29 Flujos de carbono orgánico sedimentario a lo largo del margen

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29 Flujos de carbono orgánico
sedimentario a lo largo
del margen continental
del Pacífico Nororiental Mexicano
durante los últimos 50,000 años
A. Sánchez y J. Carriquiry
Introducción
Las escalas relevantes de variación en los flujos de carbono a nivel planetario
van desde millones de años para los procesos controlados por los movimientos de la corteza terrestre, y hasta periodos de días e incluso segundos, para
los procesos relacionados con el intercambio aire-océano ó la fotosíntesis.
Aunque el contenido de CO2 atmosférico es modulado por cambios en las
razones de intercambio entre atmósfera y océano y atmósfera y biosfera, el
nivel de concentración de CO2 en la atmósfera es finalmente determinado por
procesos geológicos y biológicos. Sin embargo, durante los últimos 200 años
las actividades humanas han alterado el ciclo global del carbono de manera
significativa, lo que ha motivado a tratar de entender los efectos que este
incremento tendrá en las próximas generaciones. Debido a que las razones
de cambio en los flujos de CO2 atmosférico no sólo dependen de los cambios
en las actividades humanas sino también de procesos biogeoquímicos y climatológicos así como de sus interacciones con el ciclo del carbono, en este
trabajo se examinaron algunos cambios en los procesos biogeoquímicos y
climatológicos que se entrelazan con el ciclo del carbono y de los nutrientes
con la intención de identificar las escalas y patrones temporales en el sepultamiento de carbono orgánico (Corg) en el margen continental de la región del
Pacifico Nororiental Mexicano (PNOM).
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428 Flujos de carbono
Una perspectiva geológica de cambios en el
CO 2 atmosférico
Arrhenius reconoció hace mas de 100 años que el CO2 atmosférico cumplía con
una función crítica en la regulación de la temperatura de la Tierra (Falkowski
et al. 2000). Los análisis de núcleos de hielo de Groenlandia muestran de manera convincente que durante los últimos 420,000 años, el sistema climático
del planeta ha operado en una banda de variación muy bien delimitada de
concentraciones de CO2 atmosférico y temperatura. El CO2 ha oscilado entre
180 y 280 ppmv, en ciclos de 100,000 años aproximadamente (Smith et al. 1999,
Petit et al. 1999). Sin embargo, la concentración de CO2 es al presente 100
veces superior a esas cifras (Barnola et al. 1987), y la razón de cambio llega a
ser hasta 100 veces más rápida que la observada en cualquier otro tiempo de
los últimos 420,000 años. Además, el CO2 como gas de invernadero tiene un
papel relevante en las oscilaciones climáticas de escala glaciar-interglaciar y
milenial (Sigman y Boyle 2000). Las investigaciones actuales se enfocan en la
bomba biológica del océano (secuestro de carbono en el océano interior por la
“lluvia” de Corg) para explicar las variaciones observadas en el CO2 atmosférico
(e.g., Paytan et al. 1996; Kienast et al. 2004). Es así como la bomba biológica
y su efecto concomitante (el sepultamiento de Corg en el piso oceánico) relacionan las variaciones del CO2 atmosférico con los flujos de carbono al piso
oceánico.
Se han propuesto dos hipótesis para explicar como la bomba biológica
influyó en el nivel de CO2 en épocas pasadas. Algunos estudios sugieren que
la bomba biológica en latitudes bajas tuvo su eficiencia máxima durante el
último periodo glaciar debido a que el reservorio de nutrientes no fue limitante
(e.g., Paytan et al. 1996). Otros proponen que la bomba biológica fue más eficiente durante los periodos glaciares a causa de una utilización más completa
de nutrientes en latitudes medias y altas, donde muchos de los nutrientes
comúnmente permanecen inutilizados (e.g., Kienast et al. 2004).
La producción primaria global moderna en los márgenes y taludes continentales es estimada en 3.7 PgC año-1, siendo mayor a la estimada en 2.9 PgC
año-1 en el océano profundo (Walsh 1991, Liu et al. 2000, Jahnke et al. 1999).
Estos autores sugieren que la bomba biológica secuestra 60% del carbono en
el océano profundo y 40% en los márgenes continentales. En el caso particular
del margen mexicano, la tasa de enterramiento de carbono orgánico es 0.6
mg cm-2 a-1, considerando una eficiencia de enterramiento de 35% (Hartnett
et al. 1998).
Flujos de carbono orgánico sedimentario 429
El margen continental del PNOM es uno de los pocos sitios del océano
donde el desarrollo de la zona de oxígeno mínimo (ZOM), permite la preservación y enterramiento de Corg (Hartnett et al. 1998). Sin embargo, la alta
productividad primaria y la ZOM han variado en sincronía con los cambios
climáticos de escala glaciar-interglaciar y milenial (e.g., Ortiz et al. 2004). De
esta forma, la ZOM puede tener un papel relevante en modular los flujos de
CO2 en el sistema océano-atmósfera.
En el presente trabajo se evaluó el flujo de Corg sedimentario en dos núcleos, GC31 y PC08, recolectados a 700 m de profundidad, dentro de la ZOM
del margen de Bahía Magdalena (margen Magdalena), Baja California Sur,
México. Adicionalmente, se compara el flujo de Corg sedimentario calculado
para el margen Magdalena con otros dos sitios del margen PNOM, Mazatlán
(Ganeshram et al. 1998) y Golfo de Tehuantepec (Thunell y Kepple 2004),
con el fin de discutir más ampliamente las variaciones en la preservación y
enterramiento del Corg en esta región del Pacífico y su relevancia en el ciclo
global del carbono.
Métodos
Recolecta y fechado de los núcleos sedimentarios
Un núcleo de gravedad (GC31, 23.47°N y 111.60°W) y uno de pistón (PC08,
23.47°N y 111.60°W) fueron recolectados a 700 m de profundidad en el margen Magdalena, durante la expedición OXMZ-01, a bordo del B/O Melville
(fig. 1). Los núcleos GC31 (~4 m de longitud) y PC08 (~15 m de longitud)
fueron recolectados dentro de la zona de oxígeno mínimo debido a la excelente preservación de la materia orgánica en esa zona. La parte superior del
núcleo GC31 perdió 25 cm de longitud y el núcleo PC08 perdió 156 cm. Para
establecer la cronología de cada núcleo, estos se fecharon con 14C (van Geen
et al. 2003). La tasa de sedimentación resultante de los fechados radiométricos
en GC31 y PC08 fue de ~30 cm ka-1 (van Geen et al., 2003) lo que define el
marco de tiempo operacional en la reconstrucción de las variaciones de flujos
de carbono al fondo oceánico de ~50,000 años. Los núcleos fueron muestreados cada 5 cm (resolución ~170 años) y cada muestra tuvo un volumen de 3
cm3, integrando ~30 años. Las muestras fueron liofilizadas antes de proceder
a la determinación de carbono.
430 Flujos de carbono
Figura 1. Localización de los núcleos GC31 y PC08, recolectados a 700 m de profundidad,
utilizados para estimar la tasa de enterramiento de Corg en el margen de Bahía Magdalena,
Baja California Sur, México. Los núcleos NH8P (Ganeshram et al. 1998) y ME0005A03
(Thunell y Kepple 2004) fueron usados para propósitos de comparación
Carbono orgánico
El contenido de carbono fue determinado con un analizador elemental LECO.
Previo al análisis de Corg, los carbonatos fueron eliminados de la muestra
adicionando HCl al 10%. El contenido de Corg es reportado en porcentaje en
peso. La precisión analítica de la medición elemental de C es < 0.5%.
Tasa de acumulación
La tasa de acumulación del Corg fue calculada a partir de la densidad del
sedimento seco (DSS = 1.563 × DSH – 1.560, donde DSH es la densidad del
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sedimento húmedo; Lyle et al. 2000). Los datos de DSS fueron obtenidos
por Alexander van Geen (Lamont-Doherty Earth Observatory de Columbia
University, Nueva York). La tasa de acumulación y el porcentaje en peso de
los componentes biogénicos fueron multiplicados por DSS para estimar la
tasa de acumulación del Corg (mg cm-2 ka-1).
Resultados
Los flujos de Corg en los núcleos GC31 y PC08 del margen Magdalena denotaron gran variabilidad (500 a 1250 mg cm-2 ka-1) en los últimos 15 ka (fig.
2a). Los flujos de Corg medios durante el Holoceno medio fueron de 1000 mg
cm-2 ka-1 y disminuyeron hasta 600 mg cm-2 ka-1 durante el Holoceno tardío
(fig. 2a), lo que indica que el flujo de Corg fue mayor en periodos previos al
presente. Durante el último glaciar máximo (22–18 ka) el flujo de Corg (de
800 mg cm-2 ka-1) resultó ser relativamente mayor que el observado durante el
Holoceno tardío (3–0 ka). Por otra parte, durante la etapa isotópica marina 3
(EIM-3: 50–25 ka), la razón de sepultamiento de Corg llegó a su máximo, con
1400 mg cm-2 ka-1 (fig. 2a). De manera general, las oscilaciones en la razón de
sepultamiento de Corg en el margen bajacaliforniano presentan gran similitud
con la variación de escala milenial observada en el registro isotópico de hielo
de Groenlandia (GISP-2).
A nivel regional, los flujos de Corg en el margen de Magdalena fueron
hasta tres veces mayores que los observados en el margen de Mazatlán (fig.
2b; núcleo NH8P). Los flujos de Corg en el margen de Mazatlán fueron más
altos durante la EIM-3, 350 mg cm-2 ka-1. A partir de los 15 ka, los flujos de
Corg en el núcleo NH8P incrementaron hasta un máximo ~500 mg cm-2 ka-1 a
los 5 ka, coincidiendo con un máximo de 1200 mg cm-2 ka-1 en el margen de
Magdalena (fig. 2a, b) y estos flujos de Corg disminuyeron hacia el Holoceno
tardío (350 mg cm-2 ka-1 y 600 mg cm-2 ka-1, respectivamente).
Discusión
Como se mencionó anteriormente, existen dos hipótesis (e.g., Paytan et al.
1996, Kienast et al. 2004) para explicar la disminución en la concentración
de CO2 atmosférico en periodos previos al Holoceno tardío (Barnola et al.
1987). Estudios paleoceanográficos recientes (Sigma y Boyle 2000) han sugerido que la bomba biológica fue muy eficiente durante periodos previos al
Holoceno tardío, lo cual ocasionó que el nivel de CO2 atmosférico diminuyera
432 Flujos de carbono
Figura 2. Tasa de sepultamiento de Corg (mg cm-2 ka-1) a lo largo del margen oriental del
Pacífico Mexicano. (a) Bahía Magdalena, a 700 m (b) Mazatlán, a 1000 m de profundidad
y (c) Golfo de Tehuantepec, a 740 m de profundidad. (HT = Holoceno tardío, HM =
Holoceno medio, HTe = Holoceno temprano, UGM = último glaciar máximo)
considerablemente durante el último glaciar a niveles de entre 180 y 200 ppm
(Barnola et al. 1987). Bajo este argumento, la fijación de CO2 a través de la
fotosíntesis por el fitoplancton marino incrementó la tasa de acumulación de
Corg durante los periodos previos al Holoceno tardío (e.g., Paytan et al. 1996,
Kienast et al. 2004).
Flujos de carbono orgánico sedimentario 433
La tasa de acumulación de Corg en el margen de Magdalena indicó que
las etapas isotópicas previas al Holoceno tardío fueron más productivas. De
esta forma, los altos flujos de Corg al fondo oceánico apoyan la idea de que la
bomba biológica, a latitud media-baja, fue más eficiente durante el último
glaciar máximo (UGM, 22 a 18 ka) y en la EIM-3 (fig. 2a). Por otra parte,
los flujos de Corg en el margen de Mazatlán (Ganeshram et al. 1998) sugieren
que la bomba biológica fue tan eficiente en el UGM y la EIM-3 como lo fue
en el Holoceno tardío (fig. 2b). Sin embargo, los flujos de Corg en el Golfo de
Tehuantepec (Thunell y Kepple 2004), aunque disminuyeron hacia el Holoceno
tardío (fig. 2c), resultaron ser mayores que los valores de C org observados en el
UGM. Esto sugiere que la bomba biológica no fue tan activa en la región del
Golfo de Tehuantepec como en Mazatlán y en Magdalena durante el UGM, lo
que de acuerdo a Thunell y Kepple (2004) probablemente fue ocasionado por
una disminución en el sistema de vientos generadores de surgencias.
La tasa de enterramiento de Corg durante el último glaciar máximo en las
márgenes de Magdalena (800 mg cm-2 ka-1) y Mazatlán (300 mg cm-2 ka-1)
fueron lo suficientemente altas como para mantener valores muy similares
a los encontrados en el Holoceno tardío (600 y 300 mg cm-2 ka-1, respectivamente). A partir de esta observación, se propone que la eficiencia en la bomba
biológica resultó ser mayor hacia la región subtropical del PNOM e incluso
en latitudes medias-altas, tal y como encontraron Kienast et al. (2004). De
hecho, la tasa de sepultamiento de Corg en el margen central de California
(ver figura 6 de Mortyn y Thunell 1997) presenta valores mayores (500 mg
cm-2 ka-1) durante el UGM que durante el Holoceno tardío (300 mg cm-2 ka-1),
apoyando la idea de una mayor eficiencia en el sepultamiento de Corg, y, por
ende, de la bomba biológica.
Si la bomba biológica fue más eficiente durante periodos previos al Holoceno tardío, ¿cómo se mantuvo la alta productividad primaria y el enterramiento de Corg? La alta productividad primaria que caracteriza al margen
oeste de Norteamérica es ocasionada por el sistema de vientos del norte, los
cuales favorecen el desarrollo de surgencias costeras (Mortyn y Thunell 1997).
Estudios previos (Mortyn y Thunell 1997, Kienast et al. 2004, Hendy et al.
2004) han identificado este mismo patrón de variación latitudinal, de altas
tasas de acumulación de Corg durante los periodos previos al Holoceno tardío
a lo largo del margen del Pacífico Nororiental, relacionados a un sistema de
surgencias más activo durante el último glaciar. De esta forma, la fuerza del
viento aumentó, generando condiciones más favorables para el desarrollo de
surgencias más intensas. Correspondientemente, el bombeo de nutrientes a
434 Flujos de carbono
la superficie del océano permitió que éstos no fueran una limitante para los
productores primarios, favoreciendo la alta productividad exportada y la
alta tasa de sepultamiento de Corg a lo largo del margen oriental del Pacífico
mexicano.
Las tasas de sepultamiento de Corg observadas a lo largo del margen oriental
del Pacífico mexicano en este estudio sugieren que esta región pudo haber
tenido un papel importante en el ciclo global del carbono, al secuestrar y
enterrar más Corg durante periodos previos al Holoceno tardío. Lo anterior
apoya la relevancia de considerar las márgenes continentales en los modelos
del ciclo del carbono como lo mencionan Muller-Karger et al. (2005).
Conclusiones
La tasa de enterramiento de Corg a lo largo del margen oriental del Pacífico
mexicano fue mayor durante el último glaciar y la EIM-3 que en el Holoceno
tardío. Esto sugiere que los periodos previos al Holoceno tardío fueron más
productivos. La elevada productividad primaria y el enterramiento de C org registrados durante el último glaciar, y la EIM-3, sugieren que la bomba biológica
fue más activa y eficiente en la región subtropical (Mazatlán y Magdalena).
Los resultados del presente trabajo apoyan las evidencias encontradas en
investigaciones previas que han sugerido que la alta productividad primaria
durante el último glaciar fue producto de la intensificación de los vientos
del norte favorables para el desarrollo de surgencias. Concomitantemente, el
bombeo de nutrientes no fue limitante para los productores primarios, lo que
favoreció la alta productividad exportada y la tasa de sepultamiento de Corg a
lo largo del margen oriental del Pacífico mexicano.
Agradecimientos
Agradecemos a Lex van Geen (Lamont Doherty Earth Observatory de la
Universidad de Columbia, Nueva York) por proporcionar los datos de densidad del sedimento obtenidos durante el crucero OXMZ-01, a bordo del B/O
Melville. Pedro Castro proporcionó apoyo técnico en el laboratorio con las
muestras de este crucero. Se agradece al personal científico participante en
el crucero OXMZ-01.
Flujos de carbono orgánico sedimentario 435
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