Paleoecological Analysis of Remote Volcanic Lakes in the Azorean Archipelago Based on Biological and Geochemical Proxies

Abstract

[Abstract] Paleoclimatological data derived from lacustrine sedimentary records are influenced not only by taphonomic processes but also by site-specific factors that modulate the expression of climate variability in the sediments. Using a multiproxy approach—including sedimentary facies, organic matter elemental and isotopic composition, diatom assemblages, and algal/cyanobacterial pigment biomarkers—this study examines environmental changes since the Little Ice Age (LIA) in two volcanic lakes within the same caldera on São Miguel Island (Azores Archipelago). Lake Santiago, a crater lake, transitioned from a eutrophic state during the humid LIA (driven by external nutrient inputs) to post-LIA conditions shaped by shifts in water column thermal structure, which regulated mixing and nutrient recycling from the hypolimnion. In contrast, Lake Azul—a caldera lake 2.5 km away—exhibited geochemical and micropaleontological signatures largely decoupled from climate variability until 1980/1990 CE (Common Era). This disconnect resulted from prolonged volcanic influence, particularly tephra deposition following a catastrophic ~1290 CE eruption, which disrupted biogeochemical cycling and maintained oligotrophic conditions for ~650 years. Only recent artificial fertilization overcame this volcanic-induced resilience, leading to eutrophication. After 1980/1990 CE, global warming triggered a common ecological shift in both lakes, marked by the replacement of turbulence-adapted algae with taxa favored by stratified conditions. However, this transition was more gradual in Lake Azul than in Lake Santiago, underscoring persistent site-specific controls on sediment-recorded climate signals. Despite their proximity and exposure to similar atmospheric patterns, these two lakes responded distinctly to climate change, highlighting the importance of local factors—including volcanic legacy and anthropogenic intervention—in shaping lacustrine paleoclimate archives.

[Resumen] Los datos paleoclimatológicos derivados de registros sedimentarios lacustres no solo están influenciados por procesos tafonómicos, sino también por factores específicos de cada sitio que modulan la expresión de la variabilidad climática en los sedimentos. Utilizando un enfoque multiindicador (multiproxy), que incluye facies sedimentarias, composición elemental e isotópica de la materia orgánica, asociaciones de diatomeas y biomarcadores pigmentarios de algas y cianobacterias, este estudio examina los cambios ambientales desde la Pequeña Edad de Hielo (PEH) en dos lagos volcánicos ubicados dentro de la misma caldera en la isla de São Miguel (Archipiélago de las Azores). El Lago de Santiago, en el fondo de un cráter volcánico, transitó de un estado eutrófico durante la húmeda PEH (impulsado por aportes externos de nutrientes) a condiciones post-PEH definidas por cambios en la estructura térmica de la columna de agua, lo cual reguló la mezcla y el reciclaje de nutrientes desde el hipolimnion. Por el contrario, el Lago Azul, dentro de una caldera volcánica, y situado a 2,5 km de distancia, mostró firmas geoquímicas y micropaleontológicas muy desvinculadas de la variabilidad climática hasta los años 1980/1990 de la Era Común (Common Era, CE). Esta desconexión fue el resultado de una influencia volcánica prolongada, en concreto, por la deposición de tefras tras una erupción catastrófica ocurrida alrededor de 1290 CE que alteró los ciclos biogeoquímicos y mantuvo condiciones oligotróficas durante aproximadamente 650 años. Sólo la fertilización artificial reciente logró superar esta resiliencia inducida por el vulcanismo, conduciendo a la eutrofización. Después de 1980/1990 CE, el calentamiento global desencadenó un cambio ecológico común en ambos lagos, marcado por el reemplazo de algas adaptadas a la turbulencia, por taxones favorecidos por condiciones de estratificación. Sin embargo, esta transición fue más gradual en el Lago Azul que en el Lago de Santiago, subrayando la persistencia de controles específicos de cada sitio sobre las señales climáticas registradas en los sedimentos. A pesar de su proximidad y exposición a patrones atmosféricos similares, estos dos lagos respondieron de manera distinta al cambio climático, lo que destaca la importancia de los factores locales, incluyendo el legado volcánico y la intervención antropogénica, en la configuración de los archivos paleoclimáticos lacustres.

[Resumo] Os datos paleoclimatolóxicos derivados de rexistros sedimentarios lacustres non só están influenciados por procesos tafonómicos, senón tamén por factores específicos de cada sitio que modulan a expresión da variabilidade climática nos sedimentos. Utilizando un enfoque multiindicador (multiproxy), que inclúe facies sedimentarias, composición elemental e isotópica da materia orgánica, asociacións de diatomeas e biomarcadores pigmentarios de algas e cianobacterias, este estudo examina os cambios ambientais dende a Pequena Idade de Xeo (PIX) en dous lagos volcánicos situados dentro da mesma caldeira na illa de São Miguel (Arquipélago dos Azores). O Lago de Santiago, no fondo dun cráter volcánico, transitou dun estado eutrófico durante a húmida PIX (impulsado por aportes externos de nutrientes) a condicións post-PIX definidas por cambios na estrutura térmica da columna de auga, o cal regulou a mestura e a reciclaxe de nutrientes dende o hipolimnion. Pola contra, o Lago Azul, dentro dunha caldeira volcánica e situado a 2,5 km de distancia, amosou firmas xeoquímicas e micropaleontolóxicas moi desvencelladas da variabilidade climática ata os anos 1980/1990 da Era Común (Common Era, CE). Esta desconexión foi o resultado dunha influencia volcánica prolongada, en concreto, pola deposición de tefras tras unha erupción catastrófica ocorrida arredor do 1290 CE que alterou os ciclos bioxeoquímicos e mantivo condicións oligotróficas durante aproximadamente 650 anos. Só a fertilización artificial recente conseguiu superar esta resiliencia inducida polo vulcanismo, conducindo á eutrofización. Despois de 1980/1990 CE, o quecemento global desencadeou un cambio ecolóxico común en ambos os dous lagos, marcado polo reemprazo de algas adaptadas á turbulencia, por taxons favorecidos por condicións de estratificación. Con todo, esta transición foi máis gradual no Lago Azul que no Lago de Santiago, subliñando a persistencia de controis específicos de cada sitio sobre os sinais climáticos rexistrados nos sedimentos. A pesar da súa proximidade e exposición a patróns atmosféricos semellantes, estes dous lagos responderon dun xeito distinto ao cambio climático, o que destaca a importancia dos factores locais, incluíndo o legado volcánico e a intervención antrópica, na configuración dos arquivos paleoclimáticos lacustres.