La crisi della salinità del messiniano nella depressione pre-adriatica (Albania) - paleoidrologia del mediterraneo durante la deposizione delle evaporiti solfatiche: un nuovo approccio metodologico

Abstract

Scopo di questo progetto di dottorato è stato l’ampliamento delle conoscenze su alcuni temi ancora aperti della crisi di salinità del Messiniano (Messinian salinity crisis – MSC), l’evento che nel recente passato geologico ha portato il Mar Mediterraneo ad un profondo sconvolgimento ambientale, costituendo uno dei temi più affascinanti e maggiormente dibattuti all’interno della comunità scientifica. In particolare, in questo dottorato sono stati affrontati due temi principali che hanno portato ad una strutturazione dell’elaborato in due parti: Parte A - ricostruzione della crisi di salinità nell’area adriatico-balcanica valutando l’applicabilità dei modelli più largamente accettati (3 stage model sensu CIESM, 2008; Roveri et al., 2014a) anche a quest’area finora poco studiata; Parte B -ampliamento delle conoscenze sulla deposizione delle evaporiti solfatiche primarie, con particolare attenzione alle condizioni di paleosalinità, oggetto molto dibattuto negli anni recenti. Relativamente al primo tema è stato svolto uno studio multidisciplinare, comprendente analisi di facies, sedimentologia, bio-magneto-stratigrafia, geochimica isotopica, della successione sedimentaria affiorante all’interno della depressione peri-adriatica (Peri-Adriatic Depression – PAD) concentrandosi sulle 3 aree principali (Valona, Kavaje, Durazzo; Albania) in cui è presente il record più completo della MSC. Il principale risultato è stato il riconoscimento di tre stadi evolutivi all’interno delle successioni messiniane albanesi in analogia con quanto descritto nell’areale Mediterraneo. Il primo stadio (5.971 – 5.60 Ma) è registrato da una successione in situ, ma incompleta, di evaporiti solfatiche riferibili ai Gessi Primari Inferiori (Primary Lower Gypsum; PLG); nell’area di Valona sono stati riconosciuti fino a 6 cicli (PLG 4-9; c/o Guri i Gifutit), mentre nell’area di Durazzo sono stati riconosciuti esclusivamente i cicli basali (PLG1-2). Nell’area di Kavaje, lo studio di stratigrafia integrata (biostratigrafia, magnetostratigrafia, caratterizzazione della mineralogia magnetica) ha permesso di identificare l’onset della crisi di salinità (5.971 Ma, Manzi et al., 2013) alla base di un livello di peliti euxiniche completamente sterile e privo di evaporiti che costituisce una registrazione parziale del primo stadio della crisi. I depositi del primo stadio sono troncati al tetto dalla superficie erosiva intramessiniana (Messinian Erosional Surface – MES). Al di sopra di questa superficie sono presenti successioni diverse per le tre aree. A Valona la MES è sigillata da una successione pliocenica, mentre a Kavaje e a Durazzo sono registrati anche il secondo stadio (5.60 – 5.55 Ma) e il terzo stadio (5.55 – 5.33 Ma) della crisi. A Kavaje, al di sopra delle peliti euxiniche troncate dalla MES, è presente unità composita, contenente blocchi non in situ di PLG e gessi clastici, riferibile all’unità dei Gessi Inferiori Risedimentati (Resedimented Lower Gypsum; RLG), depositatasi nel secondo stadio. Nel sottosuolo questi depositi passano lateralmente a corpi salini. La successione termina con una spessa unità terrigena che, secondo studi precedenti, dovrebbe includere l’evento Lago-Mare del terzo stadio della crisi, che non è stato riconosciuto dalle analisi biostratigrafiche. Rispetto a Kavaje, nell’area di Durazzo è presente un intervallo di gessi clastici molto più sottile seguito da una spessa successione terrigena, almeno in parte riferibile al Lago Mare, al tetto della quale è riconoscibile il passaggio al Pliocene, caratterizzato da un’organizzazione ed una ciclicità paragonabili a quelle riconosciute nell’avanfossa appenninica. I risultati ottenuti sulla successione onshore sono stati utilizzati per tarare la successione presente nell’offshore albanese e attraverso la revisione dei dati di sottosuolo relativi all’offshore italiano (Progetto VIDEPI) è stata realizzata una correlazione tra avanfossa dinarica e appenninica. Relativamente al secondo tema è stato condotto uno studio di paleosalinità sui gessi messiniani, mediante l’analisi di inclusioni fluide (IF) all’interno di cristalli di selenite di varie località del Mediterraneo allo scopo di verificare le varie ipotesi recenti (Natalicchio et al., 2014, Evans et al., 2015; Costanzo e al., 2019; Grothe et al., 2020; Aloisi et al., 2022), che prevedono che la precipitazione dei gessi messiniani sia avvenuta a partire da acque a salinità molto bassa (da 1.8 a 78.2 ‰), quindi con valori molto inferiori a quelli attesi da normale evaporazione di acqua di mare. L’impiego di un nuovo approccio di microtermometria ha permesso, per la prima volta, di documentare due popolazioni di inclusioni fluide in base ad una soglia dimensionale indicativa (circa 720 μm2) caratterizzate da salinità totale (peso percentuale di NaCl equivalenti) differente: i) le IF di dimensioni inferiori al valore soglia hanno mostrato un ampio range di salinità comprendente valori che ricadono all’interno del campo di precipitazione del gesso da acqua marina (110 e 270 ‰); ii) le IF di dimensioni maggiori hanno invece mostrato valori di salinità sempre inferiori a 110‰. La minore salinità delle inclusioni più grandi è interpretabile come il risultato di processi di crack and seal che, ad opera di sollecitazioni meccaniche, hanno prodotto il distacco e la successiva sigillatura dei piani di sfaldatura perfetta (010) dei cristalli, consentendo l’inserimento di fluidi secondari (diagenetici), i quali hanno modificato il fluido originale. La salamoia primaria, con signature marina, è stata preservata solo dalle IF più piccole che non sono state interessate da questo processo. Uno studio preliminare di spettrometria di massa (LA-ICP-MS), effettuato in collaborazione con l’università di Binghamton, sembra evidenziare differenze di composizione chimica tra le due popolazioni di IF. Pur essendo incoraggianti, i risultati ottenuti devono essere considerati con cautela in quanto l’applicabilità di questa tecnica al gesso è in fase sperimentale.

The aim of this PhD project was to expand the knowledge on some still open issues of the Messinian salinity crisis (MSC), which is one of the most fascinating and debated topics within the scientific community. In particular, two main themes have been addressed in this PhD: A) the reconstruction of the salinity crisis in the Adriatic-Balkan area by evaluating the applicability of the most widely accepted models (3 stage model sensu CIESM, 2008; Roveri et al., 2014a); B) investigation on the primary sulphate evaporites deposition with particular attention to paleosalinity conditions, widely debated in recent years. Topic A: a multidisciplinary study was carried out including facies analysis, sedimentology, bio-magneto-stratigraphy and isotopic geochemistry of the sedimentary succession outcropping within the Peri-Adriatic Depression (PAD). The study was focused on the 3 main areas (Vlora, Kavaje, Durres; Albania) where the most complete MSC record is present. The main result was the recognition of three evolutionary stages within the Albanian Messinian successions similarly to what was described in the other Mediterranean areas. The MSC stage 1 (5.971 – 5.60 Ma) is recorded by an incomplete sulphate evaporites succession representing the Primary Lower Gypsum (PLG); Up to 6 cycles have been recognized in the Vlora area (PLG 4-9; c/o Guri i Cifutit), while in the Durres area only the basal cycles are present (PLG1-2). In the Kavaje area, an integrated stratigraphy study (biostratigraphy, magnetostratigraphy, rock magnetic analysis) has allowed to identify the onset of the MSC (5.971 Ma, Manzi et al., 2013) at the base of an evaporite-free euxinic shales without any biological content, which constitute a PLG time-equivalent record. The stage 1 deposits are truncated on top by the Messinian erosional surface (MES). In the Vlora area the MES is sealed by Pliocene sediments, while in Kavaje and Durazzo areas the MSC stage 2 (5.60 – 5.55 Ma) and 3 (5.55 – 5.33 Ma) deposits are present. In the Kavaje area, an euxinic shales unit is capped by a composite evaporitic unit made up by PLG olistoliths and clastic gypsum, referable to the MSC stage 2 Resedimented Lower Gypsum (RLG) passing laterally in the subsurface data to a saline body. The succession ends with a thick terrigenous unit which, according to previous studies, should include the Lago-Mare deposits (MSC stage 3), which was not recognized by the biostratigraphic analyses. Compared to Kavaje, in the Durres area there is a much thinner interval of clastic gypsum followed by a thick terrigenous succession of stage 3 showing a cyclic stacking pattern similar to that of the Apennine foreland basin. This succession ends with the Miocene/Pliocene boundary. Onshore data have been used to calibrate the Albanian offshore succession. Then, through the revision of the subsurface data related to the Italian offshore (VIDEPI Project), a correlation between the Dinaric and Apennine foreland basins was achieved. Topic B: a palaeosalinity study was conducted on the Messinian gypsums through the analysis of fluid inclusions (FIs) from several Mediterranean locations in order to verify recent hypotheses (Natalicchio et al. , 2014, Evans et al., 2015; Costanzo et al., 2019; Grothe et al., 2020; Aloisi et al., 2022) which predict a Messinian gypsum precipitation occurred from very low salinity (from 1.8 to 78.2 ‰), well below that expected from normal marine precipitation. The use of a new microthermometry approach has allowed (for the first time) to document two populations of fluid inclusions based on an indicative size threshold (around 720 μm2) characterized by different salinity (Wt‰ NaCl equivalent): i) the FIs smaller than the threshold size showed a wide salinity range including values falling within the gypsum precipitation field from seawater (GPF; 110 and 270 ‰); ii) the larger FIs, on the other hand, showed salinities always lower than 110‰. The lower salinity of the larger inclusions can be interpreted as the result of crack and seal processes which, due to mechanical stresses, allowed the introduction of low-salinity secondary fluids. The primary brine, with marine signature, has been preserved only in the smallest FIs that have not been affected by this process. A preliminary mass spectrometry study (LA-ICP-MS), carried out in collaboration with the Binghamton University, seems to highlight chemical composition differences between the two FIs populations. Although encouraging, these results must be considered with caution because LA-ICP-MS on gypsum FIs is still an experimental application. Topic A: a multidisciplinary study was carried out including facies analysis, sedimentology, bio-magneto-stratigraphy and isotopic geochemistry of the sedimentary succession outcropping within the Peri-Adriatic Depression (PAD). The study was focused on 3 main areas (Valona, Kavaje, Durres; Albania) where the most complete MSC record crops out. The main result was the recognition of a tripartite organization of the Albanian Messinian successions which fits into the three evolutionary stages of the MSC described in the other Mediterranean areas. The MSC stage 1 (5.971 – 5.60 Ma) is recorded by an incomplete sulphate evaporites succession representing the Primary Lower Gypsum (PLG). Up to 6 cycles have been recognized in the Vlora area (PLG 4-9; c/o Guri i Gifutit), while in the Durres area only the basal cycles are present (PLG1-2). In the Kavaje area, an integrated stratigraphy study (biostratigraphy, magnetostratigraphy, rock magnetic analysis) has allowed to identify the onset of the MSC (5.971 Ma, Manzi et al., 2013) at the base of a unit made of evaporite-free euxinic shales without any fossil content, which represents a PLG time-equivalent record. The stage 1 deposits are truncated on top by anerosional surface which is correlated with the MES (Messinian erosional surface. In Vlora the MES is sealed by Pliocene sediments, while the Kavaje and Durazzo succession recorded the MSC stage 2 (5.60 – 5.55 Ma) and 3 (5.55 – 5.33 Ma). The euxinic shales of the Kavaje area are overlain by a composite unit, containing PLG olistoliths and clastic gypsum, referable to the MSC stage 2 Resedimented Lower Gypsum (RLG). Subsurface data show the lateral transition of these deposits to halite bodies. The succession ends with a thick terrigenous unit which, according to previous studies, should include the Lago-Mare deposits (MSC stage 3), which was not recognized through biostratigraphic analyses. Compared to Kavaje, in the Durres area the clastic gypsum deposits are much thinner and are overlain by a thick terrigenous succession. The latter is partially attributable to the stage 3 and is characterized by a cyclic stacking pattern comparable with that of the Apennine foreland basin. This succession ends with the Miocene/Pliocene boundary. The onshore data were used to calibrate the Albanian offshore succession. Then, through the revision of the subsurface data related to the Italian offshore (VIDEPI Project), a correlation between the Dinaric and Apennine foreland basins has been achieved. Topic B: a palaeosalinity study was conducted on the Messinian gypsums through the analysis of fluid inclusions (FIs) from several Mediterranean locations in order to verify recent hypotheses (Natalicchio et al. , 2014, Evans et al., 2015; Costanzo et al., 2019; Grothe et al., 2020; Aloisi et al., 2022) which predict a Messinian gypsum precipitation occurring at very low salinity (from 1.8 to 78.2 ‰), well below that expected from normal marine precipitation. The use of a new microthermometry approach has allowed to document for the first time two populations of fluid inclusions based on an indicative size threshold (about 720 μm2) characterized by different salinity (Wt‰ NaCl equivalent): i) the FIs smaller than the threshold size show a wide salinity range including values falling within the gypsum precipitation field from seawater (GPF; 110 and 270 ‰); ii) the larger FIs, on the other hand, show salinities always lower than 110‰. The lower salinity of the larger inclusions can be interpreted as the result of crack and seal processes which, due to mechanical stresses, allowed the introduction of low-salinity secondary fluids. The primary brine, with marine signature, has been preserved only in the smallest FIs that have not been affected by this process. A preliminary mass spectrometry study (LA-ICP-MS), carried out in collaboration with the Binghamton University, seems to highlight chemical composition differences between the two FIs populations. Although encouraging, these results must be considered with caution because LA-ICP-MS on gypsum FIs is still an experimental application.