Cyclic sediment deposition by orbital forcing in the Miocene wetland of western Amazonia? New insights from a multidisciplinary approach

• DOI: 10.1016/j.gloplacha.2021.103717
• Publication Date: 2021-12-17T02:15:58Z
• Authors: Carina Hoorn; Tyler Kukla; Giovanni Bogotá-A...; Els van Soelen; Catalina González...; Frank P. Wesselingh; Hubert Vonhof; Pedro Val; Gaspar Morcote-Rios; Martin Roddaz; Elton Luiz Dantas; Roberto Ventura S...; Jaap S. Sinninghe...; Jung-Hyun Kim; Robert J. Morley
• Keywords: Atmospheric Science; Sequence stratigraphy; Deposition (geology); Marine incursions; 01 natural sciences; [SDU] Sciences of the Universe [physics]; Geochemistry and Petrology; Pathology; Geochemistry of Manganese Oxides in Sedimentary Environments; Amazon; palynology; Biology; geochemistry; Earth-Surface Processes; 0105 earth and related environmental sciences; Swamp; Ecology; Holocene Development; Estuarine; Paleontology; Geology; FOS: Earth and related environmental sciences; 15. Life on land; Palynology; 6. Clean water; Earth and Planetary Sciences; Climate Change and Paleoclimatology; [SDU]Sciences of the Universe [physics]; 13. Climate action; FOS: Biological sciences; Physical Sciences; Wetland; Pollen; Medicine; Sediment; Biomarkers; Vegetation (pathology); Sedimentary Processes in Earth's Geology

En el Mioceno, un gran sistema de humedales se extendía desde las estribaciones andinas hasta la Amazonía occidental. Este sistema no tiene analógico moderno y los mecanismos de accionamiento aún no se entienden completamente. Se cree que la topografía dinámica y el levantamiento andino tienen una deposición controlada, y que los cambios alocíclicos en el nivel de base impulsados por la eustasia y el forzamiento orbital también juegan un papel. En este estudio investigamos la presunta ciclicidad orbital que controlaba la deposición de sedimentos, al tiempo que evaluamos la fuente de sedimentos y los biomas en el humedal del Mioceno. Hacemos esto integrando datos litológicos, palinológicos, malacológicos y geoquímicos del sitio Los Chorros (río Amazonas, Colombia), y colocando nuestros datos en un marco estratigráfico secuencial. En esta evaluación bioestratigráfica de secuencia, se visualiza que la sucesión de Los Chorros está compuesta por una serie de paquetes de inundación y relleno, con una inundación inicial rápida, condiciones de influencia marina en el momento de la inundación máxima, seguida de una fase de relleno regresiva más larga. A partir de la palinología, podríamos diferenciar la vegetación local, como los pantanos de palmeras, de origen regional, como la vegetación terra firme (bosque amazónico no inundado) y el bosque montano andino, mientras que de la geoquímica de sedimentos podríamos separar las fuentes de sedimentos locales y regionales. En los momentos de la inundación, las condiciones acuáticas oligotróficas y eutróficas caracterizaron alternativamente el humedal, como lo demuestra la presencia de algas, helechos flotantes y conjuntos de moluscos, mientras que los escombros subacuáticos intermedios apuntan a tierras bajas sumergidas proximales. En los 20 m inferiores de la sección, las influencias marinas son intermitentemente evidentes y se muestran por los máximos de corta duración del polen de manglar, los revestimientos de prueba foraminíferos, los quistes dinoflagelados, las especies de moluscos costeros y una disminución episódica de los biomarcadores terrestres. Los 5 m superiores de la sección se caracterizan por taxones forestales de llanura aluvial con una diversidad de taxones de bosque lluvioso tropical y relativamente pocos indicadores lacustres. Estos indicadores marinos, de manglares y lacustres sugieren que los afloramientos de Los Chorros representan condiciones lacustres predominantes de influencia marina durante los períodos de altitud alta del nivel del mar. La evaluación bioestratigráfica de la secuencia apunta además a ocho ciclos de deposición impulsados por oblicuidad de 41 kyr, con fases rápidas de transgresión. Los elementos de los manglares se habrían colonizado dentro del marco temporal de cada subida del nivel del mar. Con base en esta restricción de edad relativa y la comparación con los registros regionales, la deposición probablemente tuvo lugar antes de la caída global del nivel del mar de 13.8 Myr, y muy probablemente durante el período justo después de 14.5 Ma, entre el Óptimo Climático del Mioceno Medio (MMCO; 17–14 Ma) y la Transición Climática del Mioceno Medio (MMCT; 14.7-13.8 Ma). La evidencia palinológica sugiere además que al oeste, la elevación de la superficie oscilaba entre ~1000 y ~3500 m y albergaba vegetación protoparamo, la más antigua hasta ahora informada y de acuerdo con las predicciones de los estudios moleculares. Por el contrario, los sitios contemporáneos al noreste del humedal consistían en formaciones fluviales y cratónicas, como lo demuestra su firma de sedimento isotópico Nd y Sr. En resumen, nuestros datos conducen a una mejor comprensión de cómo los mecanismos geológicos y astronómicos controlaban la distribución floral y faunística y la deposición controlada de sedimentos en la Amazonía occidental durante el Mioceno medio. Como las condiciones del Mioceno contrastan fuertemente con la Amazonía occidental moderna, nuestros datos proporcionan un contexto importante para la historia y evolución del tiempo profundo de la selva amazónica occidental moderna.<br/>في العصر الميوسيني، امتد نظام الأراضي الرطبة الكبير من سفوح جبال الأنديز إلى غرب الأمازون. لا يحتوي هذا النظام على نظير حديث وآليات القيادة غير مفهومة تمامًا بعد. يُعتقد أن التضاريس الديناميكية ورفع الأنديز قد تحكمت في الترسب، مع تغيرات مستوى القاعدة المخصصة التي يحركها إيوستاسي والقوة المدارية تلعب أيضًا دورًا. في هذه الدراسة، نقوم بالتحقيق في الدورة المدارية المفترضة التي تتحكم في ترسب الرواسب، مع تقييم مصدر الرواسب والمناطق الحيوية في الأراضي الرطبة في العصر الميوسيني. نقوم بذلك من خلال دمج البيانات الحجرية والحفريات والتلطيخية والجيوكيميائية من موقع Los Chorros (نهر الأمازون، كولومبيا)، ومن خلال وضع بياناتنا في إطار طبقي تسلسلي. في هذا التقييم التسلسلي للطبقات الحيوية، يُتصور أن تتابع Los Chorros يتكون من سلسلة من حزم ملء الفيضانات، مع فيضان أولي سريع، وظروف متأثرة بالبحر في وقت الفيضان الأقصى، تليها مرحلة ملء تراجعية أطول. استنادًا إلى علم الحفريات، يمكننا التمييز بين الغطاء النباتي المحلي، مثل مستنقعات النخيل، والأصل الإقليمي مثل الغطاء النباتي الأرضي (غابات الأمازون غير المغمورة) وغابات الأنديز الجبلية، بينما يمكننا فصل مصادر الرواسب المحلية والإقليمية عن الكيمياء الجيولوجية للرواسب. في أوقات الفيضانات، تميزت الأراضي الرطبة بالظروف المائية قليلة التغذية والمغذيات، كما يتضح من وجود الطحالب والسراخس العائمة وتجمعات الرخويات، بينما يشير الحطام تحت المائي المتداخل إلى الأراضي المنخفضة المغمورة القريبة. في الجزء السفلي من القسم الذي يبلغ طوله 20 مترًا، تظهر التأثيرات البحرية بشكل متقطع وتظهر من خلال الحد الأقصى قصير العمر لحبوب لقاح المنغروف، وبطانات اختبار المنخربات، والخراجات ثنائية السوط، وأنواع الرخويات الساحلية، والانخفاض العرضي في المؤشرات الحيوية الأرضية. يتميز الجزء العلوي الذي يبلغ طوله 5 أمتار من القسم بأصناف غابات السهول الفيضية مع تنوع في أصناف الغابات المطيرة الاستوائية وعدد قليل نسبيًا من مؤشرات البحيرات. تشير هذه المؤشرات البحرية وأشجار المنغروف والبحيرات إلى أن النتوءات في لوس كورو تمثل ظروف البحيرات البحرية السائدة خلال فترات ارتفاع مستوى سطح البحر. يشير التقييم الطبقي الحيوي التسلسلي أيضًا إلى ثماني دورات ترسيب مدفوعة بالميول تبلغ 41 كير، مع مراحل سريعة من التجاوز. كانت عناصر المنغروف ستستعمر ضمن الإطار الزمني لكل ارتفاع في مستوى سطح البحر. استنادًا إلى هذا القيد النسبي للعمر والمقارنة بالسجلات الإقليمية، من المحتمل أن يكون الترسب قد حدث قبل انخفاض مستوى سطح البحر العالمي بمقدار 13.8 مليون سنة مضت، وعلى الأرجح خلال الفترة بعد 14.5 مليون سنة مضت مباشرة، بين العصر الميوسيني الأوسط الأمثل للمناخ (MMCO ؛ 17–14 مليون سنة مضت) والانتقال المناخي في العصر الميوسيني الأوسط (MMCT ؛ 14.7-13.8 مليون سنة مضت). تشير الأدلة البالينولوجية كذلك إلى أنه إلى الغرب، تراوح ارتفاع السطح من ~1000 إلى ~3500 متر واستضاف الغطاء النباتي البروتوبارامو، وهو الأقدم الذي تم الإبلاغ عنه حتى الآن ويتفق مع تنبؤات الدراسات الجزيئية. في المقابل، تألفت المواقع المعاصرة إلى الشمال الشرقي من الأراضي الرطبة من تكوينات نهرية وكراتونية، كما يتضح من توقيع الرواسب النظائرية Nd و Sr. باختصار، تؤدي بياناتنا إلى فهم أفضل لكيفية تحكم الآليات الجيولوجية والفلكية في التوزيع النباتي والحيواني وترسب الرواسب المتحكم فيه في غرب الأمازون خلال العصر الميوسيني الأوسط. نظرًا لأن ظروف العصر الميوسيني تتناقض بشدة مع الأمازون الغربية الحديثة، فإن بياناتنا توفر سياقًا مهمًا لتاريخ الزمن العميق وتطور غابات الأمازون المطيرة الغربية الحديثة.<br/>In the Miocene, a large wetland system extended from the Andean foothills into western Amazonia. This system has no modern analogue and the driving mechanisms are not yet fully understood. Dynamic topography and Andean uplift are thought to have controlled deposition, with allocyclic base level changes driven by eustasy and orbital forcing also playing a role. In this study we investigate the presumed orbital cyclicity that controlled sediment deposition, while also assessing sediment source and biomes in the Miocene wetland. We do this by integrating lithological, palynological, malacological and geochemical data from the Los Chorros site (Amazon River, Colombia), and by placing our data in a sequence stratigraphic framework. In this sequence biostratigraphic evaluation, the Los Chorros succession is visualized to be composed of a series of flood-fill packages, with a rapid initial flood, marine-influenced conditions at the time of maximum flood, followed by a longer regressive infill phase. Based on the palynology we could differentiate local vegetation, such as palm swamps, from regional origin such as terra firme vegetation (non-flooded Amazonian forest) and Andean montane forest, while from sediment geochemistry we could separate local and regional sediment sources. At the times of flooding, oligotrophic and eutrophic aquatic conditions alternatively characterized the wetland, as is shown by the presence of algae, floating ferns, and mollusc assemblages, while intervening subaquatic debris points to proximal submerged lowlands. In the lower 20 m of the section, marine influences are intermittently evident and shown by short-lived maxima of mangrove pollen, foraminiferal test linings, dinoflagellate cysts, coastal mollusc species, and an episodic decline in terrestrial biomarkers. The upper 5 m of the section is characterized by floodplain forest taxa with a diversity in tropical rain forest taxa and relatively few lacustrine indicators. These marine, mangrove, and lacustrine indicators suggest that the outcrops at Los Chorros represent predominant marine-influenced lacustrine conditions during periods of sea level highstand. The sequence biostratigraphic evaluation further points to eight 41 kyr obliquity-driven depositional cycles, with rapid phases of transgression. Mangrove elements would have colonised within the timeframe of each sea level rise. Based on this relative age constraint and comparison to regional records, deposition likely took place prior to the 13.8 Myr global sea level fall, and most likely during the period just after 14.5 Ma, between Middle Miocene Climatic Optimum (MMCO; 17–14 Ma) and Middle Miocene Climate Transition (MMCT; 14.7–13.8 Ma). Palynological evidence further suggests that to the west, surface elevation ranged from ~1000 up to ~3500 m and hosted protoparamo vegetation, the oldest yet reported and in agreement with predictions from molecular studies. In contrast, contemporaneous sites to the northeast of the wetland consisted of fluvial and cratonic formations, as shown by their Nd and Sr isotopic sediment signature. In summary, our data lead to an improved understanding of how geological and astronomical mechanisms controlled the floral and faunal distribution and controlled sediment deposition in western Amazonia during the middle Miocene. As Miocene conditions strongly contrast with modern western Amazonia, our data provide an important context for the deep time history and evolution of the modern western Amazon rainforest.<br/>Au Miocène, un grand système de zones humides s'étendait des contreforts andins à l'ouest de l'Amazonie. Ce système n'a pas d'analogue moderne et les mécanismes d'entraînement ne sont pas encore entièrement compris. On pense que la topographie dynamique et le soulèvement andin ont un dépôt contrôlé, les changements de niveau de base attribuables à l'eustasie et au forçage orbital jouant également un rôle. Dans cette étude, nous étudions la cyclicité orbitale présumée qui contrôlait le dépôt de sédiments, tout en évaluant la source de sédiments et les biomes dans la zone humide du Miocène. Nous le faisons en intégrant les données lithologiques, palynologiques, malacologiques et géochimiques du site de Los Chorros (fleuve Amazone, Colombie), et en plaçant nos données dans un cadre stratigraphique séquentiel. Dans cette évaluation biostratigraphique de séquence, la succession Los Chorros est visualisée comme étant composée d'une série de paquets de remplissage par inondation, avec une inondation initiale rapide, des conditions d'influence marine au moment de l'inondation maximale, suivie d'une phase de remplissage régressive plus longue. Sur la base de la palynologie, nous avons pu différencier la végétation locale, telle que les marécages de palmiers, de l'origine régionale telle que la végétation de terra firme (forêt amazonienne non inondée) et la forêt montagneuse andine, tandis que de la géochimie des sédiments, nous avons pu séparer les sources de sédiments locales et régionales. Au moment des inondations, les conditions aquatiques oligotrophes et eutrophes ont alternativement caractérisé la zone humide, comme le montre la présence d'algues, de fougères flottantes et d'assemblages de mollusques, tandis que les débris subaquatiques intermédiaires pointent vers les basses terres submergées proximales. Dans les 20 m inférieurs de la section, les influences marines sont évidentes par intermittence et illustrées par des maxima de courte durée de vie du pollen de mangrove, des revêtements d'essai foraminifères, des kystes dinoflagellés, des espèces de mollusques côtiers et un déclin épisodique des biomarqueurs terrestres. Les 5 m supérieurs de la section sont caractérisés par des taxons forestiers de plaine inondable avec une diversité de taxons de forêt tropicale humide et relativement peu d'indicateurs lacustres. Ces indicateurs marins, de mangrove et lacustres suggèrent que les affleurements de Los Chorros représentent des conditions lacustres d'influence marine prédominantes pendant les périodes d'élévation du niveau de la mer. L'évaluation biostratigraphique de la séquence indique en outre huit cycles de sédimentation de 41 kyr axés sur l'obliquité, avec des phases rapides de transgression. Les éléments de la mangrove se seraient colonisés dans le délai de chaque élévation du niveau de la mer. Sur la base de cette contrainte d'âge relative et de la comparaison avec les enregistrements régionaux, les dépôts ont probablement eu lieu avant la chute du niveau mondial de la mer de 13,8 Myr, et très probablement pendant la période juste après 14,5 Ma, entre l'optimum climatique du Miocène moyen (MMCO ; 17–14 Ma) et la transition climatique du Miocène moyen (MMCT ; 14,7-13,8 Ma). Les preuves palynologiques suggèrent en outre qu'à l'ouest, l'altitude de surface variait de ~1000 à ~3500 m et abritait une végétation de protoparamos, la plus ancienne jamais rapportée et en accord avec les prédictions des études moléculaires. En revanche, les sites contemporains au nord-est de la zone humide étaient constitués de formations fluviales et cratoniques, comme le montre leur signature sédimentaire isotopique Nd et Sr. En résumé, nos données ont permis de mieux comprendre comment les mécanismes géologiques et astronomiques contrôlaient la distribution florale et faunique et contrôlaient le dépôt de sédiments en Amazonie occidentale au cours du Miocène moyen. Comme les conditions du Miocène contrastent fortement avec l'Amazonie occidentale moderne, nos données fournissent un contexte important pour l'histoire et l'évolution profondes de la forêt amazonienne occidentale moderne.<br/>