Paleoclimate reconstructions of Upper Cretaceous shallow-water carbonates of the Adriatic carbonate platform based on rudist bivalves: a combined approach using δ18O and clumped isotope paleothermometers (Ricostruzioni paleoclimatiche delle successioni carbonatiche del Cretacico Superiore della Piattaforma carbonatica Adriatica basate sulle analisi delle conchiglie di Rudiste: un approccio combinato tramite δ18O e Clumped isotopes paleotermometri)

Il Cretaceo Superiore è stato un intervallo stratigrafico caratterizzato da significative perturbazioni climatiche, registrando alcune delle temperature più calde della storia della Terra. Un clima di tipo “greenhouse” raggiunse il suo stadio di "hothouse" nell'intervallo al limite Cenomaniano-Turoniano, quando le temperature della superficie degli oceani (SST) raggiunsero oltre 35 °C alle basse e medie latitudini, in coincidenza con i massimi livelli marini del Fanerozoico. In queste condizioni, un ordine estinto di bivalvi, le rudiste, prosperava negli ambienti di piattaforma interna e sui margini delle piattaforme carbonatiche, contribuendo in modo significativo alla produzione globale di carbonato di calcio. Gli strati esterni delle loro conchiglie composti da calcite basso magnesiasca (low-Mg) si sono rivelati preziosi archivi delle condizioni climatiche del Cretaceo, consentendo interpretazioni paleoambientali, sia a breve scala temporale (ad esempio anni; analizzando gli incrementi di crescita attraverso il profilo della conchiglia) che a lunga scala (analizzando le variazioni isotopiche della conchiglia nelle successioni sedimentarie). Il metodo più utilizzato per "misurare" le temperature del passato è basato sulle analisi del δ18O nella calcite. Tuttavia, questo metodo soffre di diversi problemi, il principale dei quali è l'incertezza della composizione isotopica originale dell'acqua marina da cui sono precipitate le conchiglie studiate. Un secondo nuovo metodo chiamato “clumped-isotopes” è uno strumento promettente per superare questo problema, poiché fornisce stime della paleotemperatura indipendentemente dal valore originale del δ18O dell'acqua marina. La tesi qui presentata si concentra sulle ricostruzioni delle paleotemperature e paleoambientali nei carbonati mare basso della Piattaforma Carbonatica Adriatica utilizzando conchiglie di rudiste, applicando due diversi termometri (analisi dell'ossigeno e “clumped-isotopes”). I campioni di rudiste analizzati provengono da due regioni: 1) Carso Goriziano del Friuli (NE Italia) e 2) Istria meridionale (Croazia). Una sezione di riferimento del Cenomaniano superiore-Turoniano medio è stata campionata nella regione friulana, e uno schema stratigrafico preciso è stato sviluppato utilizzando la biostratigrafia in combinazione con la chemostratigrafia del carbonio e degli isotopi dello Sr (SIS). È stato, poi, costruito un profilo di paleotemperatura ad alta risoluzione basato sull'analisi del δ18O nelle conchiglie di rudiste e nella roccia totale (“bulk”). Il massimo termico del Cretaceo superiore è stato identificato negli strati del Turoniano inferiore, con temperature calcolate che raggiungono i 41-45 °C. Successivamente, le analisi dei “clumped-isotopes” sono state applicate a rudiste selezionate provenienti dalle regioni del Friuli e dell'Istria, con lo scopo di studiare i processi che influenzano questo metodo di paleotermometria isotopica (es. diagenesi e “solid-state reordering”). Infine, l'analisi degli dei “cluped isotopes” e del δ18O di due esemplari di rudiste ben preservate provenienti dalla regione istriana è stata utilizzata per il calcolo della paleotemperatura, per la stima delle variazioni stagionali di temperatura e, per la prima volta, per il calcolo del δ18O dell’acqua marina del Turoniano e del Coniaciano medio che ricopriva la Piattaforma Carbonatica Adriatica.

The Late Cretaceous was an interval characterized by abrupt climate perturbations, recording some of the warmest temperatures in Earth history. The greenhouse climate reached its ‘hothouse’ stage at the Cenomanian-Turonian Boundary interval when the sea surface temperatures (SSTs) attained over 35 °C in low and mid-latitudes, coinciding with the highest sea level stands of Phanerozoic. Under these conditions, an extinct order of bivalves, rudists, thrived on tops and margins of carbonate platforms, significantly contributing to global carbonate production. Their low-Mg calcite outer shell layers provide valuable archives of the Cretaceous climatic conditions, allowing for paleoenvironmental interpretations, both at a short time scale (e.g., years; by analyzing shell increments through their growth profile) and long time scale (by analyzing shell isotopic variations over sedimentary successions). The most widely used method for ‘measuring’ past temperatures is the δ18O paleothermometer. Nevertheless, this method suffers from several problems, the main being the uncertainty of the original isotopic composition of the seawater from which the studied shells precipitated. The clumped isotope thermometer is a promising tool for overcoming this issue since it gives paleotemperature estimates independently of the original δ18Oseawater. The presented thesis focuses on paleotemperature and paleoenvironmental reconstructions in shallow-water carbonates of the Adriatic Carbonate Platform using rudist shells, applying two different thermometers (oxygen and clumped isotope analyses). Sampled section and rudist specimens come from two regions: 1) Friuli karst area (NE Italy) and 2) southern Istria (Croatia). A reference section of upper Cenomanian-middle Turonian carbonates was sampled in the Friuli region, and a precise stratigraphic framework was developed using biostratigraphy, combined with carbon and Sr-isotope chemostratigraphy. A high-resolution paleotemperature profile was constructed based on the δ18O analysis of rudist shells and bulk rock material. The Late Cretaceous thermal maximum has been identified in the Lower Turonian strata, with calculated temperatures reaching as much as 41-45 °C. Subsequently, clumped isotope analysis was applied to selected rudists from the Friuli and Istria regions, investigating the diagenetic processes influencing the clumped isotope thermometer, such as the solid-state reordering. Finally, clumped isotope and δ18O analyses of two well-preserved rudist specimens from the Istria region were used for paleotemperature calculations, estimates of seasonal temperature variations, and, for the first time, for δ18Oseawater calculations of Turonian and middle Coniacian seas covering the Adriatic Carbonate Platform.