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«Hanne Notholt Ber. Polarforsch. 275 (I 998) ISSN 0176 - 5027 Hanne Notholt Alfred-Wegener-Institut füPolar- und Meeresforschung Forschungsstelle ...»

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Die Auswirkungen der,,NoflhEastWater"-Polynya

auf die Sedimentation vor NO-Gronland und

Untersuchungen zur Palao-Ozeanographie seit dem

Mittelweichsel.

The lmplication of the "N0fihEastWater"-Polynya

On the Sedimentation by NE-Greenland and

Late Quaternary Paleo-oceanic lnvestigations

Hanne Notholt

Ber. Polarforsch. 275 (I

998)

ISSN 0176 - 5027

Hanne Notholt

Alfred-Wegener-Institut füPolar- und Meeresforschung

Forschungsstelle Potsdam, Telegraphenberg A43

D - I 4473 Potsdam, Bundesrepublik Deutschland Die Vorliegende Arbeit ist die leicht verändert Version einer Dissertation, die im Oktober 1997 dem Fachbereich 5 (Geowissenschaften) der UniversitäBremen vorgelegt wurde. Die Daten dieser VerÃffentlichun sind übe das Alfred-wegenerInstitut füPolar- und Meeresforschung verfügbar

The data of this publication are available through the:

Alfred-Wegener-Institut füPolar- und Meeresforschung Postfach 120161 27568 Bremerhaven Tel: 0471 4831 220 Fax: 0471 4831 149 http://www.pangaea.de Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Summary

1. Einführun

1.1. Fragestellungen und Zielsetzung dieser Arbeit.

1.2. Das Verhalten der stabilen Kohlenstoffisotope bei der Bildung und Umwandlung organischer Substanz im marinen Milieu.

1.2.1. Der Isotopieeffekt.

1.2.2. 6"Corg im marinen Ökosystem 1.2.3. Die Fraktionierung beim Einbau organischen Materials ins Sediment.

1.3. Kenntnisstand der paläoklimatische Entwicklung in Bezug auf das Untersuchungsgebiet.

2. Hydrographie und Biologie des Untersuchungsgebietes.

2.1. Die rezente Hydrographie.

2.2. Eisbedeckung und Sedimentation.

2.3. Biologie der NorthEast-Water Polynya.

2.3.1. Die Primärproduktion 2.3.2. Das partikulär organische Material.

2.3.3. Die benthischen Organismen und das Sediment.

2.3.4. Die Nahrungskette.

2.3.5. Die angrenzenden Landgebiete.

3. Material und Methodik.

3.1. Herkunftgebiete und Gewinnung der Sedimentkerne, des partikuläre Materials und der terrestrischen Proben. 34 3.1.1. Material fü die Untersuchungen rezenter Prozesse. 34 3.1.2. Sedimentkerne fü die Paläomilieu Untersuchungen

3.2. Die Analysemethoden.

3.2.1. Aufnahmen von Radiographien.

3.2.2. Bestimmung des Wassergehaltes.

3.2.3. Bestimmung der Gehalte des Karbonats, des organisches Kohlenstoffs und Stickstoffs und Berechnung der Corg/Nges Verhältnisse 40 3.2.4. Bestimmung der Verteilung der stabilen Isotope des organischen Kohlenstoffs. 44 3.2.5. Bestimmung der Verteilung der stabilen Isotope karbonatischen Kohlenstoffs und Sauerstoffs.

Inhaltsverzeichnis 3.2.6. Bestimmung des IRD-Gehaltes.

3.2.7. Mikroskopie der Sandfraktion.

3.2.8. Die 14C-Datierungen.

3.2.9. RÃntgenographische Untersuchungen von karbonatischen Neubildungaggregaten. 47

4. Ergebnisse der geochemischen Untersuchungen des organischen Materials im terrestrischen Material, aus der Wassersäul und im Oberflachensediment. 4 8

4.1. Das Oberflächensediment

4.2. Das partikulär organische Material in der Wassersäule 4 9

4.3. Die terrestrischen Proben. 59

–  –  –

8. Rekonstruktion des paläoozeanographische StrÃmungssysteme im Europäische Nordmeer und in der Fram-StraBe.

8.1. Das Isotopenstadium 3.

8.2. Das Isotopenstadium 2.

8.3. Das Holozän

–  –  –

Ein Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, die Sedimentation und die fruhdiagenetischen Prozesse zu untersuchen. Dazu wurden geochemische Analysen an Sedimenten d e r "NorthEastWater"Polynya durchgeführt Die dabei erzielten Ergebnisse wurden zusammen mit geochemischen und sedimentologischen Untersuchungen an langen Sedimentkernen zu Aussagen übe die paläo klimatische Entwicklung dieser Region verwendet.

Das Untersuchungsgebiet ist der nordostgrÃnländisc Kontinentalrand bei Ca. 80° und die MŸndun des ostgrÃnländisch KongOscar-Fjords, bei ca. 72ON. Zum Vergleich werden terrestrisches Material aus NordostgrÃnland Spitzbergen und Sibirien untersucht.

I m ersten Teil der Arbeit wird die Untersuchung organischen Materials verschiedener Herkunft diskutiert, um den Einfluà d e r Frühdiagenes im marinen Sediment auf das 613Corg-Signal i m organischen Material zu beschreiben.

E s konnte gezeigt werden, da organisches Material a u s terrestrischer und mariner Herkunft nicht anhand der S 1 3 C o r g Werte identifiziert werden kann. Die 613Corg-Werte liegen i m selben Meßbereich Anhand der 6 ^ C o r g und Corg-Messungen a n den Oberflächen sedimenten konnte einen Zusammenhang zwischen dem Abbau des organischen Materials und der Veränderun der Isotopenverteilung des organischen Kohlenstoffs mit Hilfe eines mathematischen Modells beschrieben werden: Dazu wird ein konstanter Fluà an gleichartigem organischem Material zum Meeresboden sowie eine konstante Abbaurate in der Nepheloidschicht angenommen. Es gilt

dann:

Mit:

613Cs,m: S13Corg-Wert im Sediment 6^Cs,0: 613Corg-Wert in der Wasser-Sedimentschicht Der Anteil an nicht zersetztem organischem Material im





f:

~~diment (f=Corg,~edirnent/Corg,o cm) der Anreicherungsfaktor in Promille (die GrÃà der E Isotopenfraktionierung währen der Abbaureaktion).

Zusammenfassung

Durch eine dichte Beprobung des Oberflächensedimente konnte eine Quantifizierung der Isotopenfraktionierung, also eine Bestimmung d e s Anreicherungsfaktors, E, erfolgreich durchgeführ

werden:

Der &-Wert ist vom Ökosyste abhängig Fü andere pelagische Systeme gelten deshalb voraussichtlich andere &-Werte.

Das S ^ C o r g - ~ i g n a l i m Sediment kann zu palaoklimatischen Aussagen verwendet werden:

- Hohe S^Corg-Werte entstehen wahrend eines wärmere Klimas bei große biologischer Aktivitä und guter Belüftun (wenig Eisbedeckung).

- Niedrige S^Corg-Werte treten als Folge einer guten Erhaltung des organischen Materials auf. Dies entsteht in Kaltzeiten, wenn eine Eisdecke die Belüftun behindert, bei hohen Sedimentationsraten (Eisbergtransport) oder bei der Zufuhr resistenten organischen Materials von Land (Eisbergtransport von Kohlen und TonSiltsteinen).

- Hohe S^Corg-Werte von Eisalgen weisen auf eine Eisrandzone hin.

Die Verwendung der S^Corg-Werte des gesamten organischen Materials i m Sediment füdie Modellierung des atmosphärische C 0 2 Partialdrucks kann nicht empfohlen werden. Das 6^Corg-Signal i m organischen Material wird, bevor der Einbau ins Sediment vollendet ist, im komplexen Kohlenstoffkreislauf modifiziert.

Im zweiten Teil d e r Arbeit wurden sedimentologische und geochemische Untersuchungen an langen Sedimentkernen fü paläoozeanographisch Rekonstruktionen durchgeführt Hierfü wurden u.a. folgende Parameter an sieben langen Sedimentkernen und vier Oberflachenkernen gemessen: Der Wassergehalt, die Gehalte an Corg, Nges und CaC03, 6180 und S ^ C in Neogloboquadrina p a c h y d e r m a, und S ^ C o r g im Gesamtsediment. Der Gehalt an IRD wurde von Radiographien ausgezählt Eine Beschreibung der Sandfraktionen wurde durchgeführt wobei ein nicht-quantitativer Foramindex" erstellt werden konnte.

Die langen Sedimentkerne konnten anhand der S 1 8 0 ( ~. p a ~ h y d e r m a ) Kurven stratigraphisch zugeordnet werden. Die chronologische Zuordnung wurde durch ^ C - A M S - M e s s u n g e n belegt. Die S ^ O c N.pachyderma)-Kurven belegen außerdemda wahrend den IsoZusammenfassung topenstadien 3 und 2 eine groß Schmelzwasserzufuhr von NordgrÃnlan in die westliche Fram-Straß hinein vorhanden gewesen ist.

Das Isotopenstadium 3 war durch eine konstante Zufuhr an Eisbergen in die westliche Fram-Straß geprägt Die Eisberge stammten vermutlich aus Gletschern der nordostgrÃnländisch Fjorde und wurden durch einen Trog übe den Schelf zum Kontinentalhang transportiert. Es gibt keine Hinweise auf die Existenz eines konstanten und starken OstgrÃnland-Stromes D i e OberflachenwasserstrÃmun ist wahrscheinlich schwach gewesen und zirkulierte mÃglicherweis in Perioden in einer geschlossenen Zelle in der Fram-Straße Währen einer Periode des späte IsotopenStadiums lockerte die Eisbedeckung vor dem nordostgrÃnländisch Kontinentalrand auf und eine Hoch-Produktions-Zone mit s e h r große biologischer Aktivitä entstand. Dieses Ereignis wurde wahrscheinlich nicht durch den Eintrag atlantischen Wassers initiiert.

Auch währen des letzten Hochglazials vor Ca. 21.000 Jahren fand bei NordostgrÃnlan eine sehr hohe biologische Produktion statt. Sie stand in Verbindung mit dem Eintrag atlantischen Wassers in die Norwegische See und die Ãstlich Fram-Straße Es kann angenommen werden, da dieses Ereignis von einem geringeren Austausch des Oberflachenwassers zwischen dem Arktischen Ozean und der westlichen Fram-Straß begleitet wurde. Groß Mengen an Eis wurden noch währen d e s letzten Hochglazials episodisch freigesetzt, wobei die biologische Aktivitä in der westlichen FramStraß behindert wurde. Dies deutet auf einen Kollaps der Gletscher oder eines Eisschildes auf dem nordostgrÃnländisch Schelf hin.

Der Rückzu des Eises nach dem letzten glazialen Maximum i m Kong-Oscar-Fjord verlief in zwei Stufen. Zuerst zogen sich die Gletscher durch Abschmelzen in den Fjorden zurŸck währen eine geschlossene Meereisdecke die Eisbergdrift verhinderte. Vermutlich nach der Jüngere Dryas führt Eisbergtransport zu starker Sedimentation i n der Fjordmündun und auf dem Kontinentalhang.

Dabei dominierten Kalbungen beim Eisrückzug Ein klimatisches Optimum wurde vor ca. 8.500 Jahren erreicht.

Eisfreies Wasser strÃmt vom Arktischen Ozean übe den nordostgrÃnländisch Schelf in die Fram-Straß hinein. Die Kalbungsaktivitäte horten sowohl vor NordostgrÃnlan als auch im KongOscar-Fjord auf. Danach stellte sich das spätholozä Oberflachenstromsystem mit dem meereisbedeckten OstgrÃnland-Stro und einer Polynya auf dem nordostgrÃnländisch Schelf ein.

Summary Sedimentation and the early diagenetic processes have been studied in surface sediments from the NE-Greenland shelf and continental slope. I have used these data together with geochemical and sedimentological investigations from seven long sediment cores from the NE- and E-Greenland continental margin between 80' and 72' N for reconstructing the paleoenvironmental history of the EastGreenland-Current.

In the first oart the carbon isotopic composition of organic material ( 8 ^ c o r g ) from different sources (particulate material from the water column, the sediment and the continent) are discussed. The measurements show that the transport mechanisms in the polynya could not be reconstructed because organic material of both terrestrial and marine origin have a similar isotopic composition.

Comparison of the content of total organic carbon (TOC) and 8 ^ c o n in surface sediments suggests a relationship between these parameters. A simplified model was used to quantify the relationship between TOC and 8 1 3 c O T g expecting to understand some factors controlling the 8 ^ ~ ~ ~ - v a l uin ssediments. Assuming a constant flux of e organic material to the sea floor with an unaltered isotopic composition and constant rate of sedimentation and alteration the

following equation was established:

–  –  –

Due to the complexity of the carbon cycle in a marine System the late Quaternary C 0 2 levels cannot be calculated from the 513Corg-values of the sedimentary TOC.

In the second part sedimentological and geochemical data from seven long gravity cores and four short multiple cores are used to reconstruct the paleo-environment changes of E- and NE-Greenland.

The stratigraphic correlation of the investigated cores is primarily based On oxygen and carbon isotope analysis of the planktic foraminifera Neogloboquadrina pachyderma. In additionl6 AMS-C-14dates provided a satisfactory age control of the cores. Oxygen and carbon isotope Pattern suggest that distinct melt water events occurred - probably originating in NE-Greenland.

The oldest sediment sequence, represented in two cores from the NEGreenland continental slope, can be dated as middle Weichselian.

They show high contents of ice rafted debris (IRD) and terrigeneous organic material and low content of carbonate, suggesting N- and NEGreenland to be the source area.

From sedimentological and geochemical investigations of three sediment cores from the NE-Greenland continental shelf and slope, I deduce the occurrence of two events of at least seasonally Open water conditions during the late Weichselian. Sediment sequences with a high amount of biogenic carbonate, low amount of total organic carbon and high  § l ^ ~ ~ ~ ~ - varel u e a evident for at least seasonally Open water conditions. For about 37 500 (calendar) years BP. when Open water conditions were first recorded, the western Fram Strait was at least periodically icefree on the continental slope at 5 W.

O At present the ice covered Polar Water originating in the Arctic Sea flows over this position, preventing high biological activity and thus stopping the flux of biogenic carbonate to the sea floor. In the western Fram Strait the Polar Water mixes with the Atlantic Return Current resulting in the East Greenland Current (EGC). This feature is characteristic for the present oceanographic current System in the Fram Strait and the Greenland-Iceland-Norwegian-Sea (GIN-Sea).

I suggest that the Open water conditions were initiated by a change in the EGC, due to a reduced strength of the polar water advection and possible to a wind andlor ice barrier at the entrance of the Arctic Sea to the Fram Strait. The Open water events can be correlated to similar events in the eastern Fram Strait, suggesting the importance of an advection of Atlantic water at least for the later event (during the last glacial maximum), where subpolar planktic foraminifera are present in the sediment on the NE-Greenland shelf.



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