Anorganische Geochemie zyklischer Sedimente aus dem östlichen Mittelmeer: Rekonstruktion der Paläoumweltbedingungen
Rolf Wehausen, Dr. rer. nat. - Dissertation, Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg, 1999.
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Kurzfassung (for english Abstract click here!)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit hochauflösenden anorganisch-geochemischen Untersuchungen an pliozänen vor etwa 3,1 bis 2,3 Millionen Jahren abgelagerten Sedimenten aus dem östlichen Mittelmeer. Die Sedimente wurden während des Fahrtabschnitts 160 des internationalen Tiefseebohrprogramms (ODP) an den Lokationen 964 (Pisano Plateau, Ionisches Meer), 969 (Mediterraner Rücken, südlich von Kreta), 967 (nördlicher Hang des Eratosthenes Seamount, südlich von Zypern) und 966 (Gipfelplateau des Eratosthenes Seamount) abgeteuft. Ziel der Arbeit war die Erforschung der sich periodisch ändernden Paläoumweltbedingungen im Mittelmeer.
Bei dem untersuchten Material handelt es sich um kalkige Nannofossilschlämme mit Carbonatgehalten zwischen etwa 50 und 70 % in die Sapropele, d.h. Lagen mit organischen Kohlenstoffgehalten zwischen 2 und 31 %, eingeschaltet sind. In den Sapropelen wurden zum Teil extrem hohe Spurenmetallgehalte nachgewiesen, die den in Kreide-Schwarzschiefern ermittelten Werten ähneln. Es wurde festgestellt, daß signifikante Mengen von Metallen auch unterhalb der Sapropele in der Zone diagenetisch gebildeter Sulfide angereichert sind. Barium-Anreicherungen wurden in allen Sapropelen, aber auch in Sedimenten vorgefunden, die arm an organischem Kohlenstoff sind. Diese Anreicherungen stellen geeignete Indikatoren für die ursprüngliche Position von Sapropelen und für Phasen erhöhter Produktion organischen Materials dar.
Als weitere Besonderheit konnten in den untersuchten Abschnitten von Lokation 964 (Ionisches Meer) zwei Turbidite nachgewiesen werden. Ihre Unter- und Obergrenzen können anhand von Teufenprofilen der Elementgehalte identifiziert werden. Sie zeichnen sich durch eine gradierte Schichtung mit höherem Siltanteil und Schwermineralgehalten in ihrem unteren Abschnitt aus. Die Teufenprofile der Gehalte fast aller Elemente können mit den sedimentationsbedingten Sortierungsprozessen erklärt werden. Das Mn/Al-Profil kann anhand der Remobilisierung und Diffusion von zweiwertigem Mangan unter suboxischen Bedingungen erklärt werden.
Eine Zyklizität der Carbonatgehalte, wie sie z.B. in den zeitgleich abgelagerten Sedimenten Siziliens auftritt, konnte nur in wenigen Abschnitten gefunden werden. Sapropele weisen in der Regel geringere Carbonatgehalte als die sie umgebenden Sedimente auf. Andere, ebenfalls an Barium angereicherte Lagen sind oftmals durch Maxima im Carbonatgehalt charakterisiert. Neben den Strontium- stehen auch die Mangan-, zum Teil auch die Magnesiumgehalte mit den Carbonatgehalten im Zusammenhang. Laterale Unterschiede im Verhältnis von Strontium zu Calcium weisen auf unterschiedliche Häufigkeiten von Aragonit-bildenden Organismen hin. Die Korrelation von Mn/Al- und Ca/Al-Verhältnissen deutet auf eine Bildung von Mangancarbonat-Überzügen auf den Oberflächen von biogenen Calcitschalen hin.
Im Gegensatz zu den Carbonatgehalten lassen sich Fluktuationen in der Zusammensetzung des terrigen-detritischen Materials in fast allen untersuchten Sedimentabschnitten finden. Sie spiegeln sich in den zyklischen Variationen der Si/Al-, Ti/Al-, Mg/Al- und Zr/Al- Verhältnisse, an den Sites 967 und 966 auch der K/Al-Verhältnisse, wider. Sapropele oder Sedimente die auf eine erhöhte Bioproduktion im östlichen Mittelmeer hinweisen zeichnen sich durch höhere Anteile an fluviatilem Material aus. Dieses stammt an den Sites 967 und 966 überwiegend vom Nil und besitzt geringe Mg/Al- und K/Al-Verhältnisse. Die Sites 964 und 969 hingegen erhalten Material der von Norden einmündenden Flüsse, das sich durch höhere Mg/Al- und K/Al-Verhältnisse auszeichnet und im Falle des Eintrags aus der Nordwest-Ägäis besonders Mg-, Cr- und Ni-reich ist. Die übrigen Sedimente enthalten höhere Anteile an größtenteils aus der Sahara stammendem äolisch eingetragenem Material, das beckenweit eine recht ähnliche Zusammensetzung aufweist und durch höhere Si/Al-, Ti/Al- und Zr/Al-Verhältnisse gekennzeichnet ist.
Daß die zyklischen Schwankungen der Zusammensetzung des terrigen-detritischen Materials auf die Variationen der astronomischen Parameter Präzession und Neigung der Erdachse zurückzuführen sind, beweist die Ähnlichkeit des Ti/Al-Profils von Site 967 mit der La90-65°N-Sommer-Sonneneinstrahlungskurve. Ein Abgleich der in dieser Arbeit gewonnenen chemischen Profile mit der genannten Sonneneinstrahlungskurve ermöglicht die Erstellung von exakten Altersmodellen der ungestörten Abfolgen. Basierend darauf konnten Sedimentations- und Akkumulationsraten berechnet werden. Die getrennte Betrachtung von Ablagerungs-Halbzyklen der Lokationen 969 und 967 zeigt, daß die Sedimentationsraten während der Sonneneinstrahlungsmaxima geringer waren. Dabei nahm neben der Akkumulation von Carbonat im Mittel auch die Akkumulation von terrigen-detritischem Material ab. Da der Anteil äolischen Materials an der Sedimentation während dieser Perioden geringer ist, resultiert daraus eine Abnahme der Eintragsmengen diesen Materials. Bisherige Untersuchungen zur Paläoklimatologie der nördlichen Sahara sprechen dafür, daß in Zeiten der Sapropelbildung ein humideres Klima mit einer dichteren Vegetationsbedeckung vorgelegen hat. Aus diesem Grund konnte weniger Staub entstehen und ins Mittelmeer eingetragen werden. Modellrechnungen zeigen, daß die akkumulierten Mengen fluviatil eingetragenen Materials an den Sites 969 und 967 während der Sonneneinstrahlungsmaxima höher waren. Die Akkumulationsraten äolischen Materials sind an beiden Lokationen in etwa gleich hoch. Das fluviatile Material besitzt an Site 969 einen geringeren Anteil und an Site 967 einen höheren Anteil am gesamten terrigen-detritischen Material als das äolische Material.
Neben den Änderungen der Eintragsquellen könnte sich ein Wechsel des Strömungsmusters insbesondere auf die Sedimente von Lokation 969 ausgewirkt haben. Darauf deutet ein ungewöhnlich starker Rückgang des Ti/Al-Verhältnisses in einigen der dort vorliegenden Sapropele hin. Dieser kann mit einem drastischen Rückgang des mit der Strömung aus Osten herantransportierten Ti-reichen Materials erklärt werden. Während der Ablagerung Sapropel-freier rötlicher Sedimente hat ein solcher Strömungswechsel offenbar nicht stattgefunden.
Mit den Verhältnissen von organischem Kohlenstoff (TOC) zu Barium bietet sich die Möglichkeit, die initialen TOC-Gehalte der lediglich an Barium angereicherten Horizonte zu bestimmen und daraufhin die Höhe der Paläoprimärproduktion abzuschätzen. Verwendet werden dazu die TOC/Ba-Verhältnisse von solchen Proben, die aus dem unteren Teil von Sapropelen stammen und von einem postsedimentären oxischen Abbau unbeeinflußt geblieben sein sollten. Diese Verhältnisse nehmen mit zunehmender Wassertiefe des Ablagerungsraums ab. Aufgrund der anhand verschiedener Formeln abgeschätzten Paläoprimärproduktionsraten ist von Bedingungen einer verstärkten Erhaltung organischen Materials während der Sapropelbildung, z.B. anoxischen Verhältnissen im Tiefenwasser, auszugehen. Am Eratosthenes Seamount (Lokationen 967 und 966) war auch während der weniger ausgeprägten Sonneneinstrahlungsmaxima die Bioproduktion erhöht. Zu Zeiten besonders intensiver Sonneneinstrahlungsmaxima war die Primärproduktion an Lokation 969 am höchsten. Hier wurden Werte von über 300gC/m2¥a erreicht, ein Wert der mit Primärproduktionsraten von Auftriebsgebieten vergleichbar ist. Die Dauer der Hochproduktionsphasen liegt im Mittel bei 8000-9000 Jahre, an Lokation 964 (Ionisches Meer) bei etwa 3000 Jahren. Werden die initialen mit heute vorliegenden organischen Kohlenstoffgehalten oder den geschätzten Primärproduktionsraten verschiedener Ba-reicher Horizonte verglichen, so zeigt sich, daß der postsedimentäre oxische Abbau von organischem Material von Fall zu Fall mit einer unterschiedlichen Effektivität stattgefunden hat. Um diese Unterschiede zu erklären, sind ein bei beckenweiter Sapropelbildung auftretender sich selbst verstärkender Prozeß der Erhaltung oder im Fall fehlender Sapropelerhaltung eine saisonale vollständige Remineralisierung des organischen Materials anzunehmen.
Die Spurenelement-Akkumulationsraten unterstützen die Hypothese eines von Fall zu Fall unterschiedlichen Ablagerungsmilieus der Sapropele. Während schwacher Sonneneinstrahlungsmaxima werden nur an Site 967 geringe Überschuß-Mengen an Spurenelementen akkumuliert. Während der intensiven Sonneneinstrahlungsmaxima werden an Site 969 die größten Spurenmetallmengen gefunden. An Site 964 jedoch ist, im Verhältnis zur Menge des akkumulierten TOC, die Anreicherung von Spurenmetallen (As, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, V, Zn) in den Sapropelen am höchsten. Möglicherweise ist die Verfügbarkeit dieser Elemente im Ionischen Becken besonders hoch. Ein Vergleich der Mangangehalte und Mangan-Akkumulationsraten Sapropele enthaltender und Sapropel-freier Sedimente zeigt, daß die Umverteilung von Mangan von flacheren in tiefere Regionen während der Sapropelbildung intensiviert war. Nach Bilanzrechnungen erfolgte möglicherweise ein Export von Mn in das westliche Mittelmeer.
Sämtliche in dieser Arbeit ermittelten Einzelbefunde münden in einem Modell, das vier verschiedene Szenarien der paläoklimatisch-/paläoozeanographischen Bedingungen im östlichen Mittelmeer widerspiegelt. Zu Zeiten von Sonneneinstrahlungsminina, entsprechend den heute vorzufindenden Verhältnissen, ist das östliche Mittelmeer durch ein arides Klima und oligotrophe Bedingungen geprägt. Zeiten der Sonneneinstrahlungsmaxima zeichnen sich durch ein humideres Klima aus und können je nach ihrer Stärke schwache, moderate oder intensive Auswirkungen auf das östliche Mittelmeer haben. Während schwacher Sonneneinstrahlungsmaxima werden keine Sapropele gebildet und rötliche Sedimente abgelagert. Zu Zeiten moderater Sonneneinstrahlungsmaxima beschränkt sich die Bildung von Sedimenten die reich an organischem Material sind auf nur einige Bereiche des östlichen Mittelmeeres. Während intensiver Sonneneinstrahlungsmaxima findet eine beckenweite Bildung und Erhaltung von Sapropelen, begleitet von einer zumindest zeitweisen Zirkulationsumkehr der Oberflächen- und Intermediärwassermassen, statt.
In this thesis results of high-resolution geochemical investigations on 2.3 to 3.1 million year old Pliocene sediments from the eastern Mediterranean are presented. The sediments were recovered during Ocean Drilling Program Leg 160 at Sites 964 (Pisano Plateau, Ionian Sea), 969 (Mediterranean Ridge, south of Crete), 967 (northern slope of Eratosthenes Seamount, south of Cyprus), and 966 (top of Eratosthenes Seamount). The aim of this study is to contribute to the understanding of the periodic changes of the eastern Mediterranean paleoenvironment.
The investigated material was identified as nannofossil ooze with carbonate contents between 50 and 70 % with intercalated sapropels, layers with organic carbon (TOC) contents between 2 and 31 %. The sapropels are characterized by a high content of trace elements similar to Cretaceous black shales. It was found that significant amounts of some trace elements are also present below the sapropels in the zone of diagenetically formed sulphide-enrichment. Barium-enrichments were found in all investigated sapropels and also in sediments low in TOC content. These Ba-enrichments can be used as proxies for the former position of sapropels and intervals of enhanced productivity of organic matter.
Further remarkable intervals were found in the sediments from Site 964 and were identified as turbidites. They are characterized by a gradual bedding with higher silt and heavy mineral contents in the basal part. The upper and lower contacts of these deposits can be defined after the elemental signatures. Most of the investigated elements display depth profiles in the turbidites which can be explained by the sedimentation-related grain size sorting process. The Mn/Al profile can be explained by remobilization and diffusion of Mn(II) under suboxic conditions.
A cyclicity of the carbonate content was only found in some parts of the investigated sedimentary intervals. Sapropels generally have lower carbonate contents than the surrounding sediments. Sr and Mn contents of the sediments are correlated with the Ca content. It is likely that manganese carbonate coatings occur on the surfaces of biogenic calcite fragments.
In contrast to the carbonate content cyclic variations in the composition of the terrigenous-detrital matter were found in nearly all of the investigated sedimentary intervals. Those are displayed in the Si/Al-, Ti/Al-, Mg/Al-, and Zr/Al-profiles, at Sites 967 and 966 also in the K/Al-profile. Sapropels or sediments indicating an enhanced bioproductivity are characterized by a higher fraction of fluvially derived terrigenous-detrital matter. In the case of Sites 967 and 966 this material originates predominantly from the Nile and its Mg/Al and K/Al ratios are low. Sites 964 and 969 receive material originating from rivers of the northern borderlands of the eastern Mediterranean during intervals of a higher productivity of organic matter. This material is rich in Mg, Cr, and Ni and can partly be attributed to an ultramafic source, probably on the greek mainland. The other sedimentary intervals are characterized by a higher contribution of eolian derived material, mainly of Saharan origin. This material has a similar composition basinwide and is characterized by higher Si/Al, Ti/Al and Zr/Al ratios.
The mentioned cyclic variations in the chemical composition of the terrigenous-detrital matter are correlated with the earth´s orbital parameters, i.e., precession and obliquity. Evidence for this is given by the similarity of the Ti/Al-profile from Site 967 and the La90-65°N-insolation target curve. By a combination of the chemical profiles with the insolation curve excact time models can be obtained for the undisturbed sedimentary sections. Based on this the sedimentation- and accumulation rates can be calculated. When the chemical profiles of Sites 969 and 967 are subdivided into minima- and maxima-half-cycles, this demonstrates that the accumulation rate of both carbonate and terrigenous-detrital matter are generally lower during the insolation maxima. Since the contribution of eolian derived material to the sediments is lower during these periods, it can be concluded that a decrease of the amount of dust introduced into the basin occured. Earlier investigations regarding the paleoclimatology of the northern Sahara suggest that during times of sapropel formation a more humid climate with a vegetation cover prevailed in this region. Therefore the amount of desert dust generated and transported into the Mediterranean may have been lower. Model calculations show that during the insolation maxima the amount of fluvially derived material being deposited at Sites 969 and 967 was higher. The accumulation rates of eolian derived material are in a similar range for both sites. The fraction of the river derived material is smaller than the eolian derived material at Site 969 and higher at Site 967.
Besides the changes regarding the sources of the terrigenous-detrital matter there may have been an influence of the water currents, especially on the sediments from Site 969. This seems to be expressed by a drastic decrease of the Ti/Al-ratios in some of the sapropels of that location. This decrease may be explained by a shut-off of the current induced westward transport of Ti-rich material from a source in the East, where Ti/Al ratios are highest (Sites 967 and 966). Maybe during deposition of the sapropel-barren reddish intervals such a change in the water current pattern did not occur.
TOC/Ba ratios can be used to determine the initial organic carbon content of sediments and estimate the primary productivity of layers that are enriched in Ba. For such a procedure TOC/Ba ratios of samples from the lower part of sapropels which have not been under the influence of the postsedimentary burn-down process are used. These ratios are decreasing with an increasing water-depth. The estimated primary productivity values obtained by different equations indicate that conditions of enhanced preservation, e.g. anoxic bottom water, did exist during sapropel formation. At the Eratosthenes Seamount (Sites 967 and 966) productivity was also higher during the less intense insolation maxima. During very strong insolation maxima the primary productivity reaches the highest values of up to 300 gC/m2¥yr at Site 969. This is a rate comparable to modern upwelling systems. The duration of the intervals with higher productivity is on average between 8000 and 9000 years, at Site 964 (Ionian Sea) the average duration is 3000 years. A comparison of the initial organic carbon content and the content of organic carbon preserved in sapropels or a comparison of primary productivity rates of different Ba-rich intervals shows that the postsedimentary decomposition of organic matter did not have the same efficiency in time and space. To explain these differences a self amplificating effect of preservation during a basinwide sapropel formation or a complete seasonal remineralization of the organic matter in the case of `missing´ sapropels is necessary.
Trace metal accumulation rates support the hypothesis that the depositional environment was not the same for all sapropels or productivity-events. During weak insolation maxima only a slightly enhanced trace metal accumulation occured at Site 967 but not at the other locations. During a basinwide sapropel-formation the trace element/initial TOC ratios of As, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, V, and Zn are found to be the highest in the sapropels of Site 964. Perhaps the availability of these elements is highest in the Ionian Basin. A comparison of manganese contents and manganese accumulation rates of sapropel-bearing and sapropel-barren sediments shows that the redistribution process, i.e. transport of Mn from shallower into deeper parts of the basin, must have been more intense during intervals of sapropel formation. According to budget calculations an export of Mn into the western Mediterranean may have occured.
Based on the results presented in this thesis a model is provided consisting of four different paleoclimatic/paleoceanographic scenarios in the eastern Mediterranen. During insolation minima a more arid climate and oligotrophic conditions prevail in the eastern Mediterranean. In times of insolation maxima climate is more humid and may have a weak, moderate or intense impact on the eastern Mediterranean paleoenvironment: During weak insolation maxima no sapropels are formed and reddish sediments are deposited. In times of moderate insolation maxima organic carbon rich sediments are only formed in some part of the eastern Mediterranean. During intense insolation maxima a basinwide formation and preservation of sapropels occurs, accompanied by an at least temporary inversion of the surface and intermediate water currents.