210

PB AS A TRACER OF SEDIMENTARY PROCESSES IN THE CONTINENTAL SLOPE: 

THE ROLE OF SUBMARINE CANYON SYSTEMS IN THE WESTERN MEDITERRANEAN SEA

P. Masqué

1*

, J.A. Sánchez-Cabeza

1

, J. Garcia-Orellana

1

, J.M. Bruach

1

, A. Palanques

2

, 

M. Elkathab

2

, P. Puig

2

, J. Fabres, A.M. Calafat, M. Canals

3

1

Institut de Ciència i Tecnologia Ambientals – Departament de Física, Universitat Autònoma de Barcelona. Bellaterra, Spain 

* Pere.Masque@uab.es

2

Institut de Ciències del Mar – CMIMA (CSIC), Departament de Geologia Marina i Oceanografia Física, Barcelona, Spain

3

GRC Geociències Marines, Departament d’Estratigrafia, Paleontologia i Geociències Marines, Universitat de Barcelona, Spain

Abstract

The natural radionuclide 

210

Pb is used here to assess the extent to which transfer of particles and sedimentation in continental margins is

controlled by the presence of canyons. We studied three sites in the Western Mediterranean Sea, focusing on the evaluation of the global

budgets of 

210

Pb and the temporal variability of the activity distributions in the water column and ?uxes derived from sediment traps and

activity profiles in bottom sediments.

Keywords: sedimentation, submarine canyons, Pb-

210

, Western Mediterranean

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

55

Tracers with well constrained input functions can be used to study

particle transport processes in continental margins (i.e. transfer of

sediment from the continent to the ocean), a fundamental issue to

better understand the organic carbon cycle in the oceans. Amongst

them, 

210

Pb is of particular interest, as its half-life (22.3 years) is

suitable for the kind of processes to be characterised (1-4). This work

has been carried out at three continental margin sites in the Western

Mediterranean Sea: i) the Foix Canyon off Barcelona; ii) the Guadiaro

Canyon, east of the Gibraltar Strait; and iii) a depression in the

Balearic Islands margin. Sampling stations were located at different

depths at the axis of the canyons/depression and at the adjacent open

slopes. 

210

Pb was determined in the water column, bottom sediments

and sinking particles (collected with sediment traps). This strategy

allowed us to: build a balance of the 

210

Pb distributions using the

water column and bottom sediment inventories; estimate sediment

accumulation and mixing rates using excess 

210

Pb (and 

137

Cs) activity

profiles in the sedimentary record; and compare these to mass and

210

Pb ?uxes obtained from deployments of sediment traps during one

year at each site. 

The Barcelona site is characterised by sediment accumulation rates

significantly higher along the axis of the canyon than in the open

slope, and a sedimentary depocenter was identified at mid-slope (0.51

±0.02 g

·

cm

-2

·

y

-1

), between 600 and 850 m depth. The expected ?uxes

of 

210

Pb to the bottom sediments associated to sinking particles,

calculated from the balance of the annual atmospheric ?ux, in situ

production from disintegration of 

226

Ra and 

210

Pb decay, are only 

7-36% of those actually measured with traps and derived from

inventories in bottom sediments. This suggests the existence of lateral

input of 

210

Pb, which would be driven by particulate material that is

transported as nepheloid layers from the continental shelf and the

upper slope along the pathways of the prevailing currents after

resuspension events. This material would be focused down the canyon

axis, thus indicating that the canyon acts as a natural trap. 

At the Guadiaro site, where the canyon incising the slope is also

clearly defined, the highest sediment accumulation occurs at 600 m

depth in the axis of the canyon (0.290 ±0.015 g

·

cm

-2

·

y

-1

). This

sedimentation rate is between 3 and 4 times larger than those

determined in the canyon head (260 m depth) and that those at about

700-770 m, deeper in the continental slope, regardless of the location

in the Guadiaro submarine Fan or in the open slope. Similarly to the

Foix Canyon, this also indicates the presence of a sedimentary

depocenter at mid-slope depths. Moreover, from the relationships

between the 

210

Pb activities and ?uxes and the total mass ?uxes

obtained with the sediment traps, it is suggested that the Guadiaro

Canyon is also effectively acting as a conduit of resuspended particles

originating in the shelf and/or the upper slope. In addition, the activity

profiles and inventories of 

210

Pb and 

210

Po (T

1/2

= 138 days) in the

water column indicate that the scavenging of particle-associated

elements is only slightly enhanced in the axis of the canyon, thus

confirming that the sediment transport would be mostly driven by

near-bottom nepheloid layers. In fact, the distribution of both

elements in the water column seems to be governed by regional-scale

processes, as similar temporal variability was observed for stations

located in the central region of the western Alboran Sea.

At the Balearic Islands site, sediment accumulation rates were

similar in and out of the depression (about 0.07 g

·

cm

-2

·

y

-1

), much

smaller than those at the continental slope off Barcelona and only

slightly lower than those in the deep slope at the Guadiaro site. The

balance between the estimated 

210

Pb ?uxes from the water column

and the actual 

210

Pb ?ux reaching the sea ?oor as measured in bottom

sediments is off by only a 20%. Although resuspension and

subsequent transport of material offshore may also take place in the

Balearic margin, the absence of major rivers precludes the magnitude

of the ?uxes of being large and vertical particle ?uxes are dominant.

On the other hand, there is no significant difference of ?uxes between

the depression and the open slope. Thus, the submarine depression

does not act as an efficient conduit for the particulate material, nor as

a preferential depositional area, and it can be considered as controlled

by the open slope regime. 

Fig. 1. Location of the three study sites in the Western Mediterranean

Sea. 

References

1-Biscaye, P.E., Anderson, R.F., 1994. Fluxes of particulate matter on the

slope of the southern Middle Atlantic Bigth: SEEP-II. Deep-Sea Res. II,

41: 459-509.

2-Buscail, R., Ambatsian, P., Monaco, A., Bernat, M., 1997. 

210

Pb,

manganese and carbon: indicators of focussing processes on the

northwestern Mediterranean continental margin. Mar. Geol., 137: 271-

286.

3-Sanchez-Cabeza, J.A., Masqué, P., Ani-Ragolta, I., Merino, J.,

Frignani, M., Alvisi, F., Palanques, A., Puig, P., 1999. Sediment

accumulation rates in the Southern Barcelona continental margin (NW

Mediterranean Sea) derived from 

210

Pb and 

137

Cs chronology. Prog.

Oceanog., 441 (1-3): 313–332.

4-Zuo, Z., Eisma, D., Gieles, R., Beks, J., 1997) Accumulation rates and

sediment deposition in the Northwestern Mediterranean. Deep-Sea Res. II,

44: 597-609.