Quantitative estimation of aerobic diagenetic overprint of palaeoproductivity signals [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Monika Kodrans-Nsiah

Monika Graetzer-Tortorella

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Quantitative estimation of aerobic diagenetic overprint of palaeoproductivity signalsDissertation zur Erlagung des Doktorgrades der Naturwissenschaften-Dr. rer. nat.-im Fachbereich Geowissenschaftender Universität Bremenvorgelegt vonMonika Kodrans-NsiahBremenApril 2008Tag des Kolloquiums:13. Juni 2008Gutachter:Dr. Karin ZonneveldDr. Sabine Kasten2Table of contentsZusammenfassung 5Abstract 81 Introduction 101.1 Objectives 101.2 Organic Carbon and preservation 141.2.1 Organic carbon cycle 141.2.2 Preservation of organic matter 161.3 Dinoflagellates 201.3.1 Biology of dinoflagellates 201.3.2 Dinocyst application 221.3.3 Dinocyst degradation 231.4 Sediment geochemistry 251.5 References 282 Preservation and organic chemistry of late Cenozoic organic-walled dinoflagellate cysts; a review 362.1 Introduction 372.2 Aerobic organic matter degradation 382.3 Selective degradation of cysts during sample preparation 412.4 Selective preservation of cysts in natural environments 442.4.1 Sediment traps 482.4.2 Surface sediments 502.4.3 Preservation experiments in natural environments 522.4.4 Late Quaternary time series 542.5 Organic geochemistry of dinoflagellate cysts 552.5.1 Acid resistant cell walls from extant micro-algae 552.5.2 Algaenans of extant micro-algae 562.5.3 Wall polymers of extant dinoflagellates 572.5.4 Fossil dinoflagellates 592.5.5 Some final remarks on cyst wall chemistry 602.6 Application 622.6.

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Quantitative estimation of aerobic diagenetic overprint of

palaeoproductivity signals

Dissertation zur Erlagung des Doktorgrades der Naturwissenschaften

-Dr. rer. nat.-

im Fachbereich Geowissenschaften

der Universität Bremen

oM

vorgelegt von

nika Kodrans-Nsiah

Bremen

April 2008

2

Tag des Kolloquiums:

13. Juni 2008

Gutachter:

Dr. Karin Zonneveld

Dr. Sabine Kasten

Table of contents

ZusammenfassungAbstract

Introduction111..12ObjectivesOrganic Carbon and preservation
carbon cyclerganic O1.2.11.1.2.23DinoflagellatesPreservation of organic matter
Biology of dinoflagellates1.3.1Dinocyst application1.3.2Dinocyst degradation1.3.311..54ReferencesSediment geochemistry

-and organic chemistry of late Cenozoic organicPreservation2walled dinoflagellate cysts; a review22..21IntroductionAerobic organic matter degradation
22..43Selective preservation of cysts in natural environmentsSelective degradation of cysts during sample preparation
Sediment traps2.4.1Surface sediments2.4.2Preservation experiments in natural environments2.4.3Late Quaternary time series2.4.42.2.5.15Organic geochemistry of dinoflagellate cystsAcid resistant cell walls from extant micro-algae
2.5.22.5.3Wall Algaenans of extant micro-polymers of extant dinofalgaelagellates
Fossil dinoflagellates2.5.42.2.5.56ApplicationSome final remarks on cyst wall chemistry
Correcting for species selective diagenesis to a better constrained 2.6.1reconstruction of upper water conditions2.6.2preservation-The use of species selective states in the pastdegradation to recognise differential
Dinoflagellate cysts as bottom water oxygen concentration 2.6.3indicatorsReferences7.2

selectiveterm species-short-A natural exposure experiment on 3aerobic degradation of dinoflagellate33..12IntroductionMaterials and methods
Results3.3

58

1010141416202022232528

3637384144485052545555565759606262656667

75767780

3

samples oxic exposure-Namibian sub3.3.13.3.3.24DiscussionSapropel S1 sub-samples oxic exposure
33..65ReferencesConclusions

walled dinoflagellate decomposition in the Southern -Organic4Ocean sediments: implications for aerobic organic carbon degradation4.4.12IntroductiRegional settingon
44.4.3ResultsMaterials and methods
Core 7034.4.1Core 7054.4.244..65DiscussionConclusions
References7.4

down”Are the Kimmeridge Clay deposits affected by “burn-5events? A palynological and geochemical approach55..12IntroductionMaterials and methods
Materials5.2.15.2.35.2.2PaGeochemical methodslynological methods
Statistical methods5.2.4Results5.3Geochemistry5.3.1Total organic carbon and inorganic carbon5.3.1.1Detrital elements: Al, B, Cr, K, Mg, Ti and Zr5.3.1.25.3.1.3Primary productivity- and/or nutrient-related elements: Ba, Cu, P
5.3.1.4Potentially redox-sensitive/sulphide-forming elements: Fe, Mn, S
Elemental enrichment factors5.3.1.5Palynofacies5.3.2Terrestrial particles5.3.2.1Marine palynomorphs5.3.2.25.5.3.34PDiscussionCA
55..56ReferencesConclusions

Conclusions6AppendiccesAcknowledgements

4

8082838889

939495979999101103108109

113114117117119119120120120120121122123124125126127129130137138

145149159

Zusammenfassung

erobe Dekomposition beeinflusst die Aufzeichnungen fossiler Artenspezifische a

organischer Dinoflagellatenzysten (Dinozysten) und somit die auf Dinozysten

basierenden Interpretationen über Primärproduktion und ozeanographische

n sowohl empfindlich als auch Konditionen. Seit der Erkenntnis, dass Dinozyste

und R- -resistent gegenüber Sauerstoffabbau sein können (insbesondere S

-Zysten weiterhin als zuverlässiger Proxy für Zysten) zeichnete sich ab, dass R

Primärproduktion und ozeanographische Konditionen genutzt werden können,

währendS-Zysten die Möglichkeit bilden die Zersetzung von aeroben

organischem Material (OM) und die Sauerstoffkonzentration von früherem

Bodenwasser zu quantifizieren. Der Abbau von OM spielt eine Schlüsselrolle im

globalen Kohlenstoffkreislauf und dadurch ebenfalls in Bezug auf Klima

Veränderungen, und Dinozysten scheinen ein wertvolles Instrument zur

Untersuchung diagenetischer Prozesse darzustellen. Dennoch sind viele

Fragen betreffend artenspezifische aerobe Degradationen von Dinozysten noch

offen.

Um Informationen über die Abbaurate von S-Zysten, die Relation zwischen dem

Zysten und der Sauerstoffkonzentration, sowie über die aerobe -Svon Abbau

Degradation von ausgestorbenen Dinozysten zu erhalten, wurden Studien an

quartärem und vor-quartärem Material aus Sedimentkernen sowie entwickelte

Experimente (exposure experiments) in der Natur durchgeführt.Belastungs-

Belastungs Experimente im natürlichen Milieu des östlichen Mittelmeeres

Zysten. Innerhalb fünfzehn-brachten Informationen über die Abbaurate von S

Monatiger Beanspruchung durch sauerstoffhaltiges Wasser nahm die

Konzentration der S-ZystenBrigantedinium spp. und Echinidinium granulatum

um 24- 57% ab. Andere Arten, wieNematosphareopsis labyrinthus,

Echinidinium aculeatumImpagidiniumd unOperculodinium israelianum,

erfuhren hingegen einen leichten Anstieg ihrer Konzentration, wasaculeatum

auf eine Resistenz in Bezug auf aerobe Degradation hinweist. Unsere

Ergebnisse zeigen, dass schon kurzzeitige Sauerstoffeinwirkung eine deutliche

nozysten Vergesellschaftung verursachen kann und damitVeränderung der Di

zu einer Verfälschung des Primärsignals und einer Missinterpretation der

5

an SUmweltbedingungen führt. Keine Degradation wurde gefunden, die Zysten -

anoxischen Wassermassen ausgesetzt waren.

von zwei kurzen Kernen aus dem atlantischen Sektor desDie Analyse

-Südlichen Ozeans ergab die Kalkulation der Degradationskonstanten (k) der S

Zysten(Brigantedinium spp. und Selenophemphix antarctica). Die kalkulierte

desEinwirkungszeit Konstante k nimmt exponential mit dem Steigen der

Sauerstoffes (oxygen exposure time „OET“) ab. Dieses unterstützt frühere

Ergebnisse, wonach die OM Degradation in Abhängigkeit zu Schwankungen im

Gehalt an organischem Material steht. „k“ korreliert ebenfalls positiv mit der

fkonzentration des Porenwassers, wobei miteinbezogen wird, dass die Sauerstof

Degradation nicht nur von der OET und OM Konzentration, sondern auch von

und Porenwassern abhängig ist. Sauerstoff -den Sauerstofflevels in Boden

scheint bei niedrigen Konzentrationen der limitierende Faktor zu sein, während

bei höherer Sauerstoffkonzentration die Verfügbarkeit von unbeständigem OM

wichtiger zu sein scheint.

Die Studie der Jura Kimmeridge Clay Formation lieferte Informationen über

zysten. Viele ArtenDinorbenen mögliche selektive Degradation von ausgesto

(z.B.Circulodinium spp.,Cyclonephelium spp.,Sirmiodinium grossi,

Senoniasphaera jurassicaspp.) nehmen in ihrerSystematophoraund

Häufigkeit während rekonstruierter, postabgelagertert stattgefundener Oxidation

Glossodiniumentes wesentlich schneller ab als andere Arten (zB.des Sedim

/ sp.1). Die Rekonstruktion von Ablagerungs-Cribroperidinium und dimorphum

Redoxbedingungen basierte auf miteinander gekoppelten unabhängigen

d inorganische chemische nische unysen und orgaMethoden: Palynofazies Anal

Proxies (gesamt-organischer Kohlenstoff „TOC“ und entsprechend Fe, Mn, S,

Cu, P, Al). Nach unserem Wissen ist es der erste Versuch jurassische aerobe

zu untersuchen und weitere Studien sind in situDegradation an Dinozysten

die Rangliste der ausgestorbenen Dinozysten aufmunötig

Oxidationssensitivität zu etablieren.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass sowohl bestehende, als auch ausgestorbene

Dinozysten durch artenspezifische aerobe Degradation beeinflusst werden

t die Interpretation von fossilen Aufzeichnungen. können. Dieses erschwer

6

Artenspezifische Degradation ist ein schneller Prozess und kann aus diesem

-Grund in keiner Zeitskala vernachlässigt werden. Die Abhängigkeit der S

könnte stoffkonzentration des Porenwassers Zysten Degradation von der Sauer

eine Auswirkung auf die Diskussion des aeroben OM Abbaus haben, mit dem

Hinblick dass der Zerfall von OM nicht nur von OET und der Verfügbarkeit von

-unbeständigem OM, sondern auch von der Sauerstoffkonzentration des Boden

abhängig ist.und Porenwassers

7

Abstract

selective aerobic decomposition affects fossil organic- Species-

walled

based interpretations hence dinocyst-dinoflagellate cyst (dinocyst) records and

However, since the. conditionsof primary productivity and oceanographic

-recognition of dinocyst species sensitive and resistant to oxic degradation (S

and R-cysts, respectively) it has become apparent that R-cysts may still serve

as reliable productivity and oceanographic conditions proxies. On the other

cysts provide a way to quantify aerobic degradation of organic matter -hand S

water(OM) and past bottom- concentrations. OM degradation plays a keyO2

role in global carbon cycling and is important for global climate change.

tool for estimating the rate of diageneticTherefore dinocysts are a valuable

stilldegradation aerobic selective process. Questions concerning species-

remain and will be adressed here.

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