Climate signatures in corals of the tropical-temperate transition zone (Late Miocene, Crete/Greece)

The present study describes a Late Miocene (early Tortonian - early Messinian) transitional carbonate system that combines elements of tropical and cool-water carbonate systems (Irakleion Basin, island of Crete, Greece). As documented by stratal geometries, the submarine topography of the basin was controlled by tilting blocks. Coral reefs formed by Porites and Tarbellastrea occurred in a narrow clastic coastal belt along a „central Cretan landmass“, and steep escarpments formed by faulting. Extensive covers of level-bottom communities existed in a low-energy environment on the gentle dip-slope ramps of the blocks that show the widest geographical distribution within the basin. Consistent patterns of landward and basinward shift of coastal onlap in all outcrop studies reveal an overriding control of 3rd and 4th order sea level changes on sediment dynamics and facies distributions over block movements. An increasingly dry climate and the complex submarine topography of the fault block mosaic kept sediment and nutrient discharge at a minimum. The skeletal limestone facies therefore reflects oligotrophic conditions and a sea surface temperature (SST) near the lower threshold temperature of coral reefs in a climatic position transitional between the tropical coral reef belt and the temperate zone. Stable isotope records (δ18O, δ13C) from massiv, exceptionally preserved Late Miocene aragonite coral skeletons reflect seasonal changes in sea surface temperature and symbiont autotrophy. Spectral analysis of a 69 years coral δ18O record reveals significant variance at interannual time scales (5-6 years) that matches the present-day eastern Mediterranean climate variability controlled by the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation (AO/NAO), the Northern Hemisphere’s dominant mode of atmospheric variability. Supported by simulations with a complex atmospheric general circulation model coupled to a mixed-layer ocean model, it is suggested, that climate dynamics in the eastern Mediterranean and central Europe reflect atmospheric variability related to the Icelandic Low 10 million years ago. Usually, Miocene corals are transformed in calcite spar in geological time and isotope values are reset by diagenetic alteration. It is demonstrated that the relicts of growth bands represent an intriguing source of information for the growth conditions of fossil corals. Recrystallized growth bands were measured systematically in massive Porites from Crete. The Late Miocene corals were growing slowly with 2-4 mm/yr, compatible with present-day Porites from high latitude reefs, a relationship that fits the position of Crete at the margin of the Miocene tropical reef belt. Over Late Miocene time (Tortonian - early Messinian) growth rates remained remarkably constant, and if the modern growth temperature relationship for massive Porites applies to the Neogene, minimum (winter) SST did not exceed 19-21°C.

In dieser Arbeit wird erstmalig ein ober-miozänes Karbonatsystem von der Insel Kreta (Griechenland) beschrieben, das sowohl Merkmale tropischer als auch temperater Karbonatsysteme enthält. Stratale Geometrien und Faziesmuster belegen für das Arbeitsgebiet (Westrand des Heraklion Beckens) ein aktives Halbgrabensystem mit ausgeprägtem submarinen Relief, das durch synsedimentäre Bewegungen zahlreicher Kippschollen kontrolliert wurde. Die übereinstimmenden coastal onlap Muster in den untersuchten Aufschlüssen belegen jedoch, dass die tektonischen Bewegungen zu gering waren, um das eustatische Meeresspiegelsignal (3. und 4. Ordnung) zu überdecken. Niedrigdiverse Korallenriffe und andere riffartige Strukturen, die von Porites und Tarbellastrea mit geringer Beteiligung von Acanthastrea und Siderastrea aufgebaut werden, sind durchgängig über die untersuchte Schichtenfolge des normalmarinen Ober-Miozäns verbreitet. Lang anhaltende Phasen in den das Riffwachstum völlig zusammenbrach, wie für das westliche Mittelmeergebiet nachgewiesen, sind nicht dokumentiert. Die Riffe kommen entlang eines schmalen Küstensaumes in der Umrandung einer „Zentralkretischen Landmasse“ in gemischt karbonatisch-siliziklastischen Sedimenten vor, die auf flach einfallenden, dip-slope Rampen abgelagert wurden. Zeitgleich inkrustierten Korallenriffe außerdem steile Kliffs an footwall scarps von herausgehobenen Halbhorsten, die der Küste vorgelagert und vor klastischem Eintrag geschützt waren. Ihre flach einfallenden dip-slope Rampen nehmen sehr weite Flächen im Becken ein und die auf ihnen abgelagerten Rotalgen-Bryozoen-Foraminiferen-Karbonate sind deshalb im Gelände sehr prominent. Das Faziesmodell legt eine Oberflächenwassertemperatur (SST) am kritischen Schwellenwert für Korallenriffe (~17.5°C) nahe, die mit zunehmender Tiefe rasch unterschritten wurde. Eine anhaltende Aridisierung, die oligotrophe Verhältnisse förderte ist durch die sukkzessive Abnahme des terrigenen Sedimenteintrags dokumentiert. Meßreihen von stabilen Isotopen (δ18O, δ13C), die an 10 Mio Jahre alten, massiven Porites-Kolonien in aussergewöhnlicher Aragoniterhaltung gemessen wurden, spiegeln saisonale Schwankungen von SST, Salinität und Photoautotrophie wider. Die Spektralanalyse eines 69 Jahre umfassenden δ18O-Datensatzes zeigt außerdem eine signifikante Varianz bei 5-6 Jahren, die auch für das heutige Mittelmeergebiet gilt und durch die Arktische Oszillation/Nordatlantische Oszillation (AO/NAO) verursacht wird. Diese atmosphärische Variabilität dominiert heute das Klima im Nordatlantik und den angrenzenden Gebieten und ist bislang erst ab dem Eem-Interglazial belegt, während das Klima im Mittelmeerraum im Miozän als Monsun-beeinflußt gilt. Die Annahme einer solchen AO/NAO-Beinflussung des östlichen Mittelmeergebietes bereits im Unter-Torton, wird durch Simulationen mit einem komplexen atmosphärischen Zirkulationsmodel unterstützt. Im Regelfall sind miozäne Korallen allerdings vollständig rekristallisiert und für geochemische Analysen ungeeignet. Rekristallisierte Korallen zeigen aber fast immer deutliche Geisterstrukturen der ursprünglichen Wachstumsrhytmizität (Hell-/Dunkel-Bänderung). Variationen in der Dicke der Wachstumsbänderrelikte spiegeln wechselnde Umweltverhältnisse im Korallenhabitat wider. Systematische Messungen der Dicken transformierter Wachstumsincremente von massiven Porites-Stöcken dokumentieren einen gleichmäßig geringen jährlichen Zuwachs von durchschnittlich 2-4 mm/a für den Zeitraum Unter-Torton bis Unter-Messin. Das entspricht in etwa den jährlichen Kalzifikationsraten massiver Porites-Stöcke in heutigen Riffen, die auf höheren Breitengraden liegen und weist auf eine SST im Winter nicht unterhalb von 19-21°C.