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«Die vorliegende Arbeit ist die inhaltlich unverändert Fassung einer Dissertation, die 1998 dem Fachbereich Geowissenschaften der ...»

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Jochen Knies

Alfred-Wegener-Institut füPolar- und Meeresforschung

Columbusstrasse

Postfach 120161

D-27515 Bremerhaven

Die vorliegende Arbeit ist die inhaltlich unverändert Fassung einer

Dissertation, die 1998 dem Fachbereich Geowissenschaften der

UniversitäBremen vorgelegt wurde.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

1. Einleitung

1.1 Rekonstruktion von Paläoumweltbedingungeim Arktischen Ozean

1.2 Der Eurasische Kontinentalrand: Wegweiser zum besseren Verständni paläoklimatischeProbleme im Arktischen Ozean?

1.3 Zielsetzung und Strategie

.

2 Publikationen

2.1 New aspects of organic carbon deposition and its paleoceanographic implications along the northern Barents Sea margin during the last 30.000 years.................

2.2 Late Quaternary growth and decay of the Svalbard/Barents Sea ice sheet and paleoceanographic evolution in the adjacent Arctic Ocean

2.3 A multiproxy approach to reconstruct the environmental changes along the Eurasian continental margin over the last 160.000 years

.

3 Synthese

3.1 Die Ablagerung von terrigener und mariner organischer Substanz am nÃrdliche Kontinentalhang der Barents-See: Steuerungsprozesse und Klimarelevanz.................

3.2 Die Paläoumweltbedingungeam nÃrdlicheKontinentalrand der Barents-See währen der letzten 150.000 Jahre

3.3 Die spätquartä Vereisungsgeschichte und Paläoozeanographider nÃrd lichen Barents- und Kara-See: Hinweise aus marinen Sedimentkernen

4. Schlußfolgerunge und Ausblick

5. Literatur

Danksagung

Anhang

I. Material und Methoden

I.I Probennahme und Bearbeitung der Sedimentkerne

1.11 Sedimentphysikalische Eigenschaften und Granulometrie

I Elementaranalyse und Rock-Eval Pyrolyse

I.IV UVvis Spektroskopie, Opalanalyse, und stabile Isotope

I.V Gaschromatographie und Massenspektrometrie

Vorwort Diese Dissertationsschrift gliedert sich in drei Teile. Im ersten Teil gebe ich eine Einführunin die Thematik und eine zusammenfassende Übersichübe den gegenwärtige Stand der Forschung im Arktischen Ozean und im Untersuchungsgebiet.

Im zweiten Teil werden, in englischer Sprache verfasst, drei Publikationen vorgestellt, die bei verschiedenen internationalen Fachzeitschriften bereits im Druck oder eingereicht sind. Der Inhalt und die thematischen Zusammenhäng dieser Arbeiten werden in der Einleitung (Kap. 1.3) kurz erläutert Diese Arbeiten sind zum Teil in Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern entstanden, die als Autoren mit aufgeführ sind. In der ersten VerÃffentli chung (Kap. 2.1) erscheint als Mitautor mein Betreuer Priv. Doz. Dr. Rüdige Stein. Die zweite VerÃffentlichun (Kap. 2.2) beinhaltet unverÃffentlich Daten von Dr. Christoph Vogt. Seine Bestimmung des Dolomitgehalts als detritische Komponente des Karbonats im Kern PS2138-1 war notwendig fü die Interpretation des übrige Karbonatanteils als biogener Tracer. In die dritte VerÃffentlichun (Kap. 2.3) fließe zum einen die paläomagnetische Ergebnisse der Kerne PS2138-1 und PS2741-1 von Dr. Norbert Nowaczyk und zum anderen die Ergebnisse der Tonmineralanalyse von Dip1 Geol.

Claudia Müllefüden Kern PS2741-1 mit ein. Beide erscheinen neben meinem Betreuer als Mitautoren. Grundsätzlic wurden alle Analysen selbständi ausgewertet sowie die entsprechenden Textteile selbstständi verfaßt Die Literaturzitate der VerÃffentlichunge sind mit denen der Rahmenarbeit in Kapitel 5 zusammengefaßtum Duplizitäte zu vermeiden.

Im dritten Teil der Arbeit werden in einer Synthese alle wesentlichen Ergebnisse der Publikationen mit unverÃffentlichte Daten zusammenfassend diskutiert, um das Gesamtbild der Arbeit abzurunden.

Im Anhang werden die methodischen Details, die in den Publikationen nicht nähe aufgeführworden sind, aufgezeigt. Auf Datentabellen und Kernbeschreibungen wurde verzichtet. Sie werden in der Datenbank PANGAEA am

Polar- und Meeresforschung archiviert :

Alfred-Wegener-Institut fü Alfred-Wegener-Institut füPolar- und Meeresforschung, Abteilung Marine Geologie, Columbusstrasse, 27568 Bremerhaven, Tel.: ++49 471 4831 220, Fax: ++49 471 4831 149, E-mail: sepan @awi-bremerhaven.de, World Wide Web: http//www.pangaea.de Die starken Fluktuationen des Eisschildes im niederschlagsreichen Westen Eurasiens zwischen OIS 4 und OIS 2 und vermutlich auch im OIS 6 korrespondieren mit bedeutenden EisvorstÃßund erhÃhte Kalbungsraten des Laurentidischen Eisschildes. Die gute zeitliche Korrelation der IRD-reichen Lagen mit den Heinrich-Ereignissen im Nord-Atlantik spiegelt eine direkte Kopplung der zirkum-atlantischen Eisschilde wider. Die Ursache dieser Kopplung ist vermutlich in der direkten Reaktion des auf dem Schelf aufliegenden Barents-See-Eisschildes auf kleinere Meeresspiegelanstiege, induziert durch die ErhÃhun der Kalbungsrate des Laurentidischen Eisschildes, zu suchen und nicht auf atmosphärisc gesteuerte, externe "klima- oder klimabezogene Mechanismen" zurückzuführe den niederschlagsarmen GebieIn ten im Osten Eurasiens dagegen sind grÃßeEisschild-Fluktuationen nur im unmittelbaren Anschluà an bedeutende Interglaziale (OIS 7 und OIS 5) zu beobachten. Es scheint, da die lnterglaziall~lazial-Ãœbergän OIS 7 zu von OIS 6 bzw. OIS 5 zu OIS 4 mit verstärkte Einstrom von Atlantikwasser in den Arktischen Ozean und der daraus resultierenden Penetration von feuchtigkeitsführendeTiefdruckgebieten in Ãstlich Richtung ideale Zeitpunkte fü den intensiven Eisaufbau im Osten Eurasiens darstellten. Sie führte schließlic zum grÃßt Eiswachstum des Kara-See Eisschildes währen der Saale- (OIS 6) und mittleren Weichsel- (OIS 4) Vereisung.





Abstract

Selected sediment cores recovered along the northern continental margin of the Barents and Kara seas were examined using a multi environmental parameter approach in order to expand the knowledge of the Arctic Ocean paleoenvironmental changes during the late Quaternary. The well-documented stratigraphy of the investigated cores and sedimentation rates up to 38 cmlkyr allowed detailed investigations of the organic carbon deposition, the long- and short-term paleoceanographic changes, and the ice-sheet history of the Barents and Kara seas during the last glaciallinterglacial cycles.

The multi proxy approach showed that single paleoceanographic proxies traditionally used in the North Atlantic are of limited value for paleoenvironmental reconstructions in the study area. For example, variations in paleosurface-water productivity are here not documented in amount and composition of marine organic carbon as in lower latitudes. Instead, only a combination of various proxies including organic, inorganic, and micropaleontological parameters elucidate distinct differences in late Quaternary surface-water productivity changes. The highest amount of marine organic matter was deposited during the late Weichselian (25-23 ka) as a result of scavenging on finegrained, reworked, and terrigenous-organic-matter-rich material released by the retreating SvalbardIBarents Sea ice sheet (Event I). A second peak of marine organic matter is preserved because of sorptive protection by detrital and terrigenous organic matter, higher surface-water productivity due to permanent intrusion of Atlantic water, and high suspension load release by melting sea ice during late Termination l (15.9-11.2 ka) (Event 11).

The predominant organic carbon fraction in late Quaternary sediments along the northern Barents and Kara seas, however, is of terrigenous origin. Although the high accumulation rates of organic carbon up to 0.45 gC/cm^/kyr are comparable to high productive upwelling zones in lower latitudes, deposition of organic carbon is mainly controlled by transport of allochthonous terrigenous organic matter via icebergs, sea-ice, turbidites, and suspension load release by retreating ice-sheets.

Generally, the environmental conditions along the northern Barents and Kara seas reflect a gradient from (a) a relatively stable ice-edge upwelling regime with at least subsurface Atlantic water inflow and a more frequent ice-sheet oscillations along the western margin to (b) a relatively permanent sea-ice coverage with low surface-water productivity and less frequent ice-sheet oscillations on the eastern margin during the last glacial/interglacial cycles. Temporary ice-free conditions enhanced by subsurface Atlantic water advection and coastal polynyas along the western margin accelerated the final ice sheet build-up during OIS 6 and OIS 2. A comparable two-step deglaciation Patterns is proposed for Termination II and I. The virtually complete dissolution of biogenic calcite during interglacial intervals was mainly controlled by CO2-rich bottom waters and oxidation of higher amounts of marine organic carbon and indicates intensive Atlantic water inflow and a stable ice margin. Despite of ice-sheet build-up and extensive sea-ice coverage, periodically open-water conditions also occurred during glacial OIS 4. Signals of open-water conditions along the eastern margin are not significant. Slightly higher production of planktonic foraminifera, probably due to Atlantic water inflow, occurred between 38 and 12 1% ka and corresponds with periodically Atlantic water advection penetrating into the Arctic Ocean. The interglacials are probably indicated by intense calcium carbonate dissolution caused by dense bottom water formation flowing along the continental slope and suggest more or less conditions comparable to the recent environmental situation.

In the high-precipitation areas of western Eurasia, large ice-sheet fluctuations between OIS 4 and OIS 2, and probably during OIS 6, correspond to contemporary Laurentide surging events and indicate short-term climatic changes in the Arctic Ocean as has been recorded in lower latitudes. Distinct IRD-layers on the western Eurasian margin, contemporaneous with the Heinrich events in the North Atlantic, may suggest a link of ice-sheet dynamics in response to short-term sea-level rises caused by Laurentide surge rather than an external forcing by "climate or climate-related mechanisms". In the relatively low-precipitation areas of eastern Eurasia ice advance onto the shelf occurred during OIS 6 and 01s 4 and followed only distinct interglacial periods. This suggests that during the initial cooling following OIS 5, and probably OIS 7, the combined effect of sustained inflow of Atlantic water into the Arctic Ocean and penetration of moisture-bearing cyclones into easterly direction supported major ice build-up during Saalian (01s 6 ) and mid-Weichselian (01s 4) glaciation.

Abb. 1.1.1 : Physiographie des Arktischen Ozeans (vgl. Herman 1989). Die wichtigsten Oberflächenstrà werden durch Pfeile markiert (gestrichelt: kalt; durchzogen: warm) (TD: Transpolardrift, BG: Beaufort Wirbel). Die durchschnittliche Meereisausdehnung im Winter und im Sommer ist angegeben. Schematisch sind die zirkum-arktischen Inlandeismassen und Vergletscherungen dargestellt.

sich in den Sedimenten widerspiegelt (Abb. 1.1.I). An Oberflachensedimenten sind entsprechende Untersuchungen intensiv vorgenommen worden @.B.

Stein et al. 1996a und Beitrage darin). So lassen sich z.B. die Zufuhr von relativ warmen Atlantikwasser durch die Fram-Straß und übe die Barents-See sowie die Eisrandzone im Arktischen Ozean durch hohe Primarproduktionsraten und Akkumulation von mariner organischer Substanz nachzeichnen z.B. Heimdal 1983, Stein et al. 1994b, Schubert & Stein 1997, Fahl & Stein 1997). Die permanente Meereisbedeckung im zentralen Arktischen Ozean verhindert dagegen eine hÃher Primärproduktio im Oberflachenwasser (English 1961, Subba Rao & Platt 1984, Wheeler et al. 1996). Nur in Regionen mit saisonal offenen Wasserbedingungen sind Produktivitätssteigerunge in den Sedimenten dokumentiert (Schubert & Stein 1997, Fahl & Stein 1997, Boetius & Damm 1998).

Die Oberflächenzirkulatio und Wassermassen im Arktischen Ozean (vgl.

Aagaard & Carmack 1994) werden in den Vergesellschaftungen planktischer Foraminiferen und in den Sauerstoffisotopendaten reflektiert (vgl. z.B. Hebbeln & Wefer 1991, Carstens & Wefer 1992, Spielhagen & Erlenkeuser 1994).

Die Bildung von hochsalinen Bodenwassermassen auf den Schelfen, die einen erheblichen Beitrag zur Tiefenwasserneubildung im Arktischen Ozean leistet (vgl. Midttun 1985, Rudels et al. 1994, Jones et al. 1995, Anderson 1995, Schauer et al. 1997), kann durch intensive KarbonatlÃsun entlang des Eurasischen Kontinentalhangs belegt werden (vgl. Steinsund & Hald 1994).

Die Zusammensetzung der Oberflächensediment (z.B. KorngrÃßenverte lung, Tonminerale, Schwerminerale) reflektiert den überwiegenterrigenen Sedimenteintrag im Arktischen Ozean übe Meereis, Flüssund Trübestrà ;.B. Darby et al. 1989, Nürnberet al. 1994, Stein et al. 1994a,b). Desweiteren ermÃglich sie die Rekonstruktion der Liefergebiete der umgelagerten Sedimente und deren Transportwege im Arktischen Ozean (Nürnber et al, 1995, Vogt 1997, Behrends 1998, Wahsner et al. 1998). Von besonderer Bedeutung fŸ das Ablagerungsmilieu im Arktischen Ozean ist vor allem der Sedimenttransport durch Meereis (vgl. Eicken et al. 1997 und Zitate darin).

Groß Mengen zumeist feinkÃrnige Sedimente werden auf den zirkum-arktisehen Schelfen ins Meereis inkorporiert (Reimnitz & Kempema 1987, Reimnitz et al. 1994, Nürnberet al. 1994, Dethleff 1995, Wahsner et al. 1998). Ãœbe die Transpolardrift im Eurasischen Becken und den Beaufort-Wirbel im Amerasischen Becken wird das Sediment in Regionen mit erhÃhte Abschmelzraten transportiert und dort wieder freigegeben (Abb. 1.1.1.; z.B.

Gordienko & Laktionov 1969, Wollenburg 1993, Nürnberet al. 1994, KasSens et al. 1995, Pfirman et al. 1997). Der geringe Eintrag von eisbergtransportiertem Material (IRD) spiegelt dagegen die geringen Ausmaß der zirkumarktischen Eisschilde unter den rezenten Bedingungen wider (z.B. Eicken et al. 1997). Nur in unmittelbarer Näh der Inlandeismassen am ostgrÃnlä dischen Kontinentalhang ist ein IRD-dominiertes Ablagerungsmilieu zu beobachten (vgl. Marienfeld 1992, Stein et al. 1993, Nam et al. 1995, Stein et al.



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