Gateway exchange, climatic forcing and circulation of the Mediterranean Sea during the late Miocene: A model perspective

Oceanen transporteren - en fungeren als opslag van - grote hoeveelheden warmte, zout, en andere chemische verbindingen, waaronder CO2. Ze zijn daarom een belangrijk onderdeel van het aardse klimaatsysteem. Gezien de huidige bezorgdheid over het veranderende klimaat, is het cruciaal om een goed begrip te hebben van het functioneren van oceaancirculatie. Veranderingen in de circulatie en chemische samenstelling van de oceaan zijn veelal terug te zien in de sedimenten die afgezet worden op de oceaanbodem. Niet alleen het type sediment wordt bepaald door zulke veranderingen; de chemische samenstelling en fossielinhoud van het sediment worden er ook door beïnvloed. Op deze wijze vormen de afgezette sedimenten “het geologische archief” van genoemde veranderingen. Het bestuderen van dit archief is een manier om inzicht te verkrijgen in de processen die de oceaancirculatie aandrijven.

De circulatie en sedimentatie in door land ingesloten bekkens zijn bijzonder gevoelig voor veranderingen in het klimaat; dit maakt deze bekkens uitermate geschikt om klimaatverandering te bestuderen. De gevoeligheid voor veranderingen in het klimaat is een gevolg van de beperkte grootte van de bekkens en de gelimiteerde interactie met de open oceaan. Het bekendste voorbeeld van een door land ingesloten bekken is de Middellandse Zee, met zijn ligging tussen het Europese en het Afrikaanse continent. Circulatie in de Middellandse Zee wordt aangedreven door de uitwisseling van water met de Atlantische Oceaan en door de atmosferische condities in het Mediterrane gebied en zijn omgeving, zoals winden, verdamping, neerslag en resulterende zoetwater-instroom van rivieren. Op dit moment is de Straat van Gibraltar de enige zeestraat die de Middellandse Zee en de Atlantische Oceaan met elkaar verbindt; in het verleden is deze verbinding gecompliceerder geweest. De wateruitwisseling door een zeestraat wordt sterk beïnvloed door de zeestraat-bathymetrie; hierdoor was het mogelijk dat tektonische veranderingen in het gebied rond Gibraltar gevolgen hadden voor de grootte van de wateruitwisseling. Genoemde atmosferische condities worden sterk beïnvloed door de intensiteit van de inkomende zonnestraling, die op haar beurt afhangt van de baan van de Aarde en positie van de rotatieas van de Aarde ten opzichte van de zon. Het is het samenspel van klimaat en tektoniek dat leidt tot veranderingen in de circulatie in de Middellandse Zee en dat zijn weerslag vindt in het marien-geologische archief. Het herkennen en onderscheiden van de individuele invloed van de twee drijfveren is lastig maar belangrijk voor het verbeteren van ons begrip van oceaancirculatie.
De sedimenten die zijn afgezet in de Middellandse Zee in het laatste (d.w.z. jongste) deel van het Mioceen (het Messinien, van 7,25 tot 5,33 miljoen jaar geleden) vertonen een grote variabiliteit in hun samenstelling. Sedimenten kenmerkend voor afzetting in een open oceaan worden afgewisseld door lagen met een hoge organische inhoud. 5.97 miljoen jaar geleden werd deze afwisseling onderbroken door de afzetting van evaporieten (vooral gips en steenzout). Rondom de gehele Middellandse Zee zijn gipsafzettingen uit deze tijd gevonden en kilometers dikke lagen steenzout zijn verborgen onder de huidige zeebodem. Het uitzonderlijke geologische gebeuren dat geleid heeft tot de afzetting van deze evaporieten staat bekend als de Messinien Zoutcrisis en vond plaats tussen 5,97 en 5,33 miljoen jaar geleden. Deze relatief korte periode van evaporiet-afzetting is, ondanks het onderzoek van generaties van wetenschappers, nog steeds één van de grootste mysteries in de geologische geschiedenis. Voortbouwend op een groot aantal waarnemingen en een uitgebreid kwalitatief inzicht in het laat-Mioceen, heeft mijn promotieonderzoek als doel het verbeteren van het kwantitatieve begrip van de invloed van de grootte van de verbindende zeestraat tussen de Middellandse Zee en de Atlantische oceaan en van het klimaat op circulatie en zoutgehalte in de Middellandse Zee. Dit wordt bereikt door bestaande geologische/geochemische waarnemingen te combineren met een theoretische en model-gedreven aanpak van fysische aard. In dit proefschrift ontwikkel ik (1) een theoretische benadering van de relatie tussen zeestraatgrootte en bekkensaliniteit, (2) een vernieuwende aanpak, gebruik makend van meerdere modellen, om een schatting te maken van het zoetwaterbudget (relatie tussen neerslag, rivier-input en verdamping) van de Middellandse Zee in het Mioceen, (3) een gesimplificeerd model van de oceaancirculatie van de Middellandse Zee, dat de ruimtelijke verdeling van saliniteit in het bekken in eerste orde verklaart. De verkregen resultaten kunnen als volgt kort worden samengevat: Om een zoutgehalte in de Middellandse Zee in stand te kunnen houden dat groter is dan het huidige, moet de verbinding via de zeestraat beperkter (ondieper of smaller, of langer, of een combinatie hiervan) geweest zijn dan de huidige Straat van Gibraltar. Hoewel tijdens het laat-Mioceen de zoetwateraanvoer door de Afrikaanse rivieren mogelijk veel groter was (waarschijnlijk door afwatering in de Middellandse Zee van het destijds zeer grote Chad Meer), was het netto zoetwaterbudget van de Middellandse Zee vergelijkbaar met het huidige. Deze resultaten leiden tot de conclusie dat de Messinien Zoutcrisis voornamelijk op gang gebracht is doordat tektonische processen de verbinding van de Middellandse Zee met de Atlantische Oceaan drastisch verkleind hebben. Mijn onderzoek toont aan dat onder deze omstandigheden betreffende wateruitwisseling en zoetwaterbudget de Mediterrane waterkolom sterk gelaagd geweest kan zijn. Dit resultaat werpt nieuw licht op algemeen aanvaarde percepties van de Messinien Zoutcrisis en levert een nieuwe kwantitatieve basis voor toekomstige studies. De behaalde proces-gerelateerde resultaten zijn niet alleen zinvol voor de Middellandse Zee als case study gebied; tezamen met de geïntegreerde onderzoeksstrategie ontwikkeld in dit proefschrift zullen zij naar verwachting bijdragen tot verdieping van inzicht in oceaancirculatie en sedimentatie in andere vergelijkbare gebieden (tegenwoordige of in het geologische verleden) en in oceaancirculatie, in het algemeen.