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Thesis etd-09202016-175148

Thesis type
Tesi di dottorato di ricerca
Thesis title
Fossil diatom (Bacillariophyceae) associations from the Mio-Pliocene laminated sediments of the Pisco Formation (East Pisco, Peru): relations with the preservations of marine vertebrates in the fossil record and investigations on the influence of volcanic activity on primary production. Associazioni a diatomee (Bacillariophyceae) fossili delle laminiti della Formazione mio-pliocenica di Pisco (bacino orientale di Pisco, Peru): relazione con la conservazione nel record fossile di vertebrati marini e indagini sull'influenza dell'attività vulcanica sulla produttività primaria.
Academic discipline
Course of study
tutor Dott. Bianucci, Giovanni
correlatore Dott.ssa Gioncada, Anna
correlatore Dott.ssa Malinverno, Elisa
  • Diatom Biostratigraphy
  • Diatom Paleoecology
  • Dolomite Nodules
  • Enhancement of Primary Production
  • Fossil Lagerstätte
  • late Miocene
  • Pisco Formation
  • Tephra Layers
Graduation session start date
Release date
Objectives - The Mio-Pliocene diatomaceous Pisco Formation, Peru, was deposited under upwelling conditions in the Pisco Basin, one of the many forearc basins scattered along the Peruvian coast. This formation is particularly popular among vertebrate palaeontologists due to its fossil content. Indeed, because of the high spatial concentration and continuous temporal distribution of perfectly preserved fossil marine vertebrate specimens, the Pisco Fm. is classified as a Konservat-Lagerstätte; this term identifies a place or a quarry characterised by exceptional preservation of fossils. Focusing on the sites of Cerro Colorado and Cerro Los Quesos, Ica Desert, Peru, this Thesis aims to understand which mechanisms brought to the formation of the Pisco Lagerstätte and whether the deposition of diatoms contributed to it in any way.
Taking into consideration the geology of the area, three hypotheses on the formation of the Pisco Lagerstätte are advanced and investigated in this Thesis:
1) high sedimentation rates: rapid burial is listed in all the paleontology books as the main process that lead to the preservation of fossils. This hypothesis has been already taken into consideration by previous authors as the cause of the formation of the Pisco Lagerstätte. In particular, sedimentation rates of diatom frustules were advocated as responsible for the burial of whale carcasses by these authors. In this Thesis also the hypothesis that volcanic ashes could increase sedimentation rates by enhancing primary production is advanced.
2) anoxic/disossic environment: along the modern eastern Pacific continental margin, high amounts of organic matter produced during upwelling lead to a great consumption of oxygen. In the intermediate waters dissolved oxygen is < 1 ml/L. This same condition may have persisted during the deposition of the Pisco Fm., therefore inhibiting the aerobic decomposition of carcasses on the sea floor.
3) Harmful algal blooms (HABs): HABs are phenomena known to kill large amounts of marine
species. Those blooms are related to different planktonic groups and are known to kill marine organisms either by: a) the production of a large amount of toxins; b) the lowering of dissolved O2 in the water column (anoxia of the water column).
To verify the high sedimentation rates hypothesis, a detailed stratigraphic framework of the sites of Cerro Colorado and Cerro Los Quesos has been carried out, both by means of diatom biostratigraphy and by means of 39Ar/40Ar ages. Sedimentation rates have been subsequently calculated and discussed. Moreover, because diatomites are often laminated, a lamina-scale study has been carried out on the sediments underlying fossil whales to unravel the seasonality of diatom species deposition and consequently of the water column. This study also provided additional information on yearly sedimentation rates of the Pisco Fm.
During the development of both biostratigraphic and lamina-scale studies, particular attention was paid to the identification of potential HABs.
Field observations highlighted that most of the fossils at Cerro Colorado and Cerro Los Quesos are wrapped up in carbonatic concretions; analyses revealed that all of them are dolomite nodules. Therefore, a specific investigation on dolomite nodules was undertaken in order to understand whether they played a role in the formation of the Lagerstätte.
Beside the study on the formation of the Lagerstätte, this Thesis aimed to study the role of volcanic ashes deposition on the fertilisation of the ocean surface. Indeed, scientists have recently become aware of the fertilizer role played by volcanic ash: following major volcanic eruptions, airborne volcanic ash may fall onto the ocean surface, where it releases nutrients (NH+4, NO-3, NO-2, PO3 -4, Si) and Fe.The Pisco Fm. is characterized by a great number of ash layers, making the Pisco Fm. a natural laboratory to study this phenomenon in the Neogene. This Thesis aimed to contribute to the development of an investigation method relevant to fossil contexts. Therefore, observations
were made both on the field and in the laboratories. The importance of volcanic ashes in increasing primary production takes much more relevance in the general context of this Thesis if this capability is interpreted as the role of ashes in increasing sedimentation rates (therefore further favouring rapid burial of carcasses).
Results - Results obtained by diatom stratigraphy and tephrochronology converged in stating that the sites of Cerro Colorado and Cerro Los Quesos are late Miocene in age. Results highlight that sedimentation rates in the Pisco Fm. spanned between 19 cm/ka ± 1 to ca. 33 cm/ka (0.2 mm/a to 0.3 mm/a). These sedimentation rates are calculated for compacted sediment and can be transformed into ‘real sedimentation rates’ (sedimentation rates for non compacted sediment) applying a compaction factor equal to 60%; applying this factor, sedimentation rates equal to 32 cm/ka and 55 cm/ka, respectively, are obtained. Taking into account only the yearly sequence of diatom laminae, sedimentation rates reach a peak of 150 cm/ka (1.5 mm/a) for compacted sediments, equal to a ‘real’ sedimentation rate of 250 cm/ka (2.50 mm/a). All the listed sedimentation rates are in line with those calculated for Quaternary sediments in high-productivity basins, confirming that sedimentation rates during the deposition of the Pisco Fm. were high but not exceptional.
Investigations conducted on laminae were also used to interpret the seasonal stratification that characterised the water column during the deposition of the Pisco Fm. The sequence of terrigenous lamina – Coscinodiscus ooze – mixed lamina (Chaetoceros RS/Thalassionema plus terrigenous material) has been interpreted as the yearly turnover of diatom species in an upwelling environment. The terrigenous lamina represents the austral summer sediment input. Coscinodiscus oozes are the product of the summer flourishing of this genus at the thermo/nutricline and of its subsequent late summer/early autumn sedimentation (the so-called ‘fall dump’) which follows the breakage of the summer water column stratification. The mixed lamina represents the spring bloom.
Many clues suggest that sediments of the Pisco were not completely anoxic:
1) the presence of mollusc;
2) the pervasive bioturbations recognised both in the diatom laminae and at the top of tephra;
3) the coupling of fossil vertebrates with dolomite nodules surrounding the fossils themselves. Indeed, if the sediments of the Pisco had been anoxic, due to the high amounts of organic material (diatom cells) exported to the sea floor, dolomite would have precipitated also far from the vertebrate carcasses. On the contrary, dolomite nodules are always coupled to fossils. This means that only in correspondence of the carcasses, oxygen levels were reduced to a point that lead to sulphate-reduction and methanogenesis with consequent precipitation of dolomite.
Dolomite nodules have had a pivotal role in preserving the marine vertebrates in the fossils record: rapid dolomitisation prevented the skeletons from being disarticulated and protected bones from chemical and mechanical erosive agents. Therefore fast dolomitisation processes played a pivotal role in the formation of the Pisco Lagerstätte. However, although not exceptional, also high sedimentation rates favoured the complete burial of carcasses under the sea bottom surface, where sulphate reduction, methanogenesis and, consequently complete dolomitisation, were favoured. Sediment porosity, may have favoured rapid burial and dolomitisation of carcasses as well. Indeed, sediment structures underlying some carcasses suggest that carcasses ‘sank’ into the sediment as they arrived at the sea bottom.
Finally, I cannot exclude that the high concentration of carcasses in the Pisco Fm. is due to high density of the marine mammal populations in the Pisco Basin during the late Miocene; to answer this question a dedicated study with a more biological approach should be developed.
For what the HABs hypothesis is concerned, no evidence harmful diatoms has been found during the development of this Thesis; similarly, the study concerning the enhancing of primary production due to volcanic ashes needs to be further developed and no conclusions can be drawn on at the moment for this hypothesis.
As a final statement, I can affirm that the formation of the Pisco Lagerstätte was caused by the concurrence of many diverse ecological factors; however, the geochemical conditions of the sea bottom and high sedimentation rates were certainly two of the most important ones. Dolomite nodules frequently cemented siliciclastic sediments, not only diatomaceous ones, confirming that sedimentation of diatom frustules to the sea floor is to be considered just one of the many factors concurring in the formation of the Pisco Lagersätte, not its principal cause.

Obiettivi - La Formazione diatomica Mio-Pliocenica di Pisco, in Perù, si è depositata nel bacino del Pisco, uno dei tanti bacini forearc che caratterizzano la costa peruviana, in condizioni di upwelling. Questa formazione è particolarmente popolare tra i paleontologi dei vertebrati grazie al suo contenuto in fossili. Infatti, a causa dell’elevata concentrazione spaziale di esemplari fossili perfettamente conservati e del loro record temporale continuo, la Pisco Fm. è classificata come un Konservat-Lagerstätte; questo termine identifica un luogo o una formazione caratterizzati da un’eccezionale conservazione dei fossili. Ponendo il fuoco sui siti di Cerro Colorado e Cerro Los Quesos (deserto di Ica, Perù), questa Tesi si propone di capire quali meccanismi hanno portato alla formazione del Pisco Lagerstätte e se la deposizione delle diatomee ne abbia in qualche modo favorito la formazione.
Prendendo in considerazione la geologia della zona, sono state avanzate e studiate tre ipotesi:
1) alti tassi di sedimentazione: il rapido seppellimento è elencato in tutti i libri di paleontologia, come il processo principale che porta alla conservazione dei fossili. Questa ipotesi è già stata presa in considerazione dai precedenti autori come la causa della formazione del Pisco Lagerstätte. In particolare, è stato ipotizzato che siano stati i tassi di sedimentazione dei frustoli delle diatomee a favorire il rapido seppellimento delle carcasse. In questa Tesi viene avanzata anche l'ipotesi che le ceneri vulcaniche possano aver aumentato la produzione biosilicea incrementando, di conseguenza i tassi di sedimentazione delle diatomee stesse.
2) ambiente anossico / disossico: lungo il moderno margine continentale del Pacifico orientale, elevate quantità di materia organica prodotte a causa dell’upwelling portano ad un grande consumo di ossigeno. Nelle acque intermedi ossigeno disciolto è <1 ml / L. Questa stessa condizione può essere persistita durante la deposizione della Pisco Fm., inibendo quindi la decomposizione aerobica delle carcasse sul fondo del mare.
3) fioriture algali velenose (Harmful algal blooms, HABs): gli HABs sono fenomeni noti per uccidere grandi quantità di organismi marini. Tali fioriture sono tipiche di diversi gruppi planctonici e sono note per uccidere organismi marini attraverso: a) la produzione di una grande quantità di tossine; b) l'abbassamento di O2 disciolto nella colonna d'acqua (anossia della colonna d'acqua).
Per verificare l'ipotesi relativi ai tassi di sedimentazione è stato realizzato un dettagliato quadro stratigrafico dei siti di Cerro Colorado e Cerro Los Quesos, sia attraverso la biostratigrafia a diatomee, sia per mezzo delle datazioni 39Ar / 40Ar. Si è quindi potuto calcolare e discutere i tassi di sedimentazione per i due siti. Dal momento che le diatomiti risultano spesso laminate, è stato intrapreso uno studio a scala di singole lamine per studiare la stagionalità della deposizione delle diverse specie di diatomee, conseguentemente, dei movimenti verticali a cui era sottoposta la colonna d’acqua. Questo studio, che ha preso in considerazione i sedimenti sottostanti i fossili di balena, ha anche fornito ulteriori informazioni sui tassi di sedimentazione annuali della Pisco Fm.
Oltre alle osservazioni sui tassi di sedimentazione, sulle condizioni di ossigenazione del fondo del mare e sugli HABs, osservazioni sul campo hanno evidenziato che la maggior parte dei fossili a Cerro Colorado e Cerro Los Quesos sono avvolti in concrezioni carbonatiche; le analisi hanno rivelato che tutti i noduli sono noduli dolomitici. Pertanto, è stata svolta anche un'indagine specifica sui tali noduli per verificarne l’eventuale influenza sulla formazione del Lagerstätte.
Accanto allo studio sulla formazione del Pisco Lagerstätte, in questa Tesi si è tentato di evidenziare il ruolo della deposizione delle ceneri vulcaniche nel fertilizzare la superficie dell’oceano. Recentemente, alcuni studi hanno infatti evidenziato il ruolo di fertilizzante della cenere vulcanica: dopo grandi eruzioni, le ceneri possono cadere sulla superficie dell'oceano, dove rilasciano sostanze nutritive (NH+ 4, NO-3, NO-2, PO3 - 4, Si) e Fe. La Formazione di Pisco. è caratterizzata da numerosi di livelli di cenere, rendendo la Pisco Fm. un laboratorio naturale per studiare questo fenomeno nel Neogene. A riguardo, l’obiettivo di questa tesi è stato quello di sviluppare un metodo di indagine applicabile ai contesti fossili. Pertanto, sono state effettuate osservazioni sui livelli di cenere sia sul campo che in laboratorio. Nel contesto generale di questa tesi, uno studio sulla capacità di fertilizzazione delle ceneri vulcaniche acquista rilevanza se si considera la potenziale influenza di questo fenomeno sull’incremento della velocità di sedimentazione delle diatomee (favorendo quindi ulteriormente il rapido seppellimento delle carcasse).
Risultati - I risultati ottenuti dalla biostratigrafia a diatomee e dalla tefrocronologia convergono nell'affermare che i siti di Cerro Colorado e Cerro Los Quesos sono di età tardo miocenica. I risultati mettono in evidenza che i tassi di sedimentazione della Pisco Fm. oscillano tra i 19 cm / ka ± 1 e ca. 33 cm / ka (0,2 mm / a 0,3 mm / a). Questi tassi di sedimentazione sono calcolati per sedimenti compattati e possono essere trasformati in 'tassi di sedimentazione effettivi' (velocità di sedimentazione per i sedimenti non compattati) applicando un fattore di compattazione pari al 60% ; in questo modo si ottengono rispettivamente tassi di sedimentazione pari a 32 cm / ka e 55 cm / ka. Tenendo conto solo la sequenza annuale di deposizione delle diatomee (studiata attraverso le lamine), i tassi di sedimentazione raggiungono un picco di 150 cm / ka (1,5 mm / a) per sedimenti compattati, pari a un tasso di sedimentazione 'reale' di 250 cm / ka (2,50 mm / a). Tutti i tassi di sedimentazione elencati sono in linea con quelli calcolati per sedimenti quaternari in bacini sedimentari ad alta produttività primaria, confermando che i tassi di sedimentazione durante la deposizione del Pisco Fm. erano alti, ma non eccezionali.
Le indagini condotte sulle lamine sono state utilizzate per interpretare la stratificazione stagionale che caratterizzava la colonna d'acqua durante la deposizione della Pisco Fm. La sequenza lamina terrigena - Coscinodiscus ooze - lamina mista (Chaetoceros RS / Thalassionema e materiale terrigeno) è stata interpretata come la sequenza annuale di deposizione del sedimenti in un ambiente di upwelling. La lamina terrigena rappresenta l'input di sedimenti nel bacino durante l’estate australe. Gli oozes a Coscinodiscus sono il prodotto della fioritura estiva di questo genere a livello del nutri/termoclino e della successiva deposizione durante la fine dell’estate / inizio autunno (il cosiddetto fenomeno del 'fall dump') che consegue alla rottura della stratificazione della colonna d'acqua. La lamina mista rappresenta infine la fioritura primaverile.
Molti indizi suggeriscono che i sedimenti del Pisco non erano completamente anossici durante la deposizione della formazione stessa. Infatti si è osservato:
1) la presenza di molluschi;
2) diffuse bioturbazioni sia nelle laminazioni a diatomee, sia al top dei livelli di ceneri;
3) l'associazione dei vertebrati fossili ai noduli dolomitici che circondano i fossili stessi. Infatti, se i sedimenti del Pisco fossero stati anossici, l’elevata quantità di materia organica (diatomee) esportata al fondo dell’oceano, avrebbe causato la precipitazione della dolomite anche lontano dalle carcasse dei vertebrati. Al contrario, i noduli dolomitici sono sempre associati ai fossili. Ciò significa che solo in corrispondenza delle carcasse i livelli di ossigeno venivano ridotti al punto tale da attivare i processi che causano la precipitazione della dolomite, vale a dire riduzione dei solfati e metanogenesi.
Gli studi condotti sui noduli dolomitici hanno rivelato che questi hanno favorito la preservazione dei vertebrati marini nel record fossile: la rapida dolomitizzazione ha infatti inibito la disarticolazione delle scheletri e li ha protetti dagli agenti erosivi, chimici e meccanici, che agiscono sul fondo dell’oceano. Pertanto, i rapidi processi di dolomitizzazione hanno svolto un ruolo fondamentale nella formazione del Pisco Lagerstätte. A questi hanno contribuito gli alti tassi di sedimentazione che, seppur non eccezionali, hanno favorito la completa sepoltura delle carcasse sotto la superficie di fondo del mare, dove hanno luogo riduzione dei solfati e metanogenesi,favorendo, di conseguenza, una rapida dolomitizzazione. La porosità dei sedimenti può aver a sua volta favorito una rapida sepoltura e dolomitizzazione delle carcasse. Infatti, le strutture sedimentarie sottostanti alcune carcasse suggeriscono che queste ‘affondarono’ nel sedimento una volta arrivate sul fondo.