Anorganisch- und organisch-geochemische Anzeiger für Eistransport, Flusseintrag und Frühdiagenese in quartären Sedimenten des Arktischen Ozeans
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Arktische Ozean ist eine der klimasensitivsten Regionen der Erde und reagiert stark auf den globalen Wandel. Um die Auswirkungen von aktuellen und zukünftigen Klimaschwankungen vorherzusagen, ist ein Verständnis des Systems Arktischer Ozean im Hinblick auf vergangene Klimaänderungen unerlässlich. In dieser Arbeit wurden Sedimente des zentralen Arktischen Ozeans untersucht, um diagnostische geochemische Parameter für Materialeintrag, Strömungssysteme, diagenetische Milieus und die Variabilität dieser Parameter auf Glazial-/Interglazialzeitskalen zu entwickeln. Die Sedimente sind durch alternierende dunkelbraune und oliv-braune Lagen gekennzeichnet. Die dunkelbraunen Lagen entstehen durch erhöhten Materialeintrag (Flusseintrag und Küstenerosion) während Interglazialen und sind angereichert an Mn, Fe und assoziierten Spurenmetallen. Diese reichern sich durch Adsorption („scavenging“) aus der Wassersäule an. Durch ihre visuelle Auffälligkeit haben die Lagen das Potential zur stratigraphischen Kernkorrelation. Sediment- und Porenwasseruntersuchungen von tieferen Sedimentkernen ergaben jedoch, dass diagenetische Prozesse die Mn-Lagen beeinflussen können. Das Verhältnis der an Mn-Lagen gebundenen Überschussgehalte von Co und Mo (Coxs/Moxs) kann als notwendiger diagnostischer Anzeiger dafür verwendet werden, ob dieses Lagen diagenetisch überprägt wurden. Aufgrund der variierenden diagenetischen Millieus kommt eine stratigraphische Nutzung dieser Lagen erst nach dieser Überprüfung in Betracht. Das Verhältnis stabiler Fe-Isotope (δ56Fe) wurde benutzt, um die Transportwege zu entschlüsseln. Mit zunehmender Fe-Anreicherung im Sediment werden die δ56Fe-Werte negativer, was die Annahme erhärtet, dass isotopisch leichtes Fe von den Schelfgebieten zu den tiefen Becken transportiert wurde. Dieser Mechanismus ist in Analogie auch für die Mn-Anreicherungen wahrscheinlich. Die Signaturen von Ca/Al, Mg/Al und TIC sind in Sedimenten der amerasischen Seite diagnostisch für Dolomit und dokumentieren den Eintrag vom Arktischen Archipel. Si/Al und K/Al Profile zeigen eine basaltische Komponente an, vermutlich vom sibirischen Hinterland. Die Parameter Cabio und Srxs können als Anzeiger für erhöhten Eintrag einer biogenen Komponente verwendet werden. Die Bestimmung der Nd-Isotopenverhältnisse (εNd) an der authigenen Sedimentfraktion ermöglichte Aussagen über die Tiefenwasserzirkulation. Die Oberflächensedimente weisen homogene, gut durchmischte Signaturen mit einem deutlichen Einfluss von Wassermassen des Nordatlantiks auf. Während des letzten Glazials (LG) sind die Werte heterogener und durch lokale Einflüsse, wie das Absinken von sehr salzhaltigem Wasser („brine“) bei der Meereisbildung in den Schelfgebieten, gekennzeichnet. An der lithogenen Sedimentfraktion wurden εNd und Sr-Isotopenverhältnisse (87Sr/86Sr) verwendet, um Aussagen über die Sedimentherkunft zu treffen. Die rezenten Proben weisen ein Mischsignal aus nordamerikanischen und eurasische Quellen auf. Während des LG streuen die Werte etwas mehr. Ursache sind die spezifischen Umweltbedingungen während des LG: eine größere Eisbedeckung und ein verringerter Meeresspiegel ließen die Küstenlinie näher an den Arktischen Ozean reichen und verkürzten somit die Sediment-Transportwege. Ergänzende röntgendiffraktometrische Untersuchungen und Biomarkeruntersuchungen (IP25) an ausgewählten Sedimentkernen aus der zentralen Arktis und den angrenzenden Schelfmeeren haben gezeigt, dass (1) diese Proxies eine detaillierte Rekonstruktion der spätquartären Vereisungsgeschichte als auch der Meereisverbreitung zulassen und (2) der gewählte Biomarkeransatz auch für die Rekonstruktion der känozoischen Klimageschichte der Arktis mit dem Treibhaus-Eishaus-Übergang, einer der Schwerpunktthemen der IODP-ACEX2-Expedition im Jahr 2018, geeignet ist. Der noch ausstehende detaillierte Vergleich der anorganisch-geochemischen Proxies mit den mineralogischen oder organisch-geochemischen Proxies soll in einer übergreifenden gemeinsamen Synthesearbeit zusammengefasst und publiziert werden. Diese Synthesearbeit wird eine wichtige Grundlage für zukünftige Arbeiten an IODP-Kernmaterial aus der Arktis sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2014): Regional variations in sediment geochemistry on a transect across the Mendeleev Ridge (Arctic Ocean). Chemical Geology 369, 1-11
Meinhardt A.-K., März C., Stein R., Brumsack H.-J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2014.01.011) - 2015. MIS 3 to MIS 1 temporal and LGM spatial variability in Arctic Ocean sea-ice cover: Reconstruction from biomarkers. Paleoceanography 30
Xiao, X., Stein, R., Fahl, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/2015PA002814) - (2016): Climate change and response in bottom water circulation and sediment provenance in the Central Arctic Ocean since the Last Glacial. Chemical Geology 427, 98-108
Meinhardt A.-K., Pahnke K., Böning P., Schnetger B., Brumsack H.-J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2016.02.019) - (2016): Diagenetic regimes in Arctic Ocean sediments: Implications for sediment geochemistry and core correlation. Geochimica et Cosmochimica Acta 188, 125-146
Meinhardt A.-K., März C., Schuth S., Lettmann K. A., Schnetger B., Wolff J.-O., Brumsack H.- J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.gca.2016.05.032) - 2016. Evidence for icefree summers in the late Miocene central Arctic Ocean. Nature Communications 7:11148
Stein, R., K. Fahl, Schreck, M., Knorr, G., Niessen, F., Forwick, M., Gebhardt, C., Jensen, L., Kaminski, M., Kopf, A., Matthiessen, J., Jokat, W., and Lohmann, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms11148) - 2016. Post-glacial variability of sea ice cover, river run-off and biological production in the western Laptev Sea (Arctic Ocean) - A high-resolution biomarker study. Quaternary Science Reviews 143, 133-149
Hörner, T., Stein, R., Fahl, K., Birger, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2016.04.011)
