Application of the Sm-Nd isotope system to the late quaternary paleoceanography of the Yermak Plateau (Arctic Ocean) [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Wolfgang Schmitt

Wolfgang Schmitt

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 24
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

ApplicationoftheSm–NdIsotope
SystemtotheLateQuaternary
PaleoceanographyoftheYermak
Plateau(ArcticOcean)
Dissertation
zurErlangungdesDoktorgrades
derFakulttfrGeowissenschaftender
Ludwig-Maximilians-UniversittMnchen
vorgelegtvon
WolfgangSchmitt
06. März20071. Berichterstatter: Prof. Dr. E.Hegner
2. Berichterstatter: Prof. Dr. S.Hölzl
TagdermündlichenPrüfung: 20. Juli2007Youcan’tpossiblybeascientist
ifyoumindpeoplethinking
you’reafool.
WonkotheSane
FromDouglasAdams,
“Solong,andthanksforallthefish”.i
Zusammenfassung
DieOzeanespeichernundtransportierenenormeMengenanSonnenwärmeundspielenso
eineentscheidendeRollefürdasKlimaunseresPlaneten. Indemsieüberschüssige Energie
aus den Tropen in höhere Breiten transportieren, tragen Meeresströmungen dazu bei die
Temperaturunterschiede zwischen demÄquatorunddenPolenauszugleichen. Ein großer
Teil dieser Energie wird durch den sogenannten ‘Ocean Conveyor Belt’ (Broecker, 1991)
transportiert. Dieses ‘Förderband’ ist ein weltumspannendes Strömungssystem, angetrie-
bendurchthermohalineKonvektion.VeränderungenderStrömungsmusterwirkensichauf
dieVerteilungvonWärmeausundbeeinflussensodasKlimaaufverschiedenenMaßstäben
vonlokalbisglobal.
Auf Grund der Bedeutung von Meeresströmungen für das Klimageschehen ist die Re-
konstruktionvonPaläoströmungenseitjehervongroßemInteressefürdieKlimaforschung
und die Paläoozeanographie. Unter den verschiedenen Werkzeugen, die zur Strömungs-
rekonstruktion verwendet werden, erfährt das Sm–Nd Isotopensystem zunehmende Auf-
merksamkeit. Dieses System wurde erstmals durch O’Nions et al. (1978) in einem ozea-
nographischen Kontext angewandt. Mittlerweile ist es als Standardmethode etabliert, wie
eineFüllekürzlicherschienenerPublikationenzeigt(z.B.Rutbergetal.,2000;Tütkenetal.,
2002;Weldeabetal.,2002;Bensonetal.,2003;FarmerundBarber,2003;Piotrowskietal.,
2004;Bayonetal.,2002,2003,2004;LacanundJeandel,2001,2004,2005,undvielemehr).
In der Anwendung des Sm–Nd Isotopensystems auf ozeanographische und paläoozeano-
graphischeFragestellungenkönnenzweiAnsätzeunterschiedenwerden.
DerersteAnsatzberuhtaufdenIsotopenzusammensetzungenvonimKristallgitterde-
tritischer Minerale gebundenem Sm und Nd. Mit deren Hilfe kann die kontinentaleHer-
kunftklastischer Sedimente bestimmt werden, umso Rückschlüsseauf Transportrichtung
und -distanz zu ziehen (z.B. Revel et al., 1996; Tütken et al., 2002). Im zweiten Ansatz
wird die Isotopenzusammensetzung von in Meerwasser gelöstem Nd als ‘Fingerabdruck’
zur Unterscheidung verschiedener Wassermassen benutzt. Diese Methode beruht auf der
imVergleichzurglobalenUmwälzratederOzeane(ca. 1000Jahre)kürzeren Verweildauer
vongelöstem NdinMeerwasser(500-1000Jahre;Tachikawaetal.,2003). DieserUmstand
führt zu charakteristischen Unterschieden in den Isotopenzusammensetzungen verschie-
dener Wassermassen, die jeweils durch den Eintrag von gelöstem Nd gesteuert werden.
MitHilfedieserisotopischenUnterschiede kanndieVerteilungrezenterWassermassenbe-
stimmtwerden(z.B.LacanundJeandel,2001,2004). ZusätzlichermöglichtdieseMethode
unter Verwendung geeigneten Probenmaterials die Rekonstruktionverschiedener Wasser-ii
masseninderVergangenheit. HierfürkommttheoretischjeglichesMaterialinFrage,dessen
Nd-GehaltsichvonehemalsinMeerwassergelöstem Ndableitet. Verwendungfindenfos-
sile Überreste mariner Organismen (z.B. Foraminiferen; Vance und Burton, 1999; Burton
undVance,2000),oder,vorallemfürdienäheregeologischeVergangenheit,Eisen-Mangan
Knollen(z.B.Franket al.,2002). Jedoch sind Eisen-Mangan Knollennicht aufdas für die
KlimaforschungbesondersinteressanteSpätquartäranwendbar. Diesliegtanderenniedri-
genWachstumsraten (mm/Ma),die einenurunzureichende zeitliche Auflösungerlauben.
Um diesen Nachteil zu umgehen, wird in den letzten Jahren verstärkt die Verwendbarkeit
von in der Sedimentsäule fein verteilten Eisen-Mangan Phasen untersucht (z.B. Rutberg
etal.,2000;Bayonetal.,2002,2003,2004;Piotrowskietal.,2004).
ImRahmendieserArbeitwurdenbeideAnsätze,d.h. dieVerwendungvonimKristall-
gitterdetritischerMineralegebundenemSmundNd,undNdinfeinverteilten,authigenen
Eisen-Mangan Phasen, verfolgt. Die verwendeten Proben stammen aus einem Sediment-
kern vom Yermak Plateau aus der nordöstlichen Fram Straße. Zwischen Grönland und
dem Spitzbergen Archipel gelegen, stellt die Fram Straße die einzige Tiefenwasserverbin-
dungzwischendemArktischenOzeanund,überdieGrönland-Island-NorwegenSee,dem
Nordatlantik dar. Im Bereich der Grönland-Island-Norwegen See findet für die globale
thermohalineZirkulationwichtige Tiefenwasserbildungstatt. Dieser Prozess befindetsich
in einem empfindlichen Gleichgewicht, das vor allem durch den Salzgehalt des Oberflä-
chenwassers bestimmt wird. Der Salzgehalt des Oberflächenwassers in dieser Region wie-
derum wird maßgeblich durch den Ausstrom niedrigsalinen Wassers aus dem Arktischen
Ozean beeinflusst. Aus diesem Grund ist die Rekonstruktion des Wasseraustausches zwi-
schen demArktischen Ozean unddemAtlantikdurchdie FramStraßevongroßemInter-
essefürdieKlimaforschung.
In dervorliegenden Arbeit wurde die Herkunft derim Laufe der letzten 129000Jahre
am westlichen Yermak Plateau abgelagerten Sedimente untersucht. Hierzu wurden neben
den Proben des untersuchten Sedimentkernes auch Proben aus potenziellen Liefergebie-
ten auf ihre Sm–Nd-Isotopie hin analysiert. Nach weitverbreiteter Meinung wird unter
rezenten Bedingungen Sedimentmaterial sowohl per Eisdrift aus densibirischen Schelfge-
bieten, als auch durch aus dem Süden einströmendes Oberflächen- und Tiefenwasser an-
geliefert. Um diese unterschiedlichen Transportmechanismen und Herkunftsgebiete auf-
zulösen, wurde der Großteil der verwendeten Proben in die Korngrößenfraktionen Ton,
Feinsilt,GrobsiltundSandaufgetrennt.
Durch die Lage des untersuchten Sedimentkernes ist die Anlieferung von Material in
Sandgröße (oder gröber) eindeutig auf Eisdrift beschränkt. Dieses eistransportierte Ma-
terial (IRD) dient damit als Hinweis auf die Veränderungen der Oberflächenströmungen.
Das Sedimentmaterial in Ton- bis Siltgröße hingegen liefert ein Mischsignal von Eis- und
Strömungstransport (IRD und Schwebefracht). Durch Vergleich der Isotopenzusammen-iii
setzungen der einzelnen Proben untereinander und mit denen der potenziellen Lieferge-
biete,läßtsichunterEinbeziehungisotopenunabhängigerLiteraturdaten(z.B.mineralogi-
sche Sedimentzusammensetzung, Korngrößenverteilung, Faunenzusammensetzung, etc.)
eineReihevonAussagentreVen. DieverschiedenenKorngrößenfraktioneneinzelnerKern-
proben weisen in der Regel nur geringe Unterschiede in ihrer Isotopenzusammensetzung
auf (größtenteils unterhalb der analytischen Nachweisgrenze). Die größten Abweichun-
gen zeigen die Sandfraktionen. Bis auf wenige Ausnahmen kann dies vermutlich auf den
Umstandzurückgeführtwerden,dassdieSandfraktionenaufGrunddergeringenProben-
mengeimVerhältniszurgrobenKorngrößenichtrepräsentativsind.
DiegenerellgeringenisotopischenUnterschiededeutenaufeinegemeinsameHerkunft
vonIRDundSchwebefracht hin. DaeinTransportvonSchwebefracht vondensibirischen
SchelfgebietenderLaptev-undKaraSeezumYermakPlateauausgeschlossenwerdenkann,
istaucheinesolcheHerkunftdesIRDunwahrscheinlich. Hingegenerscheint,unterrezen-
ten interglazialen Bedingungen, eine gemeinsame Herkunft von IRD und Schwebefracht
ausdemBereichvonSpitzbergenundderwestlichenBarentsSeewahrscheinlich.
Die zeitliche Entwicklung der Isotopenkurve für den untersuchten Sedimentkern legt
nahe, dass die rezenten Sedimentationsverhältnisse trotz wiederholter großräumiger Ver-
gletscherungenderSpitzbergen-BarentsSeeRegionauchwährendderletzten129000Jahre
imWesentlichenunverändertbestandenhaben. DiegrößtenAbweichungenvondenrezen-
ten Verhältnissen zeigen sich während der Hauptphase des letzten Glazials vor ca. 20000
Jahren. Zu diesem Zeitpunkt wurden beträchtliche Mengen IRD durch vom Skandinavi-
schen Eisschild stammendeEisberge bis indie FramStraße transportiert. Darüberhinaus
konnteanHandvonSchreibkreidefragmenten einewährenddes letzten Glazialsbisin die
südliche Fram Straße (Spielhagen, 1991) reichende Eisbergdrift aus der Nordsee auch für
dasYermakPlateaunachgewiesenwerden.
ImRahmendeszweitenanalytischenAnsatzes,d.h. derUntersuchungderNd-Isotopie
von fein verteilten Eisen-Mangan Phasen, wurde zunächst an der Umsetzung der experi-
mentellenMethodegearbeitet. DieMethodederchemischenExtraktionderEisen-Mangan
PhasendurcheinMischreagenz(bestehendausEssigsäureundHydroxylamin-Hydrochlo-
rid) beruht im Wesentlichen auf der Arbeit von Chester und Hughes (1967). Im Laufe
der Jahre wurden verschiedene auf deren Arbeit beruhende Modifikationen der Methode
vorgeschlagen (Tessier et al., 1979; Chao und Zhou, 1983; Hall et al., 1996), und zuletzt
durchBayonetal.(2002)einemumfassendenVergleich unterzogen. InAnlehnungandas
von Bayon et