227

Ópalo biogénico sedimentario: etapas isotópicas marinas 1–5

JD Carriquiry1, A Sánchez1,2

RESuMEN

Aunque existe un consenso general de que el océano juega un papel importante en con-trolar la variación del CO

2 atmosférico (entre ~180 ppm y ~280 ppm durante el último

periodo glaciar), la incertidumbre continúa sobre el efecto del cambio en la intensidad de la bomba biológica del océano. El propósito de este trabajo es estimar la productividad exportada en la región más sureña de la Corriente de California, a escala glaciar-interglaciar utilizando el ópalo biogénico como trazador proxy de productividad primaria. Para ello se estimó el contenido de ópalo biogénico (BSi) de los núcleos GC38 y PC09, recolectados a 1200 m de profundidad en el Margen de Magdalena, BCS, México. Los resultados del BSi (%) mostraron dos diferentes etapas de cambios en la producción exportada: (1) el contenido de BSi (%) en los últimos 12 ka fue 25% más bajo que en las etapas isotópicas marinas 3, 4 y 5; y (2) durante el periodo de la desglaciación al Holoceno temprano, el BSi pasó de 6.4% a 4.2% (disminuyó 35%). Una posible explicación de estas diferencias consiste en la fertilización del océano debida a los vientos que favorecen las surgencias y/o

1 Universidad Autónoma de Baja California. Instituto de Investigaciones Oceanológicas. Apartado Pos-tal 453. Ensenada 22830, Baja California. jose_carriquiry@uabc.edu.mx.

2 Centro Interdisciplinario de Ciencias Marinas. Av. Instituto Politécnico Nacional s/n, Col. Playa Palo de Santa Rita. Apdo. Postal 592. La Paz 23096, BCS. alsanchezg@ipn.mx.

228 aSpeCtoS químICoS

a un aporte de micronutrientes (e.g., Fe) derivados de un clima con más viento y árido que caracterizó al último glaciar a escalas planetarias.

Palabras clave: ópalo biogénico, bomba biológica, Corriente de California, surgencias, CO

2 atmosférico.

ABSTRACT

Although there is general agreement that the ocean plays an important role in controlling the variation of atmospheric CO

2 (from ~ 180 ppm and ~ 280 ppm during the last Ice

Age), uncertainty remains about the effect of change in the intensity of the biological pump of the ocean. The purpose of this study is to estimate the exported productivity in the southernmost region of the California Current system at glacial-interglacial scale using biogenic opal as a proxy tracer of primary productivity. To do this we estimated the biogenic opal content (BSi) of cores PC09 and GC38, collected at 1200 m depth in the Magdalena Margin, BCS, Mexico. The BSi (%) results showed two different stages of change in the export production: (1) the BSi content in the last 12 ka was 25% lower than in marine isotope stages 3, 4 and 5, and (2) during the period from deglaciation to early Holocene, the BSi changed from 6.4% to 4.2% (decreased by 35%). A possible explanation for these differences is the changes in fertilization of the ocean by upwellings caused by favorable winds and/or an input of micronutrients (e.g., Fe) derived from a windy and arid climate that characterized the last glacial at global scale.

Keywords: biogenic opal, biological pump, California Current, upwellings, atmospher-ic CO

2

INTRODuCCIóN

La evidencia de que el contenido de CO2 atmosférico oscila en sintonía con las

fluctuaciones glaciar-interglaciar (Barnola et al. 1987) ha estimulado una serie de estudios sobre el ciclo global del carbono como un componente importante de la variabilidad climática (Keir 1988). El océano puede influir en el nivel del CO

2 atmosférico de diversas formas. Una de estas es el cambio en la intensidad

de la bomba biológica (Sigman y Boyle 2000), la cual contribuye a la disminu-ción del CO

2 atmosférico durante el periodo glaciar (Broecker 1982, Sarmiento y

ópalo BIogénICo SedImentarIo: etapaS ISotópICaS marInaS 1–5 229

Toggweiler 1984, Sigman y Boyle 2000), pero ello es aún tema de debate. La pro-ducción primaria del océano es crucial, pues en un escenario de condiciones glacia-les la fijación de carbono por parte de la biota oceánica pudiera exceder la evasión de CO

2 generada por los eventos de surgencias costeros, para posteriormente ser

transferido al océano profundo vía el flujo de partículas biogénicas (Muller-Karger et al. 2005).

La circulación oceánica a gran escala tiene un impacto directo sobre la depo-sitación del ópalo biogénico ya que favorece la producción de sílice en el Océano Pacífico y la preservación de carbonatos en el Océano Atlántico (Berger 1970). La producción y preservación de ópalo biogénico en el Océano Pacífico se ve fa-vorecida por la saturación de sílice y las altas relaciones Si/N y Si/P con respecto del Océano Atlántico (Ragueneau et al. 2000). Esto a su vez propicia una dis-tribución que conduce a la focalización del sepultamiento de ópalo en el Pacífico Ecuatorial, especialmente en los sistemas de surgencias de los márgenes orientales de los océanos y en el Océano del Sur.

Los ciclos del carbono y del sílice en los ecosistemas marinos son influidos fuer-temente por florecimientos del fitoplancton dominados por diatomeas. El grupo de las diatomeas es responsable del 43% de la producción primaria en el océano (Treguer et al. 1995) y es determinante en controlar la producción exportada al océano profundo. La fijación, y por ende el secuestro del CO

2 por las diatomeas, se

da de forma inmediata en comparación con la precipitación del CO2 (en forma de

carbonatos) por organismos calcáreos (Volk y Hoffert 1985). Por ello, al grupo de las diatomeas se les ha atribuido un papel importante en la variación de la concen-tración de CO

2 atmosférico a diversas escalas de tiempo.

Las frústulas de diatomeas y restos silicios de otros organismos posteriormente son sepultadas en forma de ópalo sedimentario en regiones muy sensibles a los cambios climáticos (e.g., sistema de surgencias de California/Baja California). En este trabajo, el contenido de ópalo biogénico que se acumula en sedimentos de la región más sureña de la Corriente de California se utiliza para trazar y contrastar los cambios de la productividad primaria con los de los Márgenes de Mazatlán y California durante los últimos 112 ka.

230 aSpeCtoS químICoS

MéTODOS

Recolecta y fechado de los núcleos sedimentarios

Durante la expedición OXMZ-01 a bordo del B/O Melville se recolectaron en un mismo sitio (23.22°N/111.08°W) un núcleo de gravedad (GC38) y uno de pis-tón (PC09) a 1270 m de profundidad en el Margen de Magdalena (fig. 1). La pro-

Figura 1. Localización del sitio de colecta de los núcleos GC38 y PC09 en el Margen de Magdalena, Baja California Sur, México; NH22 en el Margen de Mazatlán, México; y SITE1017 en el Margen de California, EUA. Las líneas segmentadas denotan la ba-timetría en los sitios de colecta.

ópalo BIogénICo SedImentarIo: etapaS ISotópICaS marInaS 1–5 231

fundidad de colecta de la pareja complementaria de los núcleos GC38 (~3 m de longitud) y PC09 (~14 m de longitud) está por debajo del límite inferior (~1000 m) de la zona de oxígeno mínimo (ZOM). Durante el proceso de nucleación, el núcleo GC38 perdió 25 cm de la parte superior, mientras que el núcleo PC09 perdió 220 cm. Para establecer su cronología, los núcleos fueron fechados con 14C (van Geen et al. 2003). La tasa de sedimentación resultante de los fechados radiométricos de GC38 y PC09 fue de ~13 cm ka-1 (van Geen et al. 2003) lo que definió el marco de tiempo operacional para la reconstrucción de las variaciones del ópalo biogénico en el fondo oceánico de ~112,000 años. Los núcleos fueron muestreados cada 5 cm (aproximadamente cada 384 años) y cada muestra de 1 cm de espesor tuvo un volumen de 3 cm3, integrando ~76 años en cada intervalo discreto del muestreo. Las muestras fueron liofilizadas antes de proceder a la de-terminación del ópalo biogénico.

Ópalo biogénico (BSi)

El contenido de ópalo biogénico (BSi) en el sedimento se analizó por el método de extracción alcalina (Mortlock y Froelich 1989). La concentración de sílice fue calculada por el método espectrofotométrico de azul de molibdato. La precisión del método de extracción fue <0.5%. La concentración de sílice fue convertida a BSi y expresada en porcentaje en peso.

RESulTADOS

El contenido de ópalo biogénico en los núcleos GC38 y PC09 del Margen de Magdalena denotó gran variabilidad (4.2 a 7%) en los últimos 30 ka (fig. 2a). Durante la desglaciación, que corresponde a la transición entre el último glaciar máximo (UGM) y el Holoceno, el contenido de ópalo biogénico disminuyó drás-ticamente hasta 4.2%, el valor más bajo de los últimos 112 ka. Durante el UGM el contenido de ópalo biogénico (6.0 ± 0.4%) resultó ser relativamente mayor que el observado en el Holoceno (11−0 ka). Por otra parte, las etapas isotópicas marinas 3, 4 y 5 tuvieron valores porcentuales medios de 6.0 ± 0.3%, 5.9 ± 0.4% y 6.2 ± 0.4%, respectivamente (fig. 2a).

A nivel regional el contenido de ópalo biogénico en el Margen de Magdalena fue similar a los valores observados en los márgenes de Mazatlán y California (fig. 2b; núcleos NH22: 23°31´N/ 106°31´W, profundidad de colecta = 2025 m, tasa

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ópalo BIogénICo SedImentarIo: etapaS ISotópICaS marInaS 1–5 233

de sedimentación = 6 cm ka-1, y ODP-SITE1017: 34°32’N; 121°60’W, profun-didad de colecta = 955 m, tasa de sedimentación= 25 cm ka-1). El contenido de ópalo biogénico fue ligeramente mayor o muy similar durante el UGM en todos los sitios con respecto al Holoceno (tabla 1). Adicionalmente, el porcentaje de ópalo biogénico medio disminuyó de la EIM-5 a la EIM-1 para los márgenes de Magdalena y Mazatlán, mientras que en el SITE 1017 (Margen de California), los valores medios no cambiaron entre las EIM (tabla 1). No obstante, la comparación entre estos sitios está limitada porque la tasa de acumulación de masa no fue cal-culada para cada sitio y la tasa de sedimentación entre sitios fue muy diferente.

DISCuSIóN

Los contenidos de ópalo biogénico, carbono orgánico, bario y biomarcadores mole-culares han sido usados en diversos estudios para precisar la historia de la produc-ción exportada en el Pacífico Norte (Paytan 2008). Cada una de estas determi-naciones proporciona información útil sobre el ciclo del carbono en el pasado, pero con sus respectivas limitaciones y consideraciones. Debido a que el océano está subsaturado de ácido ortosilícico, el ópalo biogénico se disuelve en su trayectoria de asentamiento a lo largo de la columna de agua, y este proceso continúa en la interfase agua-sedimento. La preservación del sílice en los sedimentos depende de muchos factores, aparte de los presentes durante su formación inicial. Esto es im-portante porque el ópalo sedimentario representa una fracción del sílice producido inicialmente. La fracción del ópalo biogénico que escapa a la disolución se caracte-

Tabla 1. Contenido porcentual de ópalo biogénico (promedio y desviación estándar) por etapa isotópica marina (EIM) y en el último glaciar máximo (UGM) en los núcleos GC38 y PC09, NH22 y SITE 1017 del margen continental del Pacífico Nororiental.

Etapa isotópica marina

GC38, PC09 NH22 SITE 1017

1 4.7 ± 0.3 4.9 ± 0.8 5.8 ± 0.5

2 5.7 ± 0.7 4.0 ± 0.7 5.9 ± 0.9

UGM 6.0 ± 0.4 4.5 ± 0.8 6.0 ± 0.7

3 6.0 ± 0.3 5.6 ± 0.9 5.9 ± 0.7

4 5.9 ± 0.4 6.3 ± 0.9 5.9 ± 0.2

5 6.2 ± 0.4 6.7 ± 1.7 nd

234 aSpeCtoS químICoS

riza particularmente por especies de diatomeas grandes y/o densas presentes en regiones del océano claramente relacionadas con la preservación y acumulación del sílice biogénico (e.g. Calvert y Price 1983; Nelson et al. 1995, Ragueneau et al. 2000, Pondaven et al. 2000). Kienast et al. (2004) indican que los registros sedimentarios en el Pacífico Norte reflejan las variaciones en el contenido de ópalo biogénico asociadas a cambios en la productividad primaria. Estos registros refle-jaron un incremento en el contenido de BSi durante los periodos glaciares (EIM-2, 3, 4 y 6) respecto de los interglaciares (EIM-1 y 5); sin embargo, son escasos los registros de ópalo biogénico en el Pacífico Nororiental, aun cuando en esta región existe uno de los sistemas de surgencias de corrientes de frontera oriental que se caracterizan por una alta tasa de sedimentación y preservación de ópalo biogéni-co (e.g., Ganeshram y Pedersen 1998, Hendy et al. 2004, Sánchez y Carriquiry 2007a, b, Nederbragt et al. 2008).

Existen algunas hipótesis para explicar la disminución en la concentración de CO

2 atmosférico durante los períodos glaciares. Estudios recientes han sugerido

que la bomba biológica fue significativamente más eficiente durante los períodos glaciares que en los interglaciares (i.e., Holoceno). Particularmente para el giro subtropical del Pacífico Norte (Kienast et al. 2004) y la región ecuatorial del Pacífico oriental (Paytan et al. 1996) la fijación de CO

2 a través de la fotosíntesis

por diatomeas tuvo un papel clave en periodos glaciares. Mas recientemente, para los sistemas de surgencias relativamente permanentes de California (Hendy et al. 2004) y de Baja California (Sánchez y Carriquiry 2007a,b) se ha encontrado un aumento en la concentración de ópalo biogénico y un correspondiente aumento en la tasa de enterramiento del carbono orgánico. Por lo anterior podemos concluir que, por ser en los márgenes continentales donde la mayor parte del enterramiento de materia orgánica en los océanos tiene lugar, los sistemas de surgencias coste-ros del Pacifico nororiental debieron haber contribuido de manera importante en la modulación del sistema climático del periodo glaciar, al actuar como posibles sumideros de CO

2.

De acuerdo con lo anterior, el contenido de ópalo biogénico en el Margen de Magdalena indica que las etapas isotópicas previas al Holoceno fueron más pro-ductivas. De esta forma, el flujo de ópalo biogénico al piso oceánico apoya la idea de que la bomba biológica en la región subtropical fue más eficiente en las etapas isotópicas 2, 3, 4 y 5. Por otra parte, el contenido de ópalo biogénico en el Margen de Mazatlán sugiere que la bomba biológica fue ligeramente más eficiente en las etapas isotópicas 3, 4 y 5 con respecto a la etapa 2, aunque en el UGM el conteni-

ópalo BIogénICo SedImentarIo: etapaS ISotópICaS marInaS 1–5 235

do de ópalo biogénico fue muy similar al Holoceno (tabla 1). Sin embargo, el con-tenido de ópalo biogénico en el Margen de California no presentó diferencias entre las etapas 1, 2, 3 y 4, lo que sugiere que la bomba biológica en esta área estuvo activa permanentemente, manteniendo el flujo hasta antes de la desglaciación y el Holoceno, como ocurre en los márgenes de Magdalena y Mazatlán (tabla 1).

La interpretación de los resultados del ópalo biogénico en el Margen de California y el Pacífico Mexicano, así como lo encontrado por Kienast et al. (2004) y Paytan et al. (1996) en el subártico Pacífico y el Pacífico Ecuatorial respectiva-mente, sugieren que la eficiencia de la bomba biológica resultó ser mayor en las regiones subtropical y templada de lo que anteriormente se tenía considerado para las EIM-3, 4 y 5. Debido a lo anterior, la alta productividad primaria que caracteriza al margen occidental de Norteamérica posiblemente haya sido ocasionada por el sistema de vientos del noroeste que favorecen el desarrollo de surgencias costeras en los sistemas de corrientes de las márgenes oceánicas orientales (i.e., Corriente de California). Así, la intensidad de los vientos aumentó generando condiciones más propicias para el desarrollo de surgencias más intensas (ver mecanismos en Sánchez y Carriquiry 2007a). Consecuentemente, el bombeo de nutrientes a la superficie del océano favoreció el incremento en la producción de ópalo biogénico y en las tasas de acumulación de carbono orgánico a lo largo del sistema de la Corriente de California en las etapas isotópicas previas al Holoceno (Paytan et al. 1996, Hendy et al. 2004, Kienast et al. 2004, Sánchez y Carriquiry 2007a, b). Esto sugiere que la región pudo haber tenido un papel más importante en el ciclo global del carbono al secuestrar y enterrar más ópalo biogénico y carbono orgánico durante el último período glaciar. Esta conclusión reitera la relevancia de las már-genes continentales en la regulación de flujos globales (y tasas de sepultamiento) de elementos bioactivos en los modelos globales del ciclo del carbono, como lo han sido sugerido Muller-Karger et al. (2005).

CONCluSIONES

El contenido de ópalo biogénico en el Margen de Magdalena fue mayor durante las etapas isotópicas 2, 3, 4 y 5, y el último glaciar que en la etapa isotópica 1 (Holoceno). El mayor contenido de ópalo biogénico sugiere que la bomba biológica fue más eficiente y/o activa de lo que originalmente se había pro-puesto para estas etapas isotópicas. Los resultados del presente estudio apoyan evidencias recientes encontradas en investigaciones del sistema de surgencias

236 aSpeCtoS químICoS

de la Corriente de California que sugieren una alta productividad primaria (dia-tomeas) durante dichas etapas isotópicas, como producto de la intensificación de los vientos generadores de surgencias y su efecto en el bombeo de nutrimen-tos. Estos procesos favorecieron una mayor productividad exportada durante el último período glaciar, ciertamente evidente en los núcleos GC38 y PC09, y ODP-SITE 1017.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a los revisores anónimos de este estudio y a los editores de este libro por haber hecho un trabajo detallado y cuidadoso del contenido. Sus observa-ciones y sugerencias mejoraron indudablemente este artículo. Agradecemos la ayuda de Pedro Castro y Eduardo Ortiz su apoyo durante las distintas instancias de la recolecta y manejo de las muestras. Esta investigación se llevó a cabo con el apoyo del proyecto CONACYT “Efecto del cambio global en la intensificación de la zona de oxígeno mínimo del Pacífico Nor-tropical Mexicano: pasado y futuro”, y de la Universidad Autónoma de Baja California. Se agradece a Lex van Geen por su amable invitación a colaborar en su proyecto USA-NSF “Coring the Oxygen minimum zone off Baja California to reconstruct Holocene climate variability in the North Pacific”. Se agradece el apoyo del Cap. Chris Curl de Scripps Institute of Oceanography a bordo del New Horizon durante la campaña de muestreo.

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