Búsqueda de señal orbital en isótopos estables de carbono y oxígeno de belemnites del Jurásico Inferior de la cuenca Vasco-Cantábrica mediante el periodograma suavizado de Lomb-Scargle

Introducción

El Jurásico Inferior (Plienbachiense y Toarciense Inferior), datado entre los 182-190 Ma, ha llamado mucho la atención de la comunidad científica debido a que fue una época de grandes cambios y crisis ambientales. Existió un breve intervalo de calentamiento global (se estima que la temperatura promedio del aire en superficie estuvo entre 5 y 10 ºC por encima de la temperatura promedio actual de la Tierra), un aumento del nivel eustático del mar, alta actividad volcánica, liberación de grandes cantidades de metano, aumento excepcional en la depositación de material con alto contenido de carbono orgánico a nivel global debido en parte como resultado de varios eventos oceánicos anóxicos (Oceanic Anoxic Event, OAE) y extinciones masivas de la biodiversidad (Hesselbo et al., 2000Hesselbo, S. P.; Gröcke, D.R.; Jenkyns, H.C.; Bjerrum, C.J.; Farrimond, P.; Bell, H.S. M. & Green, O.R. (2000). Massive dissociation of gas hydrate during a Jurassic oceanic anoxic event. Nature, 406(6794): 392-395. https://doi.org/10.1038/35019044 ; Bailey et al., 2003Bailey, T.R.; Rosenthal, Y.; McArthur, J.M.; Van de Schootbrugge, B. & Thirlwall, M.F. (2003). Paleoceanographic changes of the Late Pliensbachian-Early Toarcian interval: a possible link to the genesis of an Oceanic Anoxic Event. Earth and Planetary Science Letters, 212(3-4): 307-320. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(03)00278-4 ; Suan et al., 2008Suan, G.; Pittet, B.; Bour, I.; Mattiolia, E.; Duarte, L.V. & Mailliot, S. (2008). Duration of the Early Toarcian carbon isotope excursion deduced from spectral analysis: Consequence for its possible causes. Earth and Planetary Science Letters, 267 (3-4): 666-679. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2007.12.017 ; Hermoso et al., 2012Hermoso, M.; Minoletti, F.; Rickaby, R.E.; Hesselbo, S.P.; Baudin, F. & Jenkyns, H.C. (2012). Dynamics of a stepped carbon-isotope excursion: Ultra high-resolution study of Early Toarcian environmental change. Earth and Planetary Science Letters, 319: 45-54. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2011.12.021 ; Kemp & Izumi, 2014Kemp, D.B. & Izumi, K. (2014). Multiproxy geochemical analysis of a Panthalassic margin record of the early Toarcian oceanic anoxic event (Toyora area, Japan). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 414: 332-341. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2014.09.019 ; Bodin et al., 2016Bodin, S.; Krencker, F.N.; Kothe, T.; Hoffmann, R.; Mattioli, E.; Heimhofer, U. & Kabiri, L. (2016). Perturbation of the carbon cycle during the late Pliensbachian-early Toarcian: New insight from high-resolution carbon isotope records in Morocco. Journal of African Earth Sciences, 116: 89-104. https://doi.org/10.1016/j.jafrearsci.2015.12.018 ; Remírez & Algeo, 2020Remírez, M.N. & Algeo, T.J. (2020). Carbon-cycle changes during the Toarcian (Early Jurassic) and implications for regional versus global drivers of the Toarcian oceanic anoxic event. Earth-Science Reviews, 209: 103283. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103283 ). Estos cambios ambientales han sido registrados en diversos materiales geológicos provenientes de distintas cuencas alrededor del mundo (Hesselbo et al., 2000Hesselbo, S. P.; Gröcke, D.R.; Jenkyns, H.C.; Bjerrum, C.J.; Farrimond, P.; Bell, H.S. M. & Green, O.R. (2000). Massive dissociation of gas hydrate during a Jurassic oceanic anoxic event. Nature, 406(6794): 392-395. https://doi.org/10.1038/35019044 ; Jenkyns et al., 2002Jenkyns, H.C.; Jones, C.E.; Grocke, D.R.; Hesselbo, S.P. & Parkinson, D.N. (2002). Chemostratigraphy of the Jurassic System: applications, limitations and implications for palaeoceanography. Journal of the Geological Society, 159 (4): 351-378. https://doi.org/10.1144/0016-764901-130 ; Kemp et al., 2005Kemp, D.B.; Coe, A.L.; Cohen, A.S. & Schwark, L. (2005). Astronomical pacing of methane release in the Early Jurassic period. Nature, 437(7057): 396-399. https://doi.org/10.1038/nature04037 ; Rosales et al., 2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 ; Suan et al., 2008Suan, G.; Pittet, B.; Bour, I.; Mattiolia, E.; Duarte, L.V. & Mailliot, S. (2008). Duration of the Early Toarcian carbon isotope excursion deduced from spectral analysis: Consequence for its possible causes. Earth and Planetary Science Letters, 267 (3-4): 666-679. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2007.12.017 ; Hermoso et al., 2012Hermoso, M.; Minoletti, F.; Rickaby, R.E.; Hesselbo, S.P.; Baudin, F. & Jenkyns, H.C. (2012). Dynamics of a stepped carbon-isotope excursion: Ultra high-resolution study of Early Toarcian environmental change. Earth and Planetary Science Letters, 319: 45-54. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2011.12.021 ; Bodin et al., 2016Bodin, S.; Krencker, F.N.; Kothe, T.; Hoffmann, R.; Mattioli, E.; Heimhofer, U. & Kabiri, L. (2016). Perturbation of the carbon cycle during the late Pliensbachian-early Toarcian: New insight from high-resolution carbon isotope records in Morocco. Journal of African Earth Sciences, 116: 89-104. https://doi.org/10.1016/j.jafrearsci.2015.12.018 ). Una gran cantidad de estudios han sido realizados para saber la causa de estos cambios, y si los mismos se produjeron a escala global (Bailey et al., 2003Bailey, T.R.; Rosenthal, Y.; McArthur, J.M.; Van de Schootbrugge, B. & Thirlwall, M.F. (2003). Paleoceanographic changes of the Late Pliensbachian-Early Toarcian interval: a possible link to the genesis of an Oceanic Anoxic Event. Earth and Planetary Science Letters, 212(3-4): 307-320. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(03)00278-4 ; Suan et al., 2008Suan, G.; Pittet, B.; Bour, I.; Mattiolia, E.; Duarte, L.V. & Mailliot, S. (2008). Duration of the Early Toarcian carbon isotope excursion deduced from spectral analysis: Consequence for its possible causes. Earth and Planetary Science Letters, 267 (3-4): 666-679. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2007.12.017 ; Bodin et al., 2016Bodin, S.; Krencker, F.N.; Kothe, T.; Hoffmann, R.; Mattioli, E.; Heimhofer, U. & Kabiri, L. (2016). Perturbation of the carbon cycle during the late Pliensbachian-early Toarcian: New insight from high-resolution carbon isotope records in Morocco. Journal of African Earth Sciences, 116: 89-104. https://doi.org/10.1016/j.jafrearsci.2015.12.018 ; Remírez & Algeo, 2020Remírez, M.N. & Algeo, T.J. (2020). Carbon-cycle changes during the Toarcian (Early Jurassic) and implications for regional versus global drivers of the Toarcian oceanic anoxic event. Earth-Science Reviews, 209: 103283. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103283 ). Sin embargo, a pesar de estos esfuerzos, no existe una sola respuesta para explicarlos. Por ejemplo, no se conoce con exactitud el papel de las señales orbitales en el ciclo del carbono, como en las excursiones del δ¹³C asociados con el OAE del Toarciense Inferior (Suan et al., 2008Suan, G.; Pittet, B.; Bour, I.; Mattiolia, E.; Duarte, L.V. & Mailliot, S. (2008). Duration of the Early Toarcian carbon isotope excursion deduced from spectral analysis: Consequence for its possible causes. Earth and Planetary Science Letters, 267 (3-4): 666-679. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2007.12.017 ; Storm et al., 2020Storm, M.S.; Hesselbo, S.P.; Jenkyns, H.C.; Ruhl, M.; Ullmann, C.V.; Xu, W.; Leng, M.J.; Riding, J.B. & Gorbanenko, O. (2020). Orbital pacing and secular evolution of the early jurassic carbon cycle. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117 (8): 3974-3982. https://doi.org/10.1073/pnas.1912094117 ).

Una forma de estudiar los cambios ambientales del pasado consiste en analizar las relaciones geoquímicas de isótopos estables de carbono y oxígeno de material fosilizado de macrofósiles, como las rostra de belemnites. Esta especie extinta que vivió en el Jurásico y Cretácico ha sido considerada como uno de los grupos de fósiles más adecuados para estimaciones de paleotemperaturas y paleosalinidades del océano de esa época (Podlaha et al., 1998Podlaha, O.G.; Mutterlose, J. & Veizer, J. (1998). Preservation of δ18O and δ13C in belemnite rostra from the Jurassic/Early Cretaceous successions. Americal Journal of Sciences, 298 (4): 324-347. https://doi.org/10.2475/ajs.298.4.324 ; McArthur et al., 2000McArthur, J.M.; Donovan, D.T.; Thirlwall, M.F.; Fouke, B.W. & Mattey, D. (2000). Strontium isotope profile of the early Toarcian (Jurassic) oceanic anoxic event, the duration of ammonite biozones, and belemnite palaeotemperatures. Earth and Planetary Sciences Letters, 179 (2): 269-285. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(00)00111-4 ; Jenkyns et al., 2002Jenkyns, H.C.; Jones, C.E.; Grocke, D.R.; Hesselbo, S.P. & Parkinson, D.N. (2002). Chemostratigraphy of the Jurassic System: applications, limitations and implications for palaeoceanography. Journal of the Geological Society, 159 (4): 351-378. https://doi.org/10.1144/0016-764901-130 ; McArthur et al., 2007McArthur, J.M.; Doyle, P.; Leng, M.J.; Reeves, K.; Williams, C.T.; Garcia-Sánchez, R. & Howarth, R.J. (2007). Testing palaeo-environmental proxies in Jurassic belemnites: Mg/Ca, Sr/Ca, Na/Ca, δ18O and δ13C. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 252 (3-4): 464-480. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.05.006 ; Gómez et al., 2008Gómez, J.J.; Goy, A. & Canales, M.L. (2008). Seawater temperature and carbon isotope variations in belemnites linked to mass extinction during the Toarcian (Early Jurassic) in central and Northern Spain. Comparison with other European sections. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 258 (1-2): 28-58. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.11.005 ; Armendáriz et al., 2013Armendáriz, M.; Rosales, I.; Bádenas, B.; Pinuela, L.; Aurell, M. & García-Ramos, J.C. (2013). An approach to estimate Lower Jurassic seawater oxygen-isotope composition using δ18O and Mg/Ca ratios of belemnite calcites (Early Pliensbachian, northern Spain). Terra Nova, 25 (6): 439-445. https://doi.org/10.1111/ter.12054 ; Gómez et al., 2016Gómez, J.J.; Comas-Rengifo, M.J. & Goy, A. (2016). Palaeoclimatic oscillations in the Pliensbachian (early Jurassic) of the Asturian Basin (northern Spain). Climate of the Past, 12 (5): 1199-1214. https://doi.org/10.5194/cp-12-1199-2016 ; Arabas et al., 2017Arabas, A.; Schlögl, J. & Meister, C. (2017). Early Jurassic carbon and oxygen isotope records and seawater temperature variations: Insights from marine carbonate and belemnite rostra (Pieniny Klippen Belt, Carpathians). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 485: 119-135. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2017.06.007 ). Con lo que respecta al área geográfica de este estudio, i.e., la cuenca Vasco-Cantábrica (Basque-Cantabrian Basin, BCB), Rosales et al. (2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x , 2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 , 2004bRosales, I.; Robles, S. & Quesada, S. (2004b). Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. Journal of Sedimentary Research, 74 (3): 342-354. https://doi.org/10.1306/112603740342 , 2006)Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2006). Geochemical arguments for identifying second-order sea-level changes in hemipelagic carbonate ramp deposits. Terra Nova, 18 (4): 233-240. https://doi.org/10.1111/j.1365-3121.2006.00684.x propusieron que valores medios del δ¹⁸O y δ¹³C provenientes de las rostra de belemnites podrían utilizarse a escala local o regional para hacer estimaciones de paleotemperaturas y paleosalinidades del océano, reconstrucciones de la circulación oceánica, paleo-productividad y determinar cambios en el nivel del mar durante el Jurásico Inferior. Estos estudios también sugieren que parte de la variabilidad de los valores medios del δ¹⁸O y δ¹³C podrían reflejar algún tipo de señal orbital, como los ciclos de precesión (ca. 20 Ka), oblicuidad (ca. 40 Ka) o excentricidad (ca. 100 Ka o 400 Ka), tal y como se han encontrado en otros paleoindicadores (e.g., CaCO₃, TOC, susceptibilidad magnética, entre otros) ambientales del Plienbachiense y Toarciense en diferentes zonas geográficas cercanas a la cuenca Vasco-Cantábrica (Hinnov & Park, 1999Hinnov, L.A. & Park, J.F. (1999). Strategies for assessing Early-Middle (Pliensbachian-Aalenian)-Jurassic cyclochronologies. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 357: 1831-1859. https://doi.org/10.1098/rsta.1999.0403 ; Weedon et al., 1999Weedon, G.P.; Jenkyns, H.C.; Coe, A.L. & Hesselbo, S.P. (1999). Astronomical calibration of the Jurassic time-scale from cyclostratigraphy in British mudrock formations. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 357: 1787-1813. https://doi.org/10.1098/rsta.1999.0401 ; Weedon & Jenkyns, 1999Weedon, G.P. & Jenkyns, H.C. (1999). Cyclostratigraphy and the Early Jurassic timescale: Data from the Belemnite Marls, Dorset, southern England. The Geological Society of America Bulletin, 111: 1823-1840. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1999)111<1823:CATEJT>2.3.CO;2 ; Suan et al., 2008Suan, G.; Pittet, B.; Bour, I.; Mattiolia, E.; Duarte, L.V. & Mailliot, S. (2008). Duration of the Early Toarcian carbon isotope excursion deduced from spectral analysis: Consequence for its possible causes. Earth and Planetary Science Letters, 267 (3-4): 666-679. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2007.12.017 ; Kemp et al., 2011Kemp, D.B.; Coe, A.L., Cohen, A.S. & Weedon, G.P. (2011). Astronomical forcing and chronology of the early Toarcian (Early Jurassic) oceanic anoxic event in Yorkshire, UK. Paleoceanography, 26 (4): PA4210. https://doi.org/10.1029/2011PA002122 ; Bádenas et al., 2012Bádenas, B.; Aurell, M.; Armendáriz, M., Rosales, I.; García-Ramos, J.C. & Piñuela, L. (2012). Sedimentary and chemostratigraphic record of climatic cycles in Lower Pliensbachian marl-limestone platform successions of Asturias (North Spain). Sedimentary Geology, 281: 119-138. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2012.08.010 ; Storm et al., 2020Storm, M.S.; Hesselbo, S.P.; Jenkyns, H.C.; Ruhl, M.; Ullmann, C.V.; Xu, W.; Leng, M.J.; Riding, J.B. & Gorbanenko, O. (2020). Orbital pacing and secular evolution of the early jurassic carbon cycle. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117 (8): 3974-3982. https://doi.org/10.1073/pnas.1912094117 ).

Una herramienta adecuada para la búsqueda de ciclos orbitales en series temporales paleoclimáticas es el análisis espectral (Schulz & Stattegger, 1997Schulz, M. & Stattegger, K. (1997). SPECTRUM: Spectral analysis of unevenly spaced paleoclimatic time series. Computers & Geosciences, 23 (9): 929-945. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(97)00087-3 ; Weedon, 2003Weedon, G.P. (2003). Time-series analysis and cyclostratigraphy: examining stratigraphic records of environmental cycles. Cambridge Univ Press, Cambridge. https://doi.org/10.1017/CBO9780511535482 ; Pardo-Iguzquiza & Rodríguez-Tovar, 2011Pardo-Iguzquiza, E. & Rodríguez-Tovar, F.J. (2011). Implemented Lomb-Scargle periodogram: a valuable tool for improving cyclostratigraphic research on unevenly sampled deep-sea stratigraphic sequences. Geo-Marine Letters, 31(5): 537-545. https://doi.org/10.1007/s00367-011-0247-x , 2012Pardo-Igúzquiza, E. & Rodríguez-Tovar, F.J. (2012). Spectral and cross-spectral analysis of uneven time series with the smoothed Lomb-Scargle periodogram and Monte Carlo evaluation of statistical significance. Computers & Geosciences, 49: 207-216. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2012.06.018 , 2013Pardo-Igúzquiza E. & Rodríguez-Tovar F.J. (2013). Análisis espectral de series temporales de variables geológicas con muestreo irregular. Boletín Geológico y Minero, 124 (3): 323-337.; Medina-Elizalde et al., 2016Medina-Elizalde, M.; Polanco-Martínez, J.M.; Lases-Hernández, F.; Bradley, R. & Burns, S. (2016). Testing the “tropical storm” hypothesis of Yucatan Peninsula climate variability during the Maya Terminal Classic Period. Quaternary Research, 86 (2): 111-119. https://doi.org/10.1016/j.yqres.2016.05.006 ; Oliveira et al., 2017Oliveira, D.; Sánchez Goñi, M.F.; Naughton, F.; Polanco-Martínez, J.; Jimenez-Espejo, F.J.; Grimalt, J.O.; Martrat, B.; Voelker, A.H.; Trigo, R. & Hodell, D.; Abrantes F.; & Desprat, S. (2017). Unexpected weak seasonal climate in the western Mediterranean region during MIS 31, a high-insolation forced interglacial. Quaternary Science Reviews, 161: 1-17. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2017.02.013 ). Esta búsqueda es relativamente sencilla cuando las series provienen de material fosilizado con alta resolución espacio-temporal de muestreo (como las series de CaCO₃) (Weedon & Jenkyns, 1999Weedon, G.P. & Jenkyns, H.C. (1999). Cyclostratigraphy and the Early Jurassic timescale: Data from the Belemnite Marls, Dorset, southern England. The Geological Society of America Bulletin, 111: 1823-1840. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1999)111<1823:CATEJT>2.3.CO;2 ; Weedon, 2003Weedon, G.P. (2003). Time-series analysis and cyclostratigraphy: examining stratigraphic records of environmental cycles. Cambridge Univ Press, Cambridge. https://doi.org/10.1017/CBO9780511535482 ). Sin embargo, esta búsqueda es más complicada cuando las series provienen de material marino calcáreo fosilizado (como las rostra de belemnites), porque existe un cierto grado de aleatoriedad en la localización espacial de las muestras, lo cual a su vez es debido al modo de vida de los belemnites (Podlaha, et al., 1998Podlaha, O.G.; Mutterlose, J. & Veizer, J. (1998). Preservation of δ18O and δ13C in belemnite rostra from the Jurassic/Early Cretaceous successions. Americal Journal of Sciences, 298 (4): 324-347. https://doi.org/10.2475/ajs.298.4.324 ; Weedon, 2003Weedon, G.P. (2003). Time-series analysis and cyclostratigraphy: examining stratigraphic records of environmental cycles. Cambridge Univ Press, Cambridge. https://doi.org/10.1017/CBO9780511535482 ; Rexfort & Mutterlose, 2006Rexfort, A. & Mutterlose, J. (2006). Stable isotope records from Sepia officinalis - a key to understanding the ecology of belemnites? Earth and Planetary Sciences Letters, 30: 212-221. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.04.025 ; Nava, 2010Nava, A. (2010). Fourier spectral analysis for unevenly spaced, average value, data. Computers & Geosciences, 36 (7): 853-860. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2009.12.002 ). Por esta razón, las series temporales creadas con estos materiales no suelen estar equiespaciadas temporalmente, incluso, pueden presentar grandes diferencias espacio-temporales entre las muestras (Weedon, 2003Weedon, G.P. (2003). Time-series analysis and cyclostratigraphy: examining stratigraphic records of environmental cycles. Cambridge Univ Press, Cambridge. https://doi.org/10.1017/CBO9780511535482 ; Nava, 2010Nava, A. (2010). Fourier spectral analysis for unevenly spaced, average value, data. Computers & Geosciences, 36 (7): 853-860. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2009.12.002 ).

Una posible solución para enfrentar el carácter no equiespaciado de las series temporales paleoclimáticas es interpolar en el tiempo y, así, obtener una serie temporal equiespaciada. Sin embargo, la interpolación implica un conocimiento previo del comportamiento de la variable de estudio, y suaviza los datos de tal modo que al calcular el espectro puede suprimir información espectral en las altas frecuencias (Schulz & Stattegger, 1997Schulz, M. & Stattegger, K. (1997). SPECTRUM: Spectral analysis of unevenly spaced paleoclimatic time series. Computers & Geosciences, 23 (9): 929-945. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(97)00087-3 ; Schulz & Mudelsee, 2002Schulz, M. & Mudelsee, M. (2002). REDFIT: Estimating red-noise spectra directly from unevenly spaced paleoclimatic time series. Computers & Geosciences, 28 (3): 421-426. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(01)00044-9 ; Pardo-Iguzquiza & Rodríguez-Tovar, 2012Pardo-Igúzquiza, E. & Rodríguez-Tovar, F.J. (2012). Spectral and cross-spectral analysis of uneven time series with the smoothed Lomb-Scargle periodogram and Monte Carlo evaluation of statistical significance. Computers & Geosciences, 49: 207-216. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2012.06.018 ; Polanco-Martínez, 2014Polanco-Martínez, J.M. (2014). Estimación espectral de datos ambientales no equiespaciados vía el periodograma suavizado de Lomb-Scargle. Una breve revisión. Analítika: revista de análisis estadístico, 8 (2): 7-23.; Polanco-Martínez & Faria, 2018Polanco-Martínez, J.M. & Faria, S. (2018). Estimation of the significance of the Foster’s wavelet spectrum by means of a permutation test and its application for paleoclimate records. Boletín Geológico y Minero, 129 (3): 549-564. https://doi.org/10.21701/bolgeomin.129.3.006 ). Otra solución consiste en utilizar métodos de análisis espectral que puedan aplicarse directamente (sin previa interpolación en el tiempo) a las series temporales paleoclimáticas, tales como el periodograma suavizado de Lomb-Scargle (Lomb 1976Lomb, N.R. (1976). Least-squares frequency analysis of unequally spaced data. Astrophysics and Space Sciences, 39 (2): 447-462 https://doi.org/10.1007/BF00648343 ; Scargle 1982Scargle, J. D. (1982). Studies in astronomical time series analysis. II- Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data. The Astrophysical Journal, 263: 835-853. https://doi.org/10.1086/160554 , 1989Scargle, J.D. (1989). Studies in astronomical time series analysis. III- Fourier transforms, autocorrelation functions, and cross-correlation functions of unevenly spaced data. The Astrophysical Journal, 343: 874-887. https://doi.org/10.1086/167757 ; Schulz & Stattegger, 1997Schulz, M. & Stattegger, K. (1997). SPECTRUM: Spectral analysis of unevenly spaced paleoclimatic time series. Computers & Geosciences, 23 (9): 929-945. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(97)00087-3 ; Schulz & Mudelsee, 2002Schulz, M. & Mudelsee, M. (2002). REDFIT: Estimating red-noise spectra directly from unevenly spaced paleoclimatic time series. Computers & Geosciences, 28 (3): 421-426. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(01)00044-9 ; Pardo-Igúzquiza & Rodríguez-Tovar 2011Pardo-Iguzquiza, E. & Rodríguez-Tovar, F.J. (2011). Implemented Lomb-Scargle periodogram: a valuable tool for improving cyclostratigraphic research on unevenly sampled deep-sea stratigraphic sequences. Geo-Marine Letters, 31(5): 537-545. https://doi.org/10.1007/s00367-011-0247-x ; 2012Pardo-Igúzquiza, E. & Rodríguez-Tovar, F.J. (2012). Spectral and cross-spectral analysis of uneven time series with the smoothed Lomb-Scargle periodogram and Monte Carlo evaluation of statistical significance. Computers & Geosciences, 49: 207-216. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2012.06.018 ; 2013Pardo-Igúzquiza E. & Rodríguez-Tovar F.J. (2013). Análisis espectral de series temporales de variables geológicas con muestreo irregular. Boletín Geológico y Minero, 124 (3): 323-337.; Polanco-Martínez, 2014Polanco-Martínez, J.M. (2014). Estimación espectral de datos ambientales no equiespaciados vía el periodograma suavizado de Lomb-Scargle. Una breve revisión. Analítika: revista de análisis estadístico, 8 (2): 7-23.). No obstante, en algunos casos, como en el de las series temporales de los valores isotópicos utilizadas en este estudio, las diferencias entre los tiempos de una serie temporal son mucho más grandes que la escala de las mayores oscilaciones de la señal que se espera encontrar. Entonces, ni la interpolación ni los métodos especiales de análisis espectral pueden ser de mucha ayuda (Weedon, 2003Weedon, G.P. (2003). Time-series analysis and cyclostratigraphy: examining stratigraphic records of environmental cycles. Cambridge Univ Press, Cambridge. https://doi.org/10.1017/CBO9780511535482 ; Polanco-Martínez, 2012Polanco-Martínez, J.M. (2012). Aplicación de técnicas estadísticas en el estudio de fenómenos ambientales y ecosistémicos. Tesis doctoral, Universidad del País Vasco, 208 pp.). Una posible solución consiste en partir la serie original en trozos más cortos, utilizando como punto de corte los tiempos que superan las mayores oscilaciones esperadas (Weedon, 2003Weedon, G.P. (2003). Time-series analysis and cyclostratigraphy: examining stratigraphic records of environmental cycles. Cambridge Univ Press, Cambridge. https://doi.org/10.1017/CBO9780511535482 ).

Otro factor que puede complicar el análisis espectral de series temporales cortas y no equiespaciadas temporalmente, como las series de δ¹⁸O y δ¹³C de los belemnites en este estudio, es la presencia de ruido. Se sabe que los paleoindicadores ambientales provenientes de belemnites (e.g., δ¹⁸O y δ¹³C) contienen ruido (Podlaha, et al., 1998Podlaha, O.G.; Mutterlose, J. & Veizer, J. (1998). Preservation of δ18O and δ13C in belemnite rostra from the Jurassic/Early Cretaceous successions. Americal Journal of Sciences, 298 (4): 324-347. https://doi.org/10.2475/ajs.298.4.324 ; McArthur et al., 2007McArthur, J.M.; Doyle, P.; Leng, M.J.; Reeves, K.; Williams, C.T.; Garcia-Sánchez, R. & Howarth, R.J. (2007). Testing palaeo-environmental proxies in Jurassic belemnites: Mg/Ca, Sr/Ca, Na/Ca, δ18O and δ13C. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 252 (3-4): 464-480. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.05.006 ). Este ruido puede representar cambios en los procesos ambientales ocurridos en el pasado (frecuentemente de corto periodo) en especies de belemnites adaptables a estos cambios (i.e., especies que no hayan migrado como una respuesta a estos cambios). Sin embargo, también pueden reflejar el rango espacial, vertical (profundidad oceánica) y lateral (geográfico) del hábitat de los belemnites, incluso pueden reflejar el efecto vital de las especies, del género o la edad biológica del belemnite (Podlaha, et al., 1998Podlaha, O.G.; Mutterlose, J. & Veizer, J. (1998). Preservation of δ18O and δ13C in belemnite rostra from the Jurassic/Early Cretaceous successions. Americal Journal of Sciences, 298 (4): 324-347. https://doi.org/10.2475/ajs.298.4.324 ; McArthur et al., 2007McArthur, J.M.; Doyle, P.; Leng, M.J.; Reeves, K.; Williams, C.T.; Garcia-Sánchez, R. & Howarth, R.J. (2007). Testing palaeo-environmental proxies in Jurassic belemnites: Mg/Ca, Sr/Ca, Na/Ca, δ18O and δ13C. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 252 (3-4): 464-480. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.05.006 ).

Teniendo en consideración varias de las características de las series temporales de paleoindicadores provenientes de los belemnites del jurásico Inferior. Este trabajo tiene el objetivo de averiguar si los valores medios del δ¹⁸O y del δ¹³C de los belemnites de la cuenca Vasco-Cantábrica (Rosales et al., 2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x , 2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 , 2004bRosales, I.; Robles, S. & Quesada, S. (2004b). Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. Journal of Sedimentary Research, 74 (3): 342-354. https://doi.org/10.1306/112603740342 ) pudieron haber registrado algún tipo de evento periódico relacionado con los ciclos orbitales de la Tierra a pesar del ruido contenido en estos isótopos estables y a las limitaciones impuestas por la componente estocástica en el muestreo de los belemnites. Cabe mencionar que hasta donde se sabe, es la primera vez que se analizan series temporales en el dominio de la frecuencia de valores medios de δ¹⁸O o de δ¹³C obtenidos de la rostra fosilizada de belemnites. Especial énfasis se hace en la búsqueda de los ciclos de excentricidad de largo periodo localizado ca. 400 Ka y el de más corto periodo ca. 100 Ka (Berger & Loutre, 2004Berger, A. & Loutre, M.F. (2004). Astronomical theory of climate change. Journal of Physics IV France, 121: 1-35. https://doi.org/10.1051/jp4:2004121001 ; Laskar et al., 2004Laskar, J.; Robutel, P.; Joutel, F.; Gastineau, M.; Correia, A.C.M. & Levrard, B. (2004). A long-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth. Astronomy & Astrophysics, 428: 261-285. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20041335 ; Crucifix et al., 2006Crucifix, M.; Loutre, M.-F. & Berger, A. (2006). The climate response to the astronomical forcing. Space Science Reviews, 125 (1-4): 213-226. https://doi.org/10.1007/s11214-006-9058-1 ; Laskar et al., 2011Laskar, J.; Fienga, A.; Gastineau, M. & Manche, H. (2011). La2010: a new orbital solution for the long-term motion of the Earth. Astronomy & Astrophysics, 532: A89. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201116836 ), porque se sabe que el ciclo de los 400 Ka ha permanecido invariable desde el Mesozoico hasta el presente (Laskar et al., 2004Laskar, J.; Robutel, P.; Joutel, F.; Gastineau, M.; Correia, A.C.M. & Levrard, B. (2004). A long-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth. Astronomy & Astrophysics, 428: 261-285. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20041335 ; Hinnov & Ogg, 2007Hinnov, L.A. & Ogg, J.G. (2007). Cyclostratigraphy and the Astronomical Time Scale. Stratigraphy, 4 (2-3): 239-251.; Laskar et al., 2011Laskar, J.; Fienga, A.; Gastineau, M. & Manche, H. (2011). La2010: a new orbital solution for the long-term motion of the Earth. Astronomy & Astrophysics, 532: A89. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201116836 ) y porque estos dos ciclos han sido identificados en registros estratigráficos del Mesozoico recolectados en diferentes áreas geográficas (Olsen, 1986Olsen, P.E. (1986). A 40-million-year lake record of early mesozoic orbital climatic forcing. Science, 234 (4778): 842-848. https://doi.org/10.1126/science.234.4778.842 ; Weedon, 1989Weedon, G.P. (1989). The detection and illustration of regular sedimentary cycles using Walsh power spectra and filtering, with examples from the Lias of Switzerland. Journal of the Geological Sociery, 146 (1): 133-144. https://doi.org/10.1144/gsjgs.146.1.0133 ; Olsen & Kent, 1996Olsen, P.E. & Kent, D.V. (1996). Milankovitch climate forcing in the tropics of Pangea during the Late Triassic. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 122 (1-4): 1-26. https://doi.org/10.1016/0031-0182(95)00171-9 , Olsen & Kent 1999Olsen, P.E. & Kent, D.V. (1999). Long-period Milankovitch cycles from the Late Triassic and Early Jurassic of eastern North America and their implications for the calibration of the Early Mesozoic time-scale and the long-term behaviour of the planets. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 357: 1761-1786. https://doi.org/10.1098/rsta.1999.0400 ; Weedon et al., 1999Weedon, G.P.; Jenkyns, H.C.; Coe, A.L. & Hesselbo, S.P. (1999). Astronomical calibration of the Jurassic time-scale from cyclostratigraphy in British mudrock formations. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 357: 1787-1813. https://doi.org/10.1098/rsta.1999.0401 ; Weedon & Jenkyns, 1999Weedon, G.P. & Jenkyns, H.C. (1999). Cyclostratigraphy and the Early Jurassic timescale: Data from the Belemnite Marls, Dorset, southern England. The Geological Society of America Bulletin, 111: 1823-1840. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1999)111<1823:CATEJT>2.3.CO;2 ; Suan et al., 2008Suan, G.; Pittet, B.; Bour, I.; Mattiolia, E.; Duarte, L.V. & Mailliot, S. (2008). Duration of the Early Toarcian carbon isotope excursion deduced from spectral analysis: Consequence for its possible causes. Earth and Planetary Science Letters, 267 (3-4): 666-679. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2007.12.017 ; Kemp et al., 2011Kemp, D.B.; Coe, A.L., Cohen, A.S. & Weedon, G.P. (2011). Astronomical forcing and chronology of the early Toarcian (Early Jurassic) oceanic anoxic event in Yorkshire, UK. Paleoceanography, 26 (4): PA4210. https://doi.org/10.1029/2011PA002122 ; Storm et al., 2020Storm, M.S.; Hesselbo, S.P.; Jenkyns, H.C.; Ruhl, M.; Ullmann, C.V.; Xu, W.; Leng, M.J.; Riding, J.B. & Gorbanenko, O. (2020). Orbital pacing and secular evolution of the early jurassic carbon cycle. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117 (8): 3974-3982. https://doi.org/10.1073/pnas.1912094117 ).

Para poder llevar a cabo este objetivo, se ha utilizado una técnica no estándar de análisis espectral conocida como el periodograma suavizado de Lomb-Scargle (Lomb, 1976Lomb, N.R. (1976). Least-squares frequency analysis of unequally spaced data. Astrophysics and Space Sciences, 39 (2): 447-462 https://doi.org/10.1007/BF00648343 ; Scargle, 1982Scargle, J. D. (1982). Studies in astronomical time series analysis. II- Statistical aspects of spectral analysis of unevenly spaced data. The Astrophysical Journal, 263: 835-853. https://doi.org/10.1086/160554 , 1989Scargle, J.D. (1989). Studies in astronomical time series analysis. III- Fourier transforms, autocorrelation functions, and cross-correlation functions of unevenly spaced data. The Astrophysical Journal, 343: 874-887. https://doi.org/10.1086/167757 ). Este técnica se aplica de modo directo a series temporales no equiespaciadas en el tiempo y está implementado en el paquete computacional REDFIT (Schulz & Mudelsee, 2002Schulz, M. & Mudelsee, M. (2002). REDFIT: Estimating red-noise spectra directly from unevenly spaced paleoclimatic time series. Computers & Geosciences, 28 (3): 421-426. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(01)00044-9 ), el cual tiene en cuenta el tipo de ruido de fondo (“rojo”) de las series (paleo)climáticas (Gilman et al., 1963Gilman, D.L.; Fuglister, F.J. & Mitchell Jr, J.M. (1963). On the power spectrum of “red noise”. Journal of Atmospheric Sciences, 20 (2): 182-184. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1963)020<0182:OTPSON>2.0.CO;2 ; Hasselmann, 1976Hasselmann, K. (1976). Stochastic climate models Part I. Theory. Tellus, 28 (6): 473-485. https://doi.org/10.3402/tellusa.v28i6.11316 ; Schulz & Mudelsee, 2002Schulz, M. & Mudelsee, M. (2002). REDFIT: Estimating red-noise spectra directly from unevenly spaced paleoclimatic time series. Computers & Geosciences, 28 (3): 421-426. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(01)00044-9 ; Weedon, 2003Weedon, G.P. (2003). Time-series analysis and cyclostratigraphy: examining stratigraphic records of environmental cycles. Cambridge Univ Press, Cambridge. https://doi.org/10.1017/CBO9780511535482 ). Existen también otros paquetes computacionales para estimar el espectro suavizado mediante el periodograma de Lomb-Scargle, tal como SLOMB (Pardo-Iguzquiza & Rodríguez-Tovar, 2011Pardo-Iguzquiza, E. & Rodríguez-Tovar, F.J. (2011). Implemented Lomb-Scargle periodogram: a valuable tool for improving cyclostratigraphic research on unevenly sampled deep-sea stratigraphic sequences. Geo-Marine Letters, 31(5): 537-545. https://doi.org/10.1007/s00367-011-0247-x , 2012Pardo-Igúzquiza, E. & Rodríguez-Tovar, F.J. (2012). Spectral and cross-spectral analysis of uneven time series with the smoothed Lomb-Scargle periodogram and Monte Carlo evaluation of statistical significance. Computers & Geosciences, 49: 207-216. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2012.06.018 ). En este trabajo también se presenta una novel y sencilla aproximación para tener en cuenta la componente aleatoria en la estimación del espectro debido a los errores de datación de las muestras de belemnites.

Material y métodos

Marco geológico

 ⌅

Hace unos 183 millones de años la distribución física (continentes y océanos) de la Tierra era muy diferente a la de hoy en día. De acuerdo a reconstrucciones paleocontinentales realizadas por Ziegler (1982) y Baudin et al. (1990)Baudin, F.; Herbin, J.P.; Bassoullet, J.P.; Dercourt, J.; Lachkar, G.; Manivit, H. & Renard, M. (1990). Distribution of organic matter during the Toarcian in the Mediterranean Tethys and Middle East. American Association of Petroleum Geologists, Tulsa, Oklahoma, USA. https://doi.org/10.1306/St30517C6 para el Jurásico Inferior, la cuenca Vasco-Cantábrica (Figura 1A) estuvo localizada en un mar epicontinental, limitada al norte por el macizo Armoricano y al sur por el macizo Ibérico, y conectaba el mar Boreal del norte con el océano Tethys del sur (Decourt 1993Decourt, J.; Ricou, L.E. & Vrielynck, B. (1993). Atlas Tethys Palaeoenvironmental Maps. Gauthier-Vollars, Paris, France.; Rosales et al 2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 ). Las muestras fosilizadas de rostra de belemnites fueron colectadas por Rosales et al. (2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x , 2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 , 2004b)Rosales, I.; Robles, S. & Quesada, S. (2004b). Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. Journal of Sedimentary Research, 74 (3): 342-354. https://doi.org/10.1306/112603740342 en la cuenca Vasco-Cantábrica, norte de España (Figura 1 B) y aunque consisten de unas 200 muestras, éstas se redujeron a 176 debido a que son las que no presentaron efectos diagenéticos (Rosales et al. 2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x , 2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 , 2004bRosales, I.; Robles, S. & Quesada, S. (2004b). Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. Journal of Sedimentary Research, 74 (3): 342-354. https://doi.org/10.1306/112603740342 ). Estas muestras forman una sección compuesta que abarca 9.6 Ma (de 191.60 a 182.00 Ma) y pertenecen principalmente al Plienbachiense (90% de los datos) y al Toarciense Inferior (Figura 1B). El muestreo fue realizado por Rosales et al. (2004a)Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 de acuerdo con Braga et al. (1988)Braga, J.C.; Comas-Rengifo, M.J.; Goy, A.; Rivas, P. & Yebenes, A. (1988). El lias inferior y medio en zona central de la Cuenca Vasco-Cantabrica (Camino, Santander). III Coloquio de Estratigrafía y Paleontología del Jurásico de España, Logroño, 17-43. y Comas-Rengifo et al. (1988)Comas-Rengifo, M.J.; Goy, A.; Rivas, P. & Yebenes, A. (1988). El Toarciense en Castillo Pedroso (Santander). III Coloquio de Estratigrafía y Paleontología del Jurásico de España, Logroño, 63-71. en intervalos estratigráficos de 0.2-5 m y fue calibrado contra bioestratigrafía disponible basada en biozonas de amonites. La edad de las muestras en la misma sucesión fue estimada mediante análisis bioestratigráfico por Rosales et al. (2004a)Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 y está basada en la duración de cada zona y sub-zona de amonites (considerando la tasa de sedimentación constante para cada una de ellas) calculadas desde la razón de cambio del ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr con edades basadas en McArthur et al. (2000McArthur, J.M.; Donovan, D.T.; Thirlwall, M.F.; Fouke, B.W. & Mattey, D. (2000). Strontium isotope profile of the early Toarcian (Jurassic) oceanic anoxic event, the duration of ammonite biozones, and belemnite palaeotemperatures. Earth and Planetary Sciences Letters, 179 (2): 269-285. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(00)00111-4 , 2001)McArthur, J.M.; Howarth, R.J. & Bailey, T.R. (2001). Strontium Isotope Stratigraphy: LOWESS version 3: Best Fit to the Marine Sr-Isotope Curve for 0-509 Ma and Accompanying Look-up Table for Deriving Numerical Age. The Journal of Geology, 109: 155-170. https://doi.org/10.1086/319243 y como tie points edades radiométricas de Pálfy et al. (2000)Pálfy, J.; Smith, P.L. & Mortensen, J.K. (2000). A U-Pb and 40 Ar/39 Ar time scale for the Jurassic. Canadian Journal of Earth Sciences, 37 (6): 923-944. https://doi.org/10.1139/e00-002 . Para más detalles sobre la cronología puede consultarse Rosales et al. (2004a)Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 .

Figura 1.  A) Paleogeografía del Jurásico Inferior de la región noroeste de Europa. Modificado a partir de Ziegler (1990)Ziegler, P. A. (1990). Geological atlas of western and central Europe. Shell Internationale Petroleum Maatschappij B.V., The Hague, 239 pp. y Baudin et al. (1990)Baudin, F.; Herbin, J.P.; Bassoullet, J.P.; Dercourt, J.; Lachkar, G.; Manivit, H. & Renard, M. (1990). Distribution of organic matter during the Toarcian in the Mediterranean Tethys and Middle East. American Association of Petroleum Geologists, Tulsa, Oklahoma, USA. https://doi.org/10.1306/St30517C6 . La región de estudio, la cuenca Vasco-Cantábrica (BCB), estuvo localizada entre 20 y 30º latitud Norte. ARM y IB son los macizos Armoricano e Ibérico y TLS es el Transcontinental Laurasian Seaway. B) Representación geográfica-geológica y sección estratigráfica simplificada del área donde las rostra de belemnites fueron recolectadas, la BCB (Norte de España). Tomada y modificada de Rosales et al. (2004a)Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 .

Series temporales de valores medios de δ¹⁸O y δ¹³C

 ⌅

En las figuras 2A y 2B se presentan las series temporales de los valores medios (se usan valores medios porque en una misma capa pueden haber varias partes fosilizadas de un rostrum de belemnites o varias muestras de diferentes especies de belemnites) de δ¹⁸O (Rosales et al., 2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 ) y de δ¹³C (Rosales et al., 2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x , 2004bRosales, I.; Robles, S. & Quesada, S. (2004b). Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. Journal of Sedimentary Research, 74 (3): 342-354. https://doi.org/10.1306/112603740342 ) provenientes de las muestras de belemnites de la cuenca Vasco Cantábrica. Las áreas grises representan eventos oceánicos anóxicos (OAE) y las líneas verticales discontinuas indican el intervalo temporal donde se aplica el análisis espectral. Debido a que hay muy pocas muestras de belemnites en las biozonas jamesoni y serpentinus, y para satisfacer la propiedad de estacionariedad, ambas series temporales han sido recortadas para formar una sección que va de 188.68 a 183.36 Ma. La sección abarca unos 5.3 Ma y contiene 81 elementos. Las series temporales de los valores medios de δ¹⁸O y δ¹³C no han sido interpoladas en el tiempo y no se ha aplicado ningún tipo de orbital tuning. La razón para ello es que el orbital tuning puede introducir razonamiento circular en el análisis de resultados y porque los periodos (ciclos) utilizados como objetivos para hacer el tuning, muchas veces están basados en propiedades espectrales de una serie de tiempo más que en los procesos físicos envueltos en su generación (Huybers & Wunsch, 2004Huybers, P.J. & Wunsch, C. (2004). A Depth-Derived Pleistocene Age-Model: Uncertainty Estimates, Sedimentation Variability, and Nonlinear Climate Change. Paleoceanography, 19: 1-24. https://doi.org/10.1029/2002PA000857 ; Lisiecki, 2005Lisiecki, L. (2005). Paleoclimate time series: New alignment and compositing techniques, a 5.3-Myr benthic δ18O stack, and analysis of Pliocene-Plesitocene climate transitions. Ph.D. thesis, Brown University, USA, 106 pp.; Blaauw, 2012Blaauw, M. (2012). Out of tune: the dangers of aligning proxy archives. Quaternary Science Reviews, 36: 38-49. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2010.11.012 ).

Figura 2.  Series temporales no equiespaciadas en el tiempo de valores medios de δ18O ‰ PDB (A) (Rosales et al., 2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 ) y de δ13C‰ PDB (B) (Rosales et al., 2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x , 2004bRosales, I.; Robles, S. & Quesada, S. (2004b). Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. Journal of Sedimentary Research, 74 (3): 342-354. https://doi.org/10.1306/112603740342 ) de las rostra de belemnites del Jurásico Inferior. Las áreas grises representan eventos oceánicos anóxicos (OAE) y las líneas verticales discontinuas indican el intervalo temporal donde se aplica el análisis espectral (N = 81 datos). Fuente: elaboración propia.

Resultados y discusión

Los resultados obtenidos después de aplicar análisis espectral por medio del periodograma suavizado (con 8 grados de libertad) de Lomb-Scargle a los valores medios de δ¹⁸O y δ¹³C y teniendo en cuenta los errores de datación de las muestras de los belemnites se muestran en la Figura 3. Los picos espectrales que superan el espectro asociado a un ruido de tipo rojo con un nivel de confianza del 95 % están localizados ca. 1.3 Ma para el δ¹⁸O y ca. 2.1 Ma y ca. 109 Ka para el δ¹³C.

Los valores medios de δ¹⁸O y δ¹³C provenientes de carbonatos marinos, como las rostra de belemnites, pueden estar influenciados principalmente por los siguientes factores: procesos diagénicos, procesos fracciónales biogénicos, variaciones isotópicas intra-especimen e inter-especimen y factores ambientales (Podlaha et al., 1998Podlaha, O.G.; Mutterlose, J. & Veizer, J. (1998). Preservation of δ18O and δ13C in belemnite rostra from the Jurassic/Early Cretaceous successions. Americal Journal of Sciences, 298 (4): 324-347. https://doi.org/10.2475/ajs.298.4.324 ; McArthur et al., 2000McArthur, J.M.; Donovan, D.T.; Thirlwall, M.F.; Fouke, B.W. & Mattey, D. (2000). Strontium isotope profile of the early Toarcian (Jurassic) oceanic anoxic event, the duration of ammonite biozones, and belemnite palaeotemperatures. Earth and Planetary Sciences Letters, 179 (2): 269-285. https://doi.org/10.1016/S0012-821X(00)00111-4 ; Rosales et al., 2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x ; Rosales et al., 2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 ; McArthur et al., 2007McArthur, J.M.; Doyle, P.; Leng, M.J.; Reeves, K.; Williams, C.T.; Garcia-Sánchez, R. & Howarth, R.J. (2007). Testing palaeo-environmental proxies in Jurassic belemnites: Mg/Ca, Sr/Ca, Na/Ca, δ18O and δ13C. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 252 (3-4): 464-480. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.05.006 ; Gomez et al., 2008Gómez, J.J.; Goy, A. & Canales, M.L. (2008). Seawater temperature and carbon isotope variations in belemnites linked to mass extinction during the Toarcian (Early Jurassic) in central and Northern Spain. Comparison with other European sections. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 258 (1-2): 28-58. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.11.005 , 2016Gómez, J.J.; Comas-Rengifo, M.J. & Goy, A. (2016). Palaeoclimatic oscillations in the Pliensbachian (early Jurassic) of the Asturian Basin (northern Spain). Climate of the Past, 12 (5): 1199-1214. https://doi.org/10.5194/cp-12-1199-2016 ; Immenhauser et al., 2016Immenhauser, A.; Schoene, B.R.; Hoffmann, R. & Niedermayr, A. (2016). Mollusc and brachiopod skeletal hard parts: intricate archives of their marine environment. Sedimentology, 63(1): 1-59. https://doi.org/10.1111/sed.12231 ; Arabas et al., 2017Arabas, A.; Schlögl, J. & Meister, C. (2017). Early Jurassic carbon and oxygen isotope records and seawater temperature variations: Insights from marine carbonate and belemnite rostra (Pieniny Klippen Belt, Carpathians). Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 485: 119-135. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2017.06.007 ). El primer factor en nuestro estudio, puede ser descartado como la principal causa, porque las muestras de belemnites utilizadas para obtener los valores isotópicos medios de δ¹⁸O y δ¹³C fueron previamente verificadas por Rosales et al. (2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 ,b)Rosales, I.; Robles, S. & Quesada, S. (2004b). Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. Journal of Sedimentary Research, 74 (3): 342-354. https://doi.org/10.1306/112603740342 ante posibles efectos de alteración diagénica. El grado de alteración diagénica de las belemenites fue realizado mediante la aplicación de técnicas petrográficas y de catodoluminisencia así como análisis geoquímico y fue llevado a cabo por Rosales et a. (2004b)Rosales, I.; Robles, S. & Quesada, S. (2004b). Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. Journal of Sedimentary Research, 74 (3): 342-354. https://doi.org/10.1306/112603740342 siguiendo el trabajo de Rosales et al. (2001)Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x .

El segundo factor, i.e., los efectos vitales, son más difíciles de cuantificar porque los belemnites son organismos extintos (Rosales et al., 2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x ; Rexfort & Mutterlose, 2006Rexfort, A. & Mutterlose, J. (2006). Stable isotope records from Sepia officinalis - a key to understanding the ecology of belemnites? Earth and Planetary Sciences Letters, 30: 212-221. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.04.025 ; McArthur et al., 2007McArthur, J.M.; Doyle, P.; Leng, M.J.; Reeves, K.; Williams, C.T.; Garcia-Sánchez, R. & Howarth, R.J. (2007). Testing palaeo-environmental proxies in Jurassic belemnites: Mg/Ca, Sr/Ca, Na/Ca, δ18O and δ13C. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 252 (3-4): 464-480. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.05.006 ; Benito et al., 2016Benito, M.I.; Reolid, M. & Viedma, C. (2016). On the microstructure, growth pattern and original porosity of belemnite rostra: insights from calcitic Jurassic belemnites. Journal of Iberian Geology, 42 (2): 201-226.; Immenhauser et al., 2016Immenhauser, A.; Schoene, B.R.; Hoffmann, R. & Niedermayr, A. (2016). Mollusc and brachiopod skeletal hard parts: intricate archives of their marine environment. Sedimentology, 63(1): 1-59. https://doi.org/10.1111/sed.12231 ; Hoffmann & Stevens, 2020Hoffmann, R. & Stevens, K. (2020). The palaeobiology of belemnites-foundation for the interpretation of rostrum geochemistry. Biological Reviews, 95 (1): 94-123. https://doi.org/10.1111/brv.12557 ). Sin embargo, a pesar de que en este trabajo no es posible abordar este punto, si deberían de ser tenidos en consideración al analizar paleoindicadores que provienen de partes fosilizadas de belemnites. Estudios previos han demostrado que las muestras de belemnites provenientes de diferentes lugares y edades no se agrupan isotópicamente de acuerdo a las especies, por ello, es poco probable que exhiban efectos vitales (Sælen et al., 1996Sælen, G.; Doyle, P. & Talbot, M.R. (1996). Stable-isotope analyses of belemnite rostra from the Whitby Mudstone, England: surface water conditions during deposition of a marine black shale. Palaios, 11 (2): 97-117. https://doi.org/10.2307/3515065 ; Rosales et al., 2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x ). Por otro lado, se sabe que los belemnites tenían cierto parecido a los actuales cefalópodos (Rosales et al., 2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x ; Wierzbowski, 2004Wierzbowski, H. (2004). Carbon and oxygen isotope composition of Oxfordian Early Kimmeridgian belemnite rostra: palaeoenvironmental implications for Late Jurassic seas. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203 (1-2): 153-168. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00673-4 ; Rexfort & Mutterlose, 2006Rexfort, A. & Mutterlose, J. (2006). Stable isotope records from Sepia officinalis - a key to understanding the ecology of belemnites? Earth and Planetary Sciences Letters, 30: 212-221. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.04.025 ; Benito et al., 2016Benito, M.I.; Reolid, M. & Viedma, C. (2016). On the microstructure, growth pattern and original porosity of belemnite rostra: insights from calcitic Jurassic belemnites. Journal of Iberian Geology, 42 (2): 201-226.; Hoffmann & Stevens, 2020Hoffmann, R. & Stevens, K. (2020). The palaeobiology of belemnites-foundation for the interpretation of rostrum geochemistry. Biological Reviews, 95 (1): 94-123. https://doi.org/10.1111/brv.12557 ), y que, en estos últimos, los efectos vitales no influyen en la composición isotópica del oxígeno presente en sus conchas. En base a estos argumentos, Wierzbowski (2004)Wierzbowski, H. (2004). Carbon and oxygen isotope composition of Oxfordian Early Kimmeridgian belemnite rostra: palaeoenvironmental implications for Late Jurassic seas. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203 (1-2): 153-168. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00673-4 y Rexfort & Mutterlose (2006)Rexfort, A. & Mutterlose, J. (2006). Stable isotope records from Sepia officinalis - a key to understanding the ecology of belemnites? Earth and Planetary Sciences Letters, 30: 212-221. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.04.025 sugieren que no se espera encontrar efectos de biofraccionamiento isotópico en la rostra fosilizada de belemnites.

El tercer factor, i. e., las variaciones isotópicas intra-especimen e inter-especimen, son discutidas a continuación como posibles factores en el comportamiento de las series temporales de los isótopos estables analizados. Las series temporales en este estudio corresponden a valores medios de los isótopos estables δ¹⁸O y δ¹³C, esto significa que para una misma capa puedan encontrarse diferentes secciones fosilizadas de un mismo belemnite o varias muestras de especies diferentes. Rosales et al. (2001)Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x demostraron que las variaciones de los valores isotópicos (δ¹⁸O y δ¹³C) intra-especimen no superan un 0.3‰ para una misma capa, siempre y cuando las muestras no presenten efectos diagénicos. Por ello, no parecen jugar un papel importante en las variaciones de los valores isotópicos. Sin embargo, las variaciones de los valores isotópicos (191.60-182 Ma) inter-especimen, para una misma capa, son mucho mayores, hasta un 1.2 ‰ para el δ¹⁸O y hasta un 2.1 ‰ para el δ¹³C. Rosales et al. (2001)Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x sugieren que las variaciones de los valores isotópicos inter-especimen para una determinada capa, podrían reflejar el comportamiento paleo-ecológico de diferentes especies de belemnites o podrían estar causadas por variaciones seculares de alta frecuencia como los ciclos de Milankovitch (10⁴-10⁵ años). Respecto a la primera hipótesis, Rosales et al. (2001)Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x sugieren que diferentes especies de belemnites que hayan coexistido en diferentes hábitats, pueden presentar diferentes composiciones isotópicas de δ¹⁸O si durante sus ciclos de vida hayan habitado de modo preferente en diferentes masas de agua (aguas profundas y frías, aguas superficiales y cálidas). Aunque los belemnites son considerados organismos nectónicos, hay estudios que sugieren que existieron especies del tipo nectobentónico (Anderson et al., 1994Anderson, T.F.; Popp, B.N.; Williams, A.C.; Ho, L.Z. & Hudson, J.D. (1994). The stable isotopic records of fossils from the Peterborough Member, Oxford Clay Formation (Jurassic), UK: palaeoenvironmental implications. Journal of the Geological Society, 151 (1): 125-138. https://doi.org/10.1144/gsjgs.151.1.0125 ; Price & Sellwood, 1997Price, G.D. & Sellwood, B.W. (1997). Warm palaeotemperatures from high Late Jurassic palaeolatitudes (Falkland Plateau): Ecological, environmental or diagenetic controls? Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 129 (3): 315-328. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(96)00058-2 ; Rexfort & Mutterlose, 2006Rexfort, A. & Mutterlose, J. (2006). Stable isotope records from Sepia officinalis - a key to understanding the ecology of belemnites? Earth and Planetary Sciences Letters, 30: 212-221. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.04.025 ; Hoffmann & Stevens, 2020Hoffmann, R. & Stevens, K. (2020). The palaeobiology of belemnites-foundation for the interpretation of rostrum geochemistry. Biological Reviews, 95 (1): 94-123. https://doi.org/10.1111/brv.12557 ). Estos argumentos sugieren la importancia de identificar las especies de las muestras de belemnites en el intento de explicar las fluctuaciones de los valores isotópicos, sin embargo, para este estudio, desafortunadamente no se tiene disponible esa información. La segunda hipótesis no se puede descartar, aunque es difícil de sostener porque hay pocas muestras por cada biozona y debido a las restricciones crono y bio-estratigráficas no se puede resolver temporalmente más allá de una biozona de amonites (Rosales et al., 2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x ). Sin embargo, quizá es posible detectar algún tipo de ciclo orbital de más largo periodo que los de Milankovitch (periodo mayor que 10⁵ años) pero teniendo en cuenta varias biozonas, como en la serie de los valores isotópicos (δ¹⁸O y δ¹³C) analizada en este estudio.

El cuarto factor, la influencia de los factores paleo-ecológicos y ambientales, se discute a continuación. Es posible que los efectos paleo-ecológicos de los belemnites puedan influir en la composición isotópica (Rosales et al., 2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x ; Rexfort & Mutterlose, 2006Rexfort, A. & Mutterlose, J. (2006). Stable isotope records from Sepia officinalis - a key to understanding the ecology of belemnites? Earth and Planetary Sciences Letters, 30: 212-221. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.04.025 ; McArthur et al., 2007McArthur, J.M.; Doyle, P.; Leng, M.J.; Reeves, K.; Williams, C.T.; Garcia-Sánchez, R. & Howarth, R.J. (2007). Testing palaeo-environmental proxies in Jurassic belemnites: Mg/Ca, Sr/Ca, Na/Ca, δ18O and δ13C. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 252 (3-4): 464-480. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.05.006 ; Benito et al., 2016Benito, M.I.; Reolid, M. & Viedma, C. (2016). On the microstructure, growth pattern and original porosity of belemnite rostra: insights from calcitic Jurassic belemnites. Journal of Iberian Geology, 42 (2): 201-226.; Immenhauser et al., 2016Immenhauser, A.; Schoene, B.R.; Hoffmann, R. & Niedermayr, A. (2016). Mollusc and brachiopod skeletal hard parts: intricate archives of their marine environment. Sedimentology, 63(1): 1-59. https://doi.org/10.1111/sed.12231 ; Hoffmann & Stevens, 2020Hoffmann, R. & Stevens, K. (2020). The palaeobiology of belemnites-foundation for the interpretation of rostrum geochemistry. Biological Reviews, 95 (1): 94-123. https://doi.org/10.1111/brv.12557 ). Es ampliamente aceptado que los belemnites fueron un tipo de organismo nectónico, esto quiere decir que muy probablemente hayan podido migrar lateral y verticalmente a través de masas de agua de diferente temperatura o salinidad (Doyle & MacDonald, 1993Doyle, P. & MacDonald, D.I.M. (1993). Belemnite battlefields. Lethaia, 26 (1): 65-80. https://doi.org/10.1111/j.1502-3931.1993.tb01513.x ; Podlaha et al., 1998Podlaha, O.G.; Mutterlose, J. & Veizer, J. (1998). Preservation of δ18O and δ13C in belemnite rostra from the Jurassic/Early Cretaceous successions. Americal Journal of Sciences, 298 (4): 324-347. https://doi.org/10.2475/ajs.298.4.324 ; Rexfort & Mutterlose, 2006Rexfort, A. & Mutterlose, J. (2006). Stable isotope records from Sepia officinalis - a key to understanding the ecology of belemnites? Earth and Planetary Sciences Letters, 30: 212-221. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.04.025 ; McArthur et al., 2007McArthur, J.M.; Doyle, P.; Leng, M.J.; Reeves, K.; Williams, C.T.; Garcia-Sánchez, R. & Howarth, R.J. (2007). Testing palaeo-environmental proxies in Jurassic belemnites: Mg/Ca, Sr/Ca, Na/Ca, δ18O and δ13C. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 252 (3-4): 464-480. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.05.006 ; Hoffmann & Stevens, 2020Hoffmann, R. & Stevens, K. (2020). The palaeobiology of belemnites-foundation for the interpretation of rostrum geochemistry. Biological Reviews, 95 (1): 94-123. https://doi.org/10.1111/brv.12557 ). Si este fuera el caso, la composición isotópica de las rostra podría haber cambiado durante su crecimiento en respuesta a los cambios en el ambiente (e.g., temperatura o salinidad) (McArthur et al., 2007McArthur, J.M.; Doyle, P.; Leng, M.J.; Reeves, K.; Williams, C.T.; Garcia-Sánchez, R. & Howarth, R.J. (2007). Testing palaeo-environmental proxies in Jurassic belemnites: Mg/Ca, Sr/Ca, Na/Ca, δ18O and δ13C. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 252 (3-4): 464-480. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2007.05.006 ; Rexfort & Mutterlose, 2006Rexfort, A. & Mutterlose, J. (2006). Stable isotope records from Sepia officinalis - a key to understanding the ecology of belemnites? Earth and Planetary Sciences Letters, 30: 212-221. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2006.04.025 ; Benito et al., 2016Benito, M.I.; Reolid, M. & Viedma, C. (2016). On the microstructure, growth pattern and original porosity of belemnite rostra: insights from calcitic Jurassic belemnites. Journal of Iberian Geology, 42 (2): 201-226.; Hoffmann & Stevens, 2020Hoffmann, R. & Stevens, K. (2020). The palaeobiology of belemnites-foundation for the interpretation of rostrum geochemistry. Biological Reviews, 95 (1): 94-123. https://doi.org/10.1111/brv.12557 ). Por otro lado, en trabajos previos Rosales et al. (2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 , 2004b)Rosales, I.; Robles, S. & Quesada, S. (2004b). Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. Journal of Sedimentary Research, 74 (3): 342-354. https://doi.org/10.1306/112603740342 utilizaron exitosamente valores medios de δ¹⁸O para las reconstrucciones de paleotemperaturas y paleosalinidades. Esto quiere decir que las variaciones de los valores medios de δ¹⁸O están relacionadas, hasta cierto punto, con cambios en la temperatura/salinidad del océano de esa época (Rosales et al., 2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 , 2004bRosales, I.; Robles, S. & Quesada, S. (2004b). Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. Journal of Sedimentary Research, 74 (3): 342-354. https://doi.org/10.1306/112603740342 ). En un trabajo más reciente, Rosales et al. (2006)Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2006). Geochemical arguments for identifying second-order sea-level changes in hemipelagic carbonate ramp deposits. Terra Nova, 18 (4): 233-240. https://doi.org/10.1111/j.1365-3121.2006.00684.x muestran que los valores isotópicos de δ¹⁸O y δ¹³C obtenidas de las rostra de belemnites de la cuenca Vasco-Cantábrica muestran perturbaciones en las condiciones paleooceanográficas a nivel local y regional, como cambios en la temperatura, salinidad y circulación durante el Jurásico Inferior. Sin embargo, estos resultados no contemplan la posibilidad de que las variaciones isotópicas (δ¹⁸O y δ¹³C) pudieran haber sido influenciadas por forzamientos externos, tales como los ciclos orbitales de largo periodo. Para analizar esta posibilidad en este trabajo se emplean las estimaciones de los espectros suavizados de los valores medios del δ¹⁸O y δ¹³C.

Los únicos picos espectrales significativos de largo periodo están localizados ca. 1.3 Ma para el δ¹⁸O (Figura 3 A) y ca. 2.1 Ma para el δ¹⁸O (Figura 3 B). Sin embargo, a pesar de ser significativos y de tener en cuenta en el espectro los errores de datación, estos picos espectrales podrán estar influenciados por la tendencia de las series temporales. Es cierto que la tendencia lineal ha sido removida antes de calcular el espectro, pero también hay que tener en cuenta que el cálculo de la tendencia en una serie temporal es algo complicado, y es prácticamente imposible (en especial cuando no se conocen bien los procesos subyacentes del sistema que representan) separar de forma suficientemente precisa, tendencia, periodicidades de muy baja frecuencia y ruido (Van Dongen et al., 1999Van Dongen, H.P.A.; Olofsen, E.; Van Hartevelt, J.H. & Kruyt, E.W. (1999). A procedure of multiple period searching in unequally spaced time-series with the Lomb-Scargle method. Biological Rhythm Research, 30 (2): 149-177. https://doi.org/10.1076/brhm.30.2.149.1424 ; Wu et al., 2007Wu, Z.; Huang, N.E.,; Long, S.R. & Peng C.K. (2007). On the trend, detrending, and variability of nonlinear and nonstationary time series. Proceedings of the National Academy Sciences 104, (38): 14889. https://doi.org/10.1073/pnas.0701020104 ). Más aun, es complicado ubicar de forma precisa el ciclo orbital en una u otra frecuencia con una serie temporal tan corta. No obstante, suponiendo que 2.1 o 1.3 Ma representan eventos periódicos, entonces en la sección 188.68-183.36 Ma puede haber a lo sumo 3 y 4 ciclos, respectivamente. Por tanto, es poco fiable afirmar que los picos espectrales ca. 2.1 y 1.3 Ma representan eventos periódicos reales. Para poderlo afirmar con mas confianza sería necesario disponer de más datos (muestras).

La ausencia del ciclo orbital de 400 Ka en los resultados del análisis espectral (Figura 3 A y 3 B) para ambas series temporales (valores medios de δ¹⁸O y δ¹³C), en principio podría deberse a la irregularidad en el muestreo y a los errores de datación. Sin embargo, estas causas pueden ser descartadas porque en el análisis espectral se tienen en cuenta estos factores. La razón más plausible de la ausencia del ciclo de 400 Ka son las pocas muestras de belemnites (N=81) y la longitud de la sección estratigráfica (118 m). Por ejemplo, en el trabajo de Olsen & Kent (1996Olsen, P.E. & Kent, D.V. (1996). Milankovitch climate forcing in the tropics of Pangea during the Late Triassic. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 122 (1-4): 1-26. https://doi.org/10.1016/0031-0182(95)00171-9 , 1999)Olsen, P.E. & Kent, D.V. (1999). Long-period Milankovitch cycles from the Late Triassic and Early Jurassic of eastern North America and their implications for the calibration of the Early Mesozoic time-scale and the long-term behaviour of the planets. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 357: 1761-1786. https://doi.org/10.1098/rsta.1999.0400 , que cubre una buena parte del Jurásico Inferior, hay clara evidencia geológica de la existencia del ciclo orbital de 400 Ka, pero la resolución (espacio-temporal) estratigráfica de sus datos es de 1 m / 2 Ka y con una longitud de la sección estratigráfica de casi 5 km, por lo cual cubre unos 35 Ma.

Utilizando los resultados del análisis espectral pero enfocados en los picos espectrales de más corto periodo se puede observar (Figura 3 B) la existencia de un pico espectral significativo (robusto al ruido de fondo y a los errores de datación) en el espectro del δ¹³C localizado ca. 109 Ka. Este pico espectral podría estar relacionado con alguno de los ciclos de corto periodo de la excentricidad de la Tierra, cuya periodicidad promedio es 100 Ka (Berger & Loutre, 2004Berger, A. & Loutre, M.F. (2004). Astronomical theory of climate change. Journal of Physics IV France, 121: 1-35. https://doi.org/10.1051/jp4:2004121001 ; Crucifix et al., 2006Crucifix, M.; Loutre, M.-F. & Berger, A. (2006). The climate response to the astronomical forcing. Space Science Reviews, 125 (1-4): 213-226. https://doi.org/10.1007/s11214-006-9058-1 ; Laskar et al., 2004Laskar, J.; Robutel, P.; Joutel, F.; Gastineau, M.; Correia, A.C.M. & Levrard, B. (2004). A long-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth. Astronomy & Astrophysics, 428: 261-285. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20041335 , 2011Laskar, J.; Fienga, A.; Gastineau, M. & Manche, H. (2011). La2010: a new orbital solution for the long-term motion of the Earth. Astronomy & Astrophysics, 532: A89. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201116836 ). Desde el punto de vista de la evidencia geológica, existen varios trabajos para el Jurásico Inferior en los cuales se utilizan diversos registros geológicos procedentes de diferentes regiones geográficas donde han localizado el ciclo promedio de la excentricidad de 100 Ka (Olsen, 1986Olsen, P.E. (1986). A 40-million-year lake record of early mesozoic orbital climatic forcing. Science, 234 (4778): 842-848. https://doi.org/10.1126/science.234.4778.842 ; Weedon 1989Weedon, G.P. (1989). The detection and illustration of regular sedimentary cycles using Walsh power spectra and filtering, with examples from the Lias of Switzerland. Journal of the Geological Sociery, 146 (1): 133-144. https://doi.org/10.1144/gsjgs.146.1.0133 ; Olsen & Kent, 1996Olsen, P.E. & Kent, D.V. (1996). Milankovitch climate forcing in the tropics of Pangea during the Late Triassic. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 122 (1-4): 1-26. https://doi.org/10.1016/0031-0182(95)00171-9 ; Hinnov & Park, 1999Hinnov, L.A. & Park, J.F. (1999). Strategies for assessing Early-Middle (Pliensbachian-Aalenian)-Jurassic cyclochronologies. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 357: 1831-1859. https://doi.org/10.1098/rsta.1999.0403 ; Weedon et al., 1999Weedon, G.P.; Jenkyns, H.C.; Coe, A.L. & Hesselbo, S.P. (1999). Astronomical calibration of the Jurassic time-scale from cyclostratigraphy in British mudrock formations. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 357: 1787-1813. https://doi.org/10.1098/rsta.1999.0401 ; Weedon & Jenkyns, 1999Weedon, G.P. & Jenkyns, H.C. (1999). Cyclostratigraphy and the Early Jurassic timescale: Data from the Belemnite Marls, Dorset, southern England. The Geological Society of America Bulletin, 111: 1823-1840. https://doi.org/10.1130/0016-7606(1999)111<1823:CATEJT>2.3.CO;2 ; Suan et al., 2008Suan, G.; Pittet, B.; Bour, I.; Mattiolia, E.; Duarte, L.V. & Mailliot, S. (2008). Duration of the Early Toarcian carbon isotope excursion deduced from spectral analysis: Consequence for its possible causes. Earth and Planetary Science Letters, 267 (3-4): 666-679. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2007.12.017 ; Kemp et al., 2011Kemp, D.B.; Coe, A.L., Cohen, A.S. & Weedon, G.P. (2011). Astronomical forcing and chronology of the early Toarcian (Early Jurassic) oceanic anoxic event in Yorkshire, UK. Paleoceanography, 26 (4): PA4210. https://doi.org/10.1029/2011PA002122 ; Storm et al., 2020Storm, M.S.; Hesselbo, S.P.; Jenkyns, H.C.; Ruhl, M.; Ullmann, C.V.; Xu, W.; Leng, M.J.; Riding, J.B. & Gorbanenko, O. (2020). Orbital pacing and secular evolution of the early jurassic carbon cycle. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117 (8): 3974-3982. https://doi.org/10.1073/pnas.1912094117 ). Sin embargo, este ciclo no está presente en el espectro del δ¹⁸O (Figura 3 A), donde en principio, se esperaría encontrarlo. Sin embargo, esto puede explicarse debido a que estos dos isótopos no dependen de las mismas causas. Mientras que el δ¹⁸O está relacionado con temperaturas del agua (e.g., circulación oceánica y paleogeografía, cambios climáticos, tipo y ubicación de los belemnites) el δ¹³C está relacionado con la productividad, tanto orgánica como inorgánica y ésta a su vez con los ciclos orbitales (Rosales et al., 2001Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2001). Primary and diagenetic isotopic signals in fossils and hemipelagic carbonates: the Lower Jurassic of northern Spain. Sedimentology, 48 (5): 1149-1169. https://doi.org/10.1046/j.1365-3091.2001.00412.x , 2004aRosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2004a). Paleotemperature variations of Early Jurassic seawater recorded in geochemical trends of belemnites from the Basque-Cantabrian basin, northern Spain. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 203: 253-275. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00686-2 , 2004bRosales, I.; Robles, S. & Quesada, S. (2004b). Elemental and oxygen isotope composition of Early Jurassic belemnites: salinity vs. temperature signals. Journal of Sedimentary Research, 74 (3): 342-354. https://doi.org/10.1306/112603740342 , 2006)Rosales, I.; Quesada, S. & Robles, S. (2006). Geochemical arguments for identifying second-order sea-level changes in hemipelagic carbonate ramp deposits. Terra Nova, 18 (4): 233-240. https://doi.org/10.1111/j.1365-3121.2006.00684.x .

Si observamos con más detalle la Figura 3 A, utilizando el eje de las frecuencias como eje de simetría, es posible observar una región, casi a la mitad de este eje, con altos valores de las amplitudes espectrales. El máximo pico espectral de esta región corresponde a 125 Ka. Esto podría llevar a pensar que representan un mismo evento. Sin embargo, si tenemos en cuenta el error de la localización de las frecuencias (tanto debido a los errores de datación como a la técnica utilizada para el análisis espectral), no es posible conciliar estas diferencias.

Otra posible explicación sobre el origen del pico espectral de 109 Ka es que podría deberse a un efecto de aliasing. Se sabe por otros estudios de series temporales paleoclimáticas (Pisias & Mix, 1988Pisias, N.G. & Mix, A.C. (1988). Aliasing of the geologic record and the search for long-period Milankovitch cycles. Paleoceanography, 3 (5): 613-619. https://doi.org/10.1029/PA003i005p00613 ; Wunsch & Gunn, 2003Wunsch, C. & Gunn, D.E., 2003. A densely sampled core and climate variable aliasing. Geo-marine Letters, 23 (1): 64-71. https://doi.org/10.1007/s00367-003-0125-2 ) que ciclos de más corto periodo, pueden producir picos espectrales significativos de más largo periodo, si la resolución espacial de las muestras es demasiado ancha/grande para resolver las señales de corto periodo. Por ejemplo, Pisias & Mix (1988)Pisias, N.G. & Mix, A.C. (1988). Aliasing of the geologic record and the search for long-period Milankovitch cycles. Paleoceanography, 3 (5): 613-619. https://doi.org/10.1029/PA003i005p00613 demostraron que los ciclos de precesión (ca. 19 Ka y 23 Ka, valores en el presente) pueden producir picos espectrales significativos de más largo periodo cercanos a 100 Ka cuando se utiliza un intervalo de muestreo de 25 Ka. Lo cuál podría relacionarse erróneamente con el ciclo de 100 Ka de la excentricidad. Si bien es cierto que el origen un tanto aleatorio de las localizaciones espacio-temporales de las muestras de belemnites puede reducir el fenómeno del aliasing, también es cierto que no puede evitarlo por completo (Pisias & Mix, 1988Pisias, N.G. & Mix, A.C. (1988). Aliasing of the geologic record and the search for long-period Milankovitch cycles. Paleoceanography, 3 (5): 613-619. https://doi.org/10.1029/PA003i005p00613 ; Eyer & Bartholdi, 1999Eyer, L. & Bartholdi, P. (1999). Variable stars: which Nyquist frequency? Astronomy and Astrophysics, Supplement Series, 135 (1): 1-3. https://doi.org/10.1051/aas:1999102 ; Van Dongen et al., 1999Van Dongen, H.P.A.; Olofsen, E.; Van Hartevelt, J.H. & Kruyt, E.W. (1999). A procedure of multiple period searching in unequally spaced time-series with the Lomb-Scargle method. Biological Rhythm Research, 30 (2): 149-177. https://doi.org/10.1076/brhm.30.2.149.1424 ). Esta hipótesis se ve reforzada, si tenemos en cuenta el ciclo de 20 Ka, relacionado con la precesión, y encontrado por Berreteaga et al. (2002)Berreteaga, A.; Robles, S.; Rosales, I. & Quesada, S. (2002). Ciclos de precesión en el Toarciense de la Cuenca Vasco-Cantábrica. Geogaceta, 32: 259-262. al utilizar registros de CaCO₃ provenientes de la BCB para el Toarciense Inferior.

Para discernir si el pico espectral de 109 Ka es una aliasing de la precesión o si podría estar relacionado con uno de los ciclos de corto periodo de la excentricidad, se ha realizado el siguiente experimento numérico. Se simularon series sintéticas equiespaciadas cada 1000 años con una señal de 21 Ka y otra de 100 Ka con diferentes niveles de ruido Gaussiano utilizando como referencia la media y la desviación estándar del δ¹³C. Se usaron sólo los muestreos experimentales (edades) de los belemnites al estimar sus espectros (ver Figuras 4 y 5). Nuestros resultados muestran que los espectros de las series sintéticas con una señal de 21 Ka no presentan un efecto de aliasing ca. 100 Ka (Figura 4). Sin embargo, los espectros de las series con una señal de 100 Ka si contienen una señal alrededor de los 100 Ka (Figura 5). Por todo esto, podemos sostener que el pico espectral de 109 Ka del δ¹³C no es debido a un efecto de aliasing y que este pico podría estar relacionado con los ciclos de corto periodo de la excentricidad de la Tierra.

Conclusiones

El caso de estudio presentado en este trabajo realiza por primera vez una búsqueda de señal orbital en series temporales de los valores medios de δ¹⁸O y δ¹³C de las rostra de belemnites de la cuenca Vasco-Cantábrica del Jurásico Inferior, para lo cual se utiliza una técnica avanzada de análisis espectral, conocida como el periodograma suavizado de Lomb-Scargle, y se tiene en cuenta los errores de datación de las muestras de belemnites en el espectro. En base a los resultados obtenidos se presentan a continuación las principales conclusiones.

En primer lugar, se concluye que no se detectaron ciclos orbitales de largo periodo, en particular, el ciclo de los 400 Ka que se esperaba encontrar debido a que se ha mantenido estable en los últimos 250 Ma. En segundo lugar, se concluye que el pico de 109 Ka del espectro del δ¹³C está probablemente relacionado con los ciclos de corto periodo de la excentricidad de la Tierra y no parece que sea un efecto de aliasing como resultado de ciclos de más corto periodo, como el ciclo de la precesión (20/21 Ka). Sin embargo, se recomienda la adquisición de más muestras de belemnites de la cuenca Vasco-Cantábrica para llegar a conclusiones mucho más definitivas. Por último se concluye que la incertidumbre de la estimación espectral al considerar los errores de datación de las muestras de los belemnites aumenta en las bajas frecuencias.

Debido a los prometedores resultados obtenidos en este trabajo, se propone el uso de isótopos estables, como los valores medios de δ¹⁸O o de δ¹³C, obtenidos de la rostra fosilizada de belemnites para ser analizados en el dominio de la frecuencia en la búsqueda de señal orbital. Algo que hasta donde sabemos no se había realizado previamente. El entendimiento de los forzamientos externos del sistema climático podría, por ejemplo, a ayudar a entender mejor el clima del Jurásico. La metodología utilizada para analizar las series temporales de valores medios de isótopos estables provenientes de macrofósiles de la cuenca Vasco-Cantábrica del Jurásico Inferior también se puede usar para analizar otros tipos de paleoindicadores ambientales provenientes de otros tipos de macrofósiles, incluso para otros tipos de datos que tengan características similares.