reconstrucción paleoclima partir de espeleotemas

reconstrucción paleoclima partir de espeleotemas

XIV Reunión Nacional de Cuaternario, Granada 2015
RECONSTRUCCIÓN
CIÓN PALEOCLIMATICA DE LOS Ú
ÚLTIMOS 500 AÑOS A
PARTIR DE ESPELEOTEMAS (CUEVA DE SESO, PIRINEO CENTRAL,
CENTRAL
HUESCA)
M. Bartolomé (1,2), A. Moreno (1), C. Sancho (2), I. Cacho (3), H. Stoll (4), L.R. Edwards (5), H. Cheng (5,6), J.Mas(7), X.Fuertes (7)
(1) Instituto Pirenaico de Ecología-CSIC,
CSIC, Avda. Montañana 1005, 50059 Zaragoza, Spain. [email protected]
(2) Departamento de Ciencias de la Tierra, Universidad de Zaragoza, Pedro Cerbuna 12,50009 Zaragoza, Spain.
(3) Departament d'Estratigrafia, Paleontologia i Geociències Marines, Universitat de Barcelona, C/Marti Franquès s/n 28080
Barcelona, Spain.
(4) Departamento
artamento de Geología, Universidad de Oviedo, C/Arias de Velasco, s/nº 33005 Oviedo, Spain
(5) Department of Earth Sciences, University of Minnesota, 310 Pillsbury Drive SE.
(6) Institute of Global Environmental Change, Xian Jiaotong University, Xian 71004
710049 China.
(7) Grup d´espeleología de Badalona. Cor de marina Rambla 11, Badalona, Barcelona Spain.
Abstract (Paleoclimatic
Paleoclimatic reconstruction during the last 500 years inferred from speleothems
speleothe
(Seso Cave, Central
Pyrenees)): Speleothems are useful terrestrial records to reconstruct the climate of the past. Precise 230Th ages and stable
isotopes (δ13C and δ18O) of two stalagmites form Seso Cave in the Central Pyrenees re
reveal important climate changes in the area
during the last 500 years. The good correlation between instrumental record (temperature and rainfall) and δ18O and δ13C of
estalagmites allow us to reconstruct variations in these parameters in the past. δ18O values show a variation of 0.56‰/ºC with the
temperature, while δ13C values are affected mainly by the amount of rainfall although this value can be affected by atmospheric
depletion due to use of fossil fuel since industrial revolution.
Palabras clave: Pirineo Central, Estalagmitas recientes, Cueva de Seso
Key words: Central Pyrenees, recent sstalagmites, Seso Cave
INTRODUCCIÓN
La compresión del cambio climático futuro y sus
posibles consecuencias requiere de estudios sobre
los patrones climáticos actuales, el registro
instrumental y los cambios climáticos del pasado
pasado.
Las estalagmitas son excelentes registros terrestres
del clima del pasado debido
ebido a la precisión con la que
se pueden datar mediante el método del U/Th y a los
indicadores isotópicos contenidos en el carbonato
13
18
(δ C y δ O), que permiten interpretar cambios
ambientales, principalmente de temperatura y de
cantidad de precipitación. Especial interés presentan
las estalagmitas recientes,, ya que la comparación de
la señal paleoclimática contenida con el registro
meteorológico instrumental permite establec
establecer
funciones de transferencia aplicables
aplicable
a la
determinación cuantitativa de variaciones térmicas
del pasado (Mangini
Mangini et al., 2005).
2005 En este trabajo se
presenta una reconstrucción climática preliminar
18
13
basada en la composición isotópica (δ
( O y δ C) de
dos estalagmitas del Sistema de las Cuevas de Seso
(Pirineo Central) para los últimos 500 años y su
relación con datos meteorológicos instrumentales.
instrumentales
SITUACIÓN
La cueva de Seso es un
pequeño sistema
pseudokárstico situado en las proximidades del
Caserío de Seso (Fig. 1) (Boltaña, Pirineo Central).
Concretamente,, este sistema aparece en el flanco
oriental del anticlinal de Boltaña, que constituye el
Fig. 1: A) Topografía del sistema de las cuevas de Seso. B
B) Variación de temperatura exterior e interior de la cueva durante el
tiempo monitorizado
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límite estructural entre la Cuenca de Jaca y la
Unidad Surpirenaica Central. El sistema endokárstico
está formado por dos cavidades, una superior de
mayor desarrollo (300 m) y otra inferior (147 m)
(Fig.1a) de menores dimensiones. Se abre en un
paquete margoso entre bancos calizos de la Fm
Boltaña (Eoceno) y su formación está controlada por
la familia principal de fracturas (060
(060-070E) y el
buzamiento de la serie estratigráfica (020E) (Fig. 1a).
Sobre el soporte litológico margoso del sistema
aparece un suelo bien desarrollado de tipo calcisol
cámbico, fuertemente erosionado en algunos
sectores, que soporta un bosque compuesto
principalmente por pinos (Pinus
Pinus sylvestris
sylvestris), encinas
(Quercus ilex), boj (Buxus
Buxus sempervirens
sempervirens) y diversos
tipos de gramíneas.. En la parte más baja del
sistema, aparece una surgencia (Fig. 1A
1A), solo
funcional durante periodos de intensas lluvias. El
clima actual en la zona es un clima de transición
Atlántico-Mediterráneo. Las precipitaciones ocurren
principalmente durante la primavera y el otoño
debido a la entrada de frentes Atlánticoss. La cantidad
de lluvia esta entorno a los 1000 mm/año y la
temperatura media anual es de 13ºC.
METODOLOGÍA
Durante tres años (2011-2014)) se ha llevado a cabo
un seguimiento instrumental tanto de las variables
ambientales en el interior de la cueva (temperatura,
CO2 y humedad relativa), como de la tasa de goteo y
de su composición isotópica. Se extrajeron 2
estalagmitas que se cortaron longitudinalmente y
sub-muestrearon para realizar dataciones mediante
series de desintegración del Uranio y cada milímetro
para los análisis
is isotópicos. Las dataciones se
realizaron en la Universidad de Minnesota, EEUU,
siguiendo el protocolo descrito en Edwars et al.
(1987), utilizando
do un espectrómetro de masas
multicolector (Neptune-Thermo
Thermo Finnigan
Finnigan). El error
relativamente alto de algunas muestras se debe al
232
contenido en Th detrítico ( Th).. Finalmente, se ha
construido el modelo de edad de los espeleotemas
espeleotemas.
Los análisis isotópicos se han realizado en la
Universidad de Barcelona, usando un espectrómetro
de masas Thermo Finnigan MAT252 acoplado con
un CarboKiel-II.
II. La precisión analítica fue estimada
13
como mejor de 0.03‰ para el δ C y 0.08‰ para el
18
δ O mediante
nte la medida del estándar certificado
NBS-19.
RESULTADOS
Parámetros ambientales
Dos sensores Hobbo v2 U23-001
001 de temperatura y
humedad relativa junto con un pluviómetro se
instalaron con el fin de conocer
conoce las variaciones de
temperatura existentes y la respuesta a los eventos
de lluvia en el interior de la cavidad. El sensor 1,
1
instalado en el final de la cavidad,
cavidad muestra una
temperatura
a constante a lo largo del año. La
temperatura media anual desde 2011 y hasta 2014
fue de 11.71ºC. Por otra parte, el sensor 2, situado
más próximo a la entrada de la cavidad,
cavidad muestra una
variación relacionada con los cambios en la
temperatura exterior pero observándose un retardo
de 3 meses (Fig. 1B)
Las temperaturas máximas y mínimas
mí
son de 14.40
ºC y 11.89 ºC (variación máxima 2.51ºC) en esta
parte de la cueva y tienen lugar durante el otoño y el
invierno respectivamente. La humedad relativa es
constante a lo largo del año (100%) en ambos
sensores. El pluviómetro muestra una respuesta
rápida ante un evento extremo
remo de lluvia o varios
consecutivos indicando que el tiempo de residencia
de las aguas en el epikarst es escaso. Esta rápida
respuesta se debe a una abundante red de fracturas
y a la superficialidad
rficialidad del sistema (~2 m).
m) En estas
condiciones, sugieren una rápida
ápida transferencia de la
señal climática a los espeleotemas.
Estalagmitas
Xevi es una estalagmita de 259 mm extraída en
2011. Muestra un desplazamiento del eje de
crecimiento y las 5 dataciones realizadas (Tabla 1)
indican que comenzó a crecer hace 517 años.
Michaela es una estalagmita de 75 mm de longitud
de forma cilíndrica y extraída en 2010. Cinco
dataciones U/Th (Tabla 1) indican que comenzó a
crecer hace 267 años. Los modelos de edad (Fig.
(Fig
2b) muestran tasas de crecimiento que se han
mantenido más o menos constantes en el tiempo.
tiempo
Fig. 2: A) Variación isotópica del δ13C y δ18O -arriba- (Michaela->línea
>línea negra continua, media móvil 3 años. Xevi->
Xevi línea negra
discontinua, media móvil 3 años) y valores estandarizados en las estalagmitas Michaela y Xevi –abajo-.. B) Modelos de edad para
Michaela y Xevi.
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Tal como se observa en la figura 2A las variaciones
tanto del carbono como del oxígeno muestran
tendencias similares. Este paralelismo entre los dos
registros indica que la precipitación de calcita tuvo
lugar en equilibrio (Dolare and Liu, 2011
2011) pudiendo
así concluir que las estalagmitas re
registran la señal
climática.
Muestra
mm
238
U
(ppb)
230
Th / 232Th
6
(ato x10 )
230
Th Age
(No corr)
230
Th Age
(corr )***
Xevi 0
451 ±1
4.0 ±0.1
495 ±8
-115 ±387
Xevi 62
299 ±1
8 ±0
204 ±9
34 ±76
Xevi 130
267 ±1
25 ±1
236 ±10
132 ±31
Xevi 193
299 ±1
20 ±1
452 ±12
290 ±71
Xevi 259
339 ±1
20 ±0
667 ±10
454 ±106
Mic 0
503.2 ±1.0
4.8 ±0.2
196 ±6
-46 ±128
Mic 20
412.1 ±0.8 72.9 ±6.0
101 ±8
33 ±9
Mic 48
417 ±1
34 ±1
223 ±8
142 ±15
Mic 67
413.4 ±0.9
9.1 ±0.3
380 ±8
134 ±130
Mic 75
389 ±1
3.6 ±0.1 1080 ±15 204 ±576
Tabla 1:
230
238
230
[ Th/ U]actividad=1‐e‐λ T+(δ234Umedido/1000)[
Umedido/1000)[λ230/(λ230
234
230
234
‐ λ )](1 ‐ e‐(λ
‐ λ ) T), donde T es la edad. Las
constantes de desintegración son 9.1577 x 10
10‐6 yr‐1 para
230
Th, 2.8263 x 10‐6 yr‐1 para 234U, y 1.55125 x 10
10‐10 yr‐1
para 238U (Cheng et al., 2000). El grado de contaminación
por 230Th se indica por la relación atómica [230Th/232Th] en
lugar de la actividad. c Las correcciones
ciones en la edad se
calcularon usando un valor medio cortical de la relación
atómica [230Th/232Th] de 4.4 x 10‐6 ± 2.2 x 10
10‐6. Esos son
los valores para el material en equilibrio
quilibrio secular, con un
valor 232Th/238U cortical de 3,8. Los errores se asumen,
arbitrariamente, como del 50%. ***Años
ños BP
INTERPRETACIÓN
La señal climática registrada en las estalagmitas a
partir de su composición isotópica está modulada por
numerosos procesos que tienen lugar desde la lluvia,
pasando por el epikarst y hasta la precipitación del
carbonato dentro de las cavidades (Lachniet et al.,
13
18
2010). Los valores isotópicos del δ C y δ O de la
parte más reciente de Michaela y Xevi han sido
comparados con la variación de la temperatura en el
hemisferio norte y la variación de la precipitación
(CRU,Climate
Research
Union
www.cru.uea.ac.uk/data). Los dos perfiles isotópicos
muestran un excelente paralelismo con los datos
instrumentales
es de temperatura y humedad. Por un
18
lado, el δ O es paralelo all incremento de
temperatura de época reciente (1808
(1808-2012) (Fig. 3B)
13
y, por otro lado, el δ C se correlaciona muy bien con
el aumento de la precipitación de las últimas
18
décadas (Fig. 3A). Los valores isotópicos del δ O
muestran una tendencia hacia valores más pesados
conforme se produce el aumento de temperatura, del
mismo modo las bajadas de temperatura que se
observan se corresponden con una tendencia hacia
valores isotópicos más ligeros. La correlación en
entre
Michaela y la temperatura del Hemisferio
misferio Norte es de
2
R =0.73 (Fig. 3C) indicando una fuerte relación entre
las dos variables. Así, podemos calcular que la
18
variación isotópica del δ O es del orden de
0.65‰/ºC y obtener una función de transferencia
18
(δ O=0.61*(∆TºC)-6.79) basada en la excelente
correlación entre estas dos variables
variables. Además, esta
Fig. 3: A) Comparación del δ13C de las estalagmitas con
el registro instrumental de las precipitaciones
pr
(CRU) y
Boltaña. B)) Comparación del δ18O de qué estalagmita
Michaela con la variación de temperatura del H. Norte.
C) Correlación entre el δ18OMichela y la temperatura
correlación positiva se observa más allá del periodo
instrumental, apoyando la interpretación de los
18
valores del δ O como cambios en temperatura para
los últimos 500 años.
s. Así en la Fig. 4 se muestra la
18
variación de δ O en los espeleotemas (perfil
estandariazado) de Seso comparadas con las
reconstrucciones de temperatura propuestas por
Morberg et al.,(2005),y
y Mann et al., (2008), Büngent
et al., (2008) y, aunque el rango de temperatura
obtenido en nuestro caso es mayor al obtenido por
otros autores, la similitud entre registros
r
tan
diferentes y alejados
os es muy alta.
alta La transferencia de
la señal de la temperatura desde la lluvia al
carbonato se puede deber principalmente a una
18
elevada correlación del δ O de la lluvia con la
temperatura en el momento de la precipitación, de
modo que en el proceso de fraccionamiento aguaagua
calcita no neutraliza del todo esta señal quedando
finalmente reflejada en el carbonato.
13
En
n el caso de los valores del δ C, se observa un
empobrecimiento conforme se produce el aumento
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elementos traza
(Mg, Ca, Ba) de las
estalagmitas ayudará a una mejor interpretación
de los isótopos de carbono,
carb
permitiendo
discriminar entre el papel de la temperatura, la
cantidad
d de precipitación, la cobertera vegetal o
el cambio isotópico del CO2 atmosférico por la
quema de combustibles
bles fósiles.
fósiles
Agradecimientos: Este estudio ha sido realizado
gracias a los proyectos 258/2011 (Ministerio de
Medio Ambiente y Medio Rural y Marino-Organismo
Marino
Autónomo
Parques
Nacionales),
Hidropast
(CGL2009-10455/BTE)) y OPERA (CTM2013-48639C2-1-R) (Ministerio de Economía y Competetividad)
Referencias bibliográficas
Fig. 4: Comparación del registro estalagmítico de Seso
con diferentes reconstrucciones de temperatura
propuestas para el Hemisferio Norte
de las precipitaciones (CRU) pero no existe una
excelente correlación a nivel de detalle sino que se
observa un cierto desfase temporal entre ambos
registros. Un
n aumento de las precipitaciones, una
recuperación de la cobertera vegetal o el
empobrecimiento isotópico del CO2 atmosférico
debido a la quema de combustibles fósiles provocan
un empobrecimiento de los valores isotópicos del
13
δ C (Baker
Baker et al., 1997, Genty et al., 2003, Marino y
McElroy, 1991) impidiendo asignar una causa única
a la tendencia de valores negativos de las últimas
décadas (Fig. 3A). Por otro lado, el aumento de las
precipitaciones
es acompañado del calentamiento
global podría producir una mayor actividad biológica
13
(valores de δ C más negativos) por lo que el
carbono también podría ser sensible a los cambios
térmicos como se aprecia en otros registro
registros ibéricos.
CONCLUSIONES
- Se presentan los primeros datos de una
reconstrucción de temperatura para los últimos
500 años a partir de dos
registros
espeleotémicos en la zona central surpirenaica
(Cueva de Seso, Boltaña, Huesca)
18
-
El δ O de las estalagmitas muestra una buena
correlación con la temperatura, por lo puede ser
utilizado como un proxy para poder conocer las
variaciones térmicas más allá del registro
instrumental existente.
-
El δ C también parece responder a cambios en
la temperatura. No obstante,
tante, el análisis de
13
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