distanze dal punto di spillover in prossimità dello shelf break. Il percorso 2 è ancora più o meno aggiustato, ma a profondità più profonde si stacca dal flusso geostrofico principale per instabilità baroclina, scendendo lungo il lato sinistro del canyon di Hillary. Il percorso 3 segue il percorso 2, ma è più variabile e si presenta quando si verificano instabilità, consentendo al flusso di raggiungere la parte più profonda del bacino. Il percorso 3 è collegato ad intensi eventi di cascading che sono molto più episodici degli altri due.

I risultati delle simulazioni modellistiche concordano con le misurazioni raccolte nella campagna oceanografica, sebbene tali misurazioni rappresentino solo un'istantanea delle condizioni estive. I principali processi dinamici che caratterizzano l'intero Mare di Ross, così come le caratteristiche dell'evoluzione delle masse d'acqua, sono coerenti con il modello fenomenologico di quest'area. Inoltre, sia le misurazioni raccolte durante la campagna (in particolare le misure con L-ADCP fornito da Laura de Steur del Norwegian Polar Institute, Tromsø) che le simulazioni numeriche sono in accordo con i dataset oceanografici esistenti per quest’area. Ciò ci dà confidenza di utilizzare le condizioni oceaniche simulate e misurate per discutere le interazioni a lungo termine tra le principali masse d'acqua e l'analisi geologica e geofisica dell'area.

I dati oceanografici e le simulazioni numeriche hanno fornito risultati concordi sul fatto che le correnti di fondo alla base della scarpata dell'Iselin Bank siano correlate alle acque dense prodotte sulla piattaforma continentale del Mare di Ross che fluiscono attraverso l'Hillary Canyon e dall’Iselin Bank stesso durante eventi di cascading, contribuendo con il loro carico sospeso alla crescita dei mound di sedimento sul rialzo continentale (vedi articoli Gales et al., 2020 e Conte et al., submitted).  

Le 6 carote a gravità (11, 12 ,13, 14, 15 e 16) recuperate nel corso della campagna sono state archiviate presso il Museo dell’Antartide di Trieste e sottoposte a analisi non distruttive presso il Laboratorio congiunto (Università di Trieste e OGS) CoreLoggingLAB. Tali analisi, che hanno compreso le radiografie a raggi X e il logging in continuo di proprietà fisiche, hanno preceduto l’apertura delle carote stesse, la descrizione, il campionamento  e le successive analisi condotte in vari laboratori. Purtroppo una serie di contrattempi logistici e amministrativi hanno ritardato queste analisi e la distribuzione dei fondi presso le diverse Unità di Ricerca. Questo è anche il motivo del conseguente ritardo nella scrittura di un articolo scientifico che utilizza i risultati di tali analisi (vedi articolo Morigi et al., in preparation).  

Le sezioni archivio sono state quindi trasportate presso ISMAR (Bologna) e scansionate con un XRF core scanner Avaatech per la determinazione rapida e non distruttiva della composizione chimica del sedimento.  Sono stati misurati circa 35 m di sedimento alla risoluzione verticale di 1 cm e 2.8 m ripetuti anche alla risoluzione verticale di 1 mm. Le carote sono state anche scansionate fotograficamente ad alta risoluzione (risoluzione verticale, 70 micron). L’acquisizione in digitale ha permesso sia la produzione di immagini che l’acquisizione di dati di colore secondo le 3 componenti base (RGB) e di luminosità. I profili verticali dei rapporti di alcuni elementi chiave (Zr/Rb, Ca/Ti, Mn/ti, Ba/Ti) e l’analisi delle immagini fotografiche hanno aiutato a definire, insieme a x-ray, suscettività magnetica, ecc. uno schema di correlazione fra le carote campionate. Avendo ricevuto i fondi a progetto ampiamente avviato, questi sono stati principalmente devoluti per acquistare un sistema di archiviazione dei dati relativamente alle simulazioni numeriche e un gruppo di continuità per la sicura conservazione dei dati, per pagare il laboratorio di misura XRF core scanner e per una serie di materiali di consumo utili alla corretta conservazione dei campioni per successive misure ed analisi (cestoni in acciaio porta carote, buste e rotoli tubo in PVC, ecc.).    

Lo studio paleomagnetico delle carote ricampionate con U-channels analizzati con il magnetometro criogenico del laboratorio di paleomagnetismo dell’INGV ha fornito una base di interpretazione paleoambientale e correlazione per le carote sedimentarie raccolte. L'analisi dei parametri magnetici (variazioni in composizione, concentrazione e granulometria dei minerali magnetici nelle sequenze sedimentarie indagate) mostra come essi corrispondono molto bene alle diverse unità litostratigrafiche. Le variazioni lungo le carote sono state dunque utilizzate per ottenere informazioni sui processi paleoambientali che sono avvenuti nel bacino di sedimentazione. Tutti i parametri tipici del rock magnetism (magnetostratigrafia e la paleointesità relativa del campo geomagnetico registrate dai sedimenti) sono stati usati per migliorare la correlazione tra le carote precedentemente basata sulle caratteristiche litologiche e l'analisi XRF, e datate tramite i dati del radiocarbonio (14C). Purtroppo, per un problema allo strumento, alcuni i dati (paleointensità relativa) non sono stati considerati attendibili e non è stato possibile procedere con l’analisi di una cronologia ad alta risoluzione come previsto, tuttavia l’individuazione di minimi di inclinazione, correlabili con escursioni note del Campo Magnetico Terreste, sono state utilizzate per ottenere tie points utili a definire l’età delle carote.  

Le analisi granulometriche e geochimiche dei campioni di sedimento sono state condotte dal partner internazionale presso il First Institute of Oceanography, Qingdao, China e lo studio di dettaglio delle litofacies è stato effettuato presso l’OGS di Trieste.  

Le analisi micropaleontolgiche (foraminiferi, diatomee, nannofossili calcarei) e sedimentologiche (contenuto di Ice Rafted Debris – IRD) delle sei carote a gravità prelevate sulla scarpata sono state effettuate presso il Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Pisa e l’Università di Parma. Lo studio dei microfossili e del contenuto degli IRD ha permesso: a) la correlazione delle carote e successivamente la determinazione di un modello di età. Questo è stato effettuato integrando i risultati di paleomagnetismo, XRF e geochimica con la determinazione delle litofacies e biofacies; b) la ricostruzione dei paleoambienti e delle paleocorrenti, utilizzando il significato ecologico delle diverse specie di foraminiferi planctonici e bentonici, diatomee e nannofossili calcarei. Per le analisi micropaleontologiche e degli IRD sono stati prelevati 336 campioni di sedimento. I risultati di queste analisi hanno permesso di identificare 4 intervalli messi in relazione con diverse fasi climatiche (vedi articolo Morigi et al., in preparation). L’intervallo più antico, da 42 Ka BP a 39 Ka BP, è associato ad un periodo freddo, corrispondente allo stadio marino isotopico 3 (MIS 3) caratterizzato da condizioni climatiche molto rigide. È stata ipotizzata la presenza di forti correnti di fondo, in base alla presenza di laminazione incrociata nella carota 13-GC e 16-GC. Un secondo intervallo, dai 39 Ka BP ai 27 Ka BP, è associato ad una fase climatica più temperata, con incremento di temperatura delle acque e assenza parziale o totale di ghiaccio marino nella stagione estiva. Il terzo intervallo, dai 27 Ka BP agli 11 Ka BP, corrisponde all’ultimo massimo glaciale, ed è caratterizzato da un clima molto freddo, testimoniato dalla presenza in tutte le carote da sedimenti subglaciali. Infine, da 11 Ka BP fino all’attuale, il periodo corrispondente all’Olocene, è caratterizzato da condizioni climatiche relativamente calde. Questo intervallo, rappresentato solo nelle carote campionate alla base della scarpata, è caratterizzato da un’associazione bentonica tipica dell’ambiente profondo antartico attuale. Tali periodi sono stati definiti anche tramite un confronto inter-emisferico con la ricostruzione del ritiro post-LGM dello Storfjorden ice stream basata su dati e simulazioni numeriche.

I tre box-corer campionati durante la campagna oceanografica del progetto ODYSSEA, sono stati analizzati per loro contenuto microfaunistico. Sebbene lo studio delle componenti faunali moderni non fosse uno degli obiettivi del progetto ODYSSEA, la raccolta di campioni sorprendentemente ricchi in coralli profondi ha permesso di ottenere la valutazione di biodiversità delle associazioni a foraminiferi bentoniche epifaunali. In particolare, è stato svolto uno studio sui foraminiferi bentonici viventi che vivono attaccati a substrati duri rappresentati da idrocoralli, conchiglie e ciottoli, insieme a quelli che colonizzano l’interfaccia acqua-sedimento, e che vengono maggiormente studiati, con lo scopo di caratterizzare la componente epibentonica. Come risultato generale abbiamo una dominanza di specie agglutinanti sia per i substrati duri che per il sedimento superficiale. Anche la composizione tassonomica rivela la particolarità dell’habitat con la dominanza della componente agglutinante sia monotalamica che politalamica su quella biocalcificante. Tale distribuzione può essere messa in relazione alle acque definite corrosive con un pH acido che non permette quindi la biomineralizzazione delle specie calcaree. Queste associazioni a foraminiferi bentonici potrebbero essere modellate dalle caratteristiche ambientali estreme presenti nel canyon, in cui le forti correnti di fondo e i fenomeni di cascading superficiali, in un ambiente oligotrofico, creano un habitat instabile.

Gales, J., Rebesco, M., De Santis, L., Bergamasco, A., Colleoni, F., Kim, S., Accettella, D., Kovacevic, V., Liu, Y., Olivo, E., Colizza, E., Florindo-Lopez, C., Zgur, F., McKay, R., 2021. Role of dense shelf water in the development of Antarctic submarine canyon morphology. Geomorphology, 372, art. no. 107453.  

Conte, R., Rebesco, M., De Santis, L., Colleoni, F., Bensi, M., Bergamasco, A., Kovacevic, V., Gales, J., Zgur, F., Accettella, D., De Steur, L., Ursella, L., McKay, R., Kim, S., and the IODP Expedition 374 Scientists, Bottom current control on sediment deposition between the Iselin Bank and the Hillary Canyon (Antarctica) since the late Miocene: an integrated seismic- oceanographic approach. Submitted to Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers 176, art. no. 103606.  

Dorschel, B., Hehemann, L., Viquerat, S., Warnke, F., Dreutter, S., Tenberge, Y.S., Accettella, D., An, L., Barrios, F., Bazhenova, E., Black, J., Bohoyo, F., Davey, C., De Santis, L., Dotti, C.E., Fremand, A.C., Fretwell, P.T., Gales, J.A., Gao, J., Gasperini, L., Greenbaum, J.S., Jencks, J.H., Hogan, K., Hong, J.K., Jakobsson, M., Jensen, L., Kool, J., Larin, S., Larter, R.D., Leitchenkov, G., Loubrieu, B., Mackay, K., Mayer, L., Millan, R., Morlighem, M., Navidad, F., Nitsche, F.O., Nogi, Y., Pertuisot, C., Post, A.L., Pritchard, H.D., Purser, A., Rebesco, M., Rignot, E., Roberts, J.L., Rovere, M., Ryzhov, I., Sauli, C., Schmitt, T., Silvano, A., Smith, J., Snaith, H., Tate, A.J., Tinto, K., Vandenbossche, P., Weatherall, P., Wintersteller, P., Yang, C., Zhang, T., Arndt, J.E. (2022) The International Bathymetric Chart of the Southern Ocean Version 2. Scientific Data, 9 (1), art. no. 275.

Ren, P., Luo, C., Zhang, H., Cui, C., Sun, S., Song, H., Xu, L., Rebesco, M., De Santis, L., Liu, Y., Wang, X. (2022) Isotopic Records of Ancient Wildfires in C4 Grasses Preserved in the Sediment of the Ross Sea, Antarctica. Geophysical Research Letters, 49 (13), art. no. e2022GL098979, .

Cui, C., Tang, Z., Rebesco, M., Desantis, L., Li, C., Wang, X., Sun, S., Liu, Y. (2021) Sedimentary records of enhanced deep ventilation during the last deglaciation in the ross sea, Southern Ocean. Quaternary Sciences, 41 (3), art. no. 1001-7410(2021)03-678-13, pp. 678-690. Cited 1 time.

Gales J., McKay R., De Santis L., Rebesco M., Laberg J.S., Harwood D. Leckie R.M., Patterson M., King M., Lucchi R.G., Kim S., Kim S.,  Kulhanek D., Shevenell A.,  Dodd J., Seidenstein J. & IODP Expedition 374 Scientists, in revision, Climate-controlled submarine landslides on the Antarctic margin, Nature Communications.

Morigi et al., microfossil analyses of ODYSSEA sedimentary cores, in preparation.

Lucchi et al., sedimentologic analyses of ODYSSEA sedimentary cores, in preparation.

+ 16 Proceedings di convegni.

Audiovisivo "Antartide 360" (https://www.youtube.com/watch?v=oTiEYzUfI4g), presentato per la prima volta al Past Antarctic Ice Sheet Dynamics (PAIS) Conference September 10-15th 2017, Trieste da Associazione Explora (https://associazioneexplora.com/)

Mazzoli E., 2018. Capitolo 2.14. Dopo 10 anni, con la OGS Explora nuovamente in Antartide. In: Mazzoli E., Trieste fra i ghiacci, Edizione 2018, pp. 316. Luglio Editore, ISBN 978-88-96940-70-9