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~ K708-7
D PS21295
Alters/Tiefen-Modelle der im Rahmen dieser Arbeit bearbeiteten Sedimentkerne
1.2 Auswahl der Foraminiferenarten fOr elementanalytische Untersuchungen 1.2.1 Planktlsche Foraminiferen
Die im Europäischen Nordmeer weit verbreitete planktische Foraminiferenart Neogloboquadrina pachyderma sin. wird häufig für die Analyse stabiler Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope herangezogen und leistet dadurch einen wesentlichen Beitrag zur Rekonstruktion der Paläozirkulation von Oberflächenwassermassen in hohen Breiten. Aufgrund ihrer Toleranz gegenüber niedrigen Temperaturen bis -1.4 °C (B~ & Tolderlund, 1981; Boltovsky & Wright, 1976) und starken Salinitätsschwankungen (30.5 PSU bis >50PSU) (Boltovsky & Wright, 1976) ist sie fast durchgehend während der letzten 400.000 Jahre im Europäischen Nordmeer vertreten. Der Hauptlebensraum von N. pachyderma sin. liegt unterhalb von 50 m (pers. Mtlg. Carstens) bzw. 100m Wassertiefe (Be, 1977); nach Carstens (pers. Mtlg.) liegt ein sommerliches Vorkommensmaximum zwischen 100m und200m Wassertiefe. Carstens (pers. Mtlg.) nimmt eine auf das Frühjahr und den Sommer beschränkte Reproduktion von N. pachyderma sin. an. Isotopenwerte spiegeln somit die sommerlichen Verhältnisse in oberflächennahen Wassermassen wider.
Die Sauerstoffisotopenverhältnisse in den Kalzitgehäusen von N. pachyderma sin. stehen nach Kellogg et al. (1978) in der Norwegischen See im Isotopischen Gleichgewicht mit den hydrologischen Bedingungen in 80-100 m Wassertiefe. Sie reflektieren nahezu unverändert das globale Sauerstoffisotopensignal, da spezielle Vitaleffekte unbekannt sind. lokale Temperatur- und Salinitätseffekte können dieses Isotopensignal jedoch modifizieren (Kellogg et al., 1978; Jones &
Keigwin, 1988), so daß die stratigraphische Anwendung und die aus dem Isotopensignal abgeleiteten Paläo-Temperaturangaben in polaren Meeresgebieten, in denen aufgrundausgeprägter Klimaumschwünge mit starken Salinitäts- und Wassertemperaturschwankungen gerechnet werden muß, kritisch zu betrachten ist. Ein zusätzlicher, von den angeführten Effekten unabhängiger stratigraphisch nutzbarer Paläo-Temperatur-lndikator erscheint in Kombination mit den Sauerstoffisotopen wünschenswert. Die hier durchgeführte Analyse von Magnesium- und Strontium-Konzentrationsänderungen in Gehäusen von N. pachyderma sin. in Hinblick auf eine mögliche Steuerung des Einbaues dieser Elemente durch Wassertemperaturen und die damit verbundene Eignung zur Rekonstruktion paläothermaler Verhältnisse in oberflächennahen Wassermassen in hohen Breiten erscheint als sinnvoller Schritt in diese Richtung.
Änderungen der a13C-Verhältnisse in Gehäusen von N. pachyderma sin. spiegeln nach labeyrie &
Duplessy (1985) und Mix & Fairbanks (1985) das Kohlenstoffisotopen-Signalder oberflächennahen Wassermassen wider (mit einer konstanten Abweichung zwischen dem Kohlenstoffisotopenverhältnis holozäner N. pachyderma sin. und dem a13C des Gesamt-C02 von Oberflächenwasser). Die Kohlenstoffisotopen gelten somit als ein verläßlicher Indikator für den Grad der Durchlüftung von Oberflächenwassermassen.
Keigwin & Boyle (1989) zeigen erstmalig Cd/Ca-Verhältnisse in N. pachyderma sin. und deren Korrelation zu den o13C-Werten des Gesamt-C02. Die o13C-Verhältnisse in N. pachyderma sin. aus Meeresboden-Oberflächenproben hoher Breiten zeigen dagegen keine signifikante Korrelation, so daß Cadmium als ein zuverlässigerer Paläo-Produktivitätsanzeiger erscheint (Keigwin & Boyle, 1989).
1.2.2 Benthlsche Foraminiferen
Elementanalytische Untersuchungen an benthischen Foraminiferengehäusen sollen Einblicke in die paläo-ozeanographische Situation der Bodenwassermassen geben. leider ist die Diversität der Gehäuse-Vergesellschaftungen benthischer Foraminiferen unterhalb von 1500 mim Europäischen Nordmeer gering (Mackensen, 1985). Zudem ist es problematisch, ein lückenloses Profil über einen mehrere GlaziaVInterglaziai-Wechsel umfassenden Zeitraum (in diesem Falle ca. 180.000 Jahre) mit nur einer benthischen Foraminiferenart zu erhalten, da sich die benthische Fauna stark in Abhängigkeit von klimatischen Wechseln ändert (Streeter et al., 1982). Im Rahmen dieser Arbeit wird daher weitgehend auf benthische Foraminiferenarten zurückgegriffen, für die bereits die Verläßlichliehkeil der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopensignale bzw. der Elementsignale zur Rekonstruktion der Bodenwassermassenzirkulation durch Vorarbeiten bestätigt wurde. Dies ermöglicht zudem den direkten Vergleich der Sauerstoffisotopen-, Kohlenstoffisotopen- und Elementanalysen an derselben Foraminiferenart, die zudem aus den gleichen Sedimentproben stammen.
1 5
Nach Lutze & Thiel (1989) eignet sich Cibic1doides wuellerstorfi zur Rekonstruktion der Sauerstoff.
und Kohlenstoffisotopenverhältnisse von Bodenwassermassen. D1e rezent häuf1~ auftretende hyaline, epibenthische Art
c.
wuellerstorfitritt unterhalb von ca. 1300 m Wassertiefe b1s 1n ca. 3000 m auf (Belanger, 1982). Während der Sauerstoffisotopenstadien .2. 6 un~ dem größten Te1l von 3, also überwiegend während der Glazialzeiten, fehlt C. wuellerstorft Jedoch 1n den Sedimenten (Streeter et al., 1982). Sie erscheint wiederum in Sauerstoffisotopenstadium 4 und 5 (Streeter et al., 1982). Die Sauerstoffisotopenwerte der Artc.
wuellerstorfi entsprechen denen der Art Uvtgenna spp. unter Berücksichtigung eines Korrekturfaktors von+ 0.64 %o (Duplessy et al., 1984).Aus dem Vorkommensmaximum von Uvigerina spp. im obersten Zentimeter von Oberflächensedimenten verschiedenster Tiefenbereiche sowie aufgrund der Gehäusemorphologie, die ein Ausdruck des Mikrohabitats ist (Corliss & Emersen, 1990), ist eine epibenthische Lebensweise für Uvigerina spp. anzunehmen. Shackleton (1974) zeigt, daß die
a
180·Werte von Uvigerina spp. eindeutig die Sauerstoffisotopenzusammensetzung des Bodenwassers widerspiegeln.ln Zeiträumen, in denen C. wuellerstorfi selten ist oder feM (also v.a. in den Glazialen), dominiert dagegen Oridorsafis umbonatus (bei Vogelsang, 1990: 0. tenet). 0. umbonatus ist in Wassertiefen
>1300 m gegenwärtig und dominiert in Tiefen > 2900 m (Belanger, 1982). Die Sauerstoffisotopenwerte dieser endobenthisch lebenden Art (pers. Mtlg. Corliss) differieren um einen konstanten Wert von +0.36 %o zu Uvigerina peregrina (Duplessy et al., 1988). Die Arbeiten von Vogelsang (1990) bestatigen diese Angabe. Die Kohlenstoffisotopen von 0. umbonatus dagegen zeigen keine zeitkonstante Differenz zu den Werten von U. peregrina und C. wuel/erstorfi (Duplessy et al., 1988). so daß die Möglichkeit zur Anwendung dieser Benthos-Art für Kohlenstoffisotopenanalysen eingeschränkt ist (Vogelsang, 1990).
Für die hier durchgeführten Haupt· und Spurenelementuntersuchungen in subrezenten bis rezenten Foraminiferengehäusen aus Oberflächensedimenten werden neben den erwähnten Arten Gehäuse von Cassidufina spp. verwendet. Die Unterscheidung leerer und schlecht erhaltener Gehäuse der beiden Arten C. laevigata und C. teretis ist außergewöhnlich schwer (Mackensen 1988). Auf eine Unterscheidung der beiden Arten wird · gerade in Hinblick darauf, daß intrafamiliäre Unterschiede keinen Einfluß auf die Elementgehalte haben (Biackmon & Todd,1959; lzuka,1988) • generell verzichtet. Nach Mackensen (1988) sind C. laevigata und C. teretis häufige Vertreter der Benthosgemeinschaft an nördlichen Kontinentalhängen und -schellen. C. taevigata kommt vornehmlich in borealen Lebensräumen vor (Phleger et al., 1953; Murray, 1971; V an Weering &
Ovale, 1983; Lutze & Coulbourn, 1984). Nach Mackensen (1988) ist C. laevigata ein untergeordneter Bestandteil der benthischen Foraminiferengemeinschaft am Norwegischen Kontinentalschelf bis 72°N und bis in Wassertiefen bis 500 m.
C. teretis siedelt in kaltem Wasser arktischer Regionen (Vilks, 1969; Feyling-Hanssen & Buzas, 1976;
Lagoe, 1977; Rodrigues et al., 1980). Sie dominiert in der benthischen Foraminiferengemeinschaft am Norwegischen Kontinentalhang zwischen 500 und 1500 m Wassertiere. wo Bodenwassermassen-Temperaturen bei ca. ·1 °C und Salinitäten bei ca. 34.92 PSU liegen.
Nur sehr vereinzelte Messungen wurden an Hoeglundina elegans vorgenommen, die vom Kontinentalhang vor Gabon aus Wassertiefen zwischen 200-2500 m stammt. Nach Corliss & Emersen (1990) lebt Hoeglundina elegans im obersten Zentimeter der Sedimente, wird demnach zur Epifauna gerechnet. McCorkle et al. (1990) rechnet sie zur "Shallow infauna".
1.3 Der Einfluß der Foraminiferengehäusegröße auf den Gehäusechemismus
Berger et al. (1978), Hecht & Savin (1972) und Aksu & Vilks (1988) zeigen, daß die Sauerstoff· und K~hlen~toffisotopen-Signale in Foraminiferengehäusen in Abhängigkeit von deren Größe variieren.
D1ese 1sotop1schen Unterschiede werden auf phänotypische Unterschiede zurückgeführt, z.B.
bevorzugtem Lebensraum oder vertikale Migration in der Wassersäule während des Lebenszyklusses. Um diesen Unsicherheitsfaktoren aus dem Wege zu gehen, werden Isotopenanalysen bevorzugt an Gehäusen eines engen Korngrößenspektrums vorgenommen (125·
250 f.1m).
Inwieweit die Haupt- und Spurenelementgehalte in Gehäusen unterschiedlicher Größe variieren, ist bisher ungeklärt. Aksu & Vilks (1988) weisen auf nicht unwesentliche Konzentrationen inorganisch abgeschiedenen Magnesium-Kalzits in der äußeren Lage sekundären Kalzits in großen (250-500 11m) Formen von N. pachyderma hin, die eine Veränderung der Haupt- und Spurenelementgehalte möglich erscheinen lassen. Cronblad & Malmgren (1981) verdeutlichen an geochemischen Untersuchungen an planktischen Foraminiferengehäusen ( G. bulloides, G. inflata), daß keine signifikanten Unterschiede in den Strontium- und Magnesium-Konzentrationen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Größentraktionen zu erkennen sind. lzuka (1988) verzichtet folglich auf eine Einschränkung der Foraminiferengehäuse auf eine enge Korngrößenklasse. Bender et al. (1975) verweisen dennoch auf die Möglichkeit, daß Elementkonzentrationen aufgrund von Änderungen der Kalzifizierungsrate verändert werden können. Zolotarev (1975) zeigte diese Beziehung für Magnesium und Strontium an Pelecypoden. Eine systematische Untersuchung der Beziehung zwischen Gehäusegröße und Haupt- bzw. Spurenelementkonzentration steht jedoch aus, so daß in Anlehnung an isotopenanalytische Methoden auf Gehäuse eines engen (125-250 11m) Korngrößenspektrums zurückgegriffen wird.
2. Statistische Auswertung der Haupt- und Spurenelementanalysen 2.1 Statistische Grundparameter
ln der Regel werden geochemische Daten durch Schätzparameter der Normalverteilung beschrieben (s. Tab VII-IX im Anhang). Die einfachste Art der Charakterisierung einer Variabilität ist die Angabe eines Mittelwertes, der das durchschnittliche Verhalten einer Meßwert-Verteilung angibt, die Auffächerung einer Verteilung jedoch nicht darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wird weitgehend der arithmetische Mittelwert zur Kennzeichnung der Verteilungen herangezogen. Die Kennzeichnung der Variabilität der Verteilungen, also ihrer Abweichung von einer symmetrischen Form, ertolgt durch die Yarjanz und die Standardabweichung (s. TabVII-X im Anhang). Neben der Varianz und der Standardabweichung werden die entsprechenden Stjchprobenyarjanzen und Stjchprobenstandardabwejchungen in Hinblick darauf berechnet, daß die Streuung einer Stichprobe und nicht der gesamten Population bestimmt wurde.
2.2 Exploratlve Datenanalyse
Bei kleinen Datensets (n kleiner 20) bieten verteilungsfreie (nicht-parametrische), resistente Schätzwerte (z.B. Median, Ouantile) im Rahmen der explorativen Datenanalyse (EDA) adaquate Möglichkeiten zur Beschreibung der Verteilung geochemischer Daten (Tukey, 1979) und werden zur Interpretation der berechneten Mittelwerte herangezogen.
Zur Beschreibung des vorliegenden Datensets können graphische Darstellungen der sogenannten
"5-number-summary" dienen (Wurzer, 1987; Reimann, 1987), die Aussagen zur Verteilung ähnlich wie arithmetischer Mittelwert, Minimum, Maximum und Standardabweichung bei Normalverteilungen erlauben. Diese Darstellungsmöglichkeit, Verteilungen graphisch zu vergleichen, kann mit Hilfe von
"Basic box plots" (Mc Gill et al., 1978) realisiert werden (Abb. 5). Die "Box" erstreckt sich hierbei von Ouartil 0 (.25) bis Ouartil 0 (.75) und beinhaltet somit 50% der Daten. Der Median-Wert ist als breiter Strich innerhalb der Box dargestellt. Aus der Lage des Medianwertes sind Aussagen zur Schiefe der Verteilung in ihrem zentralen Bereich möglich. Die Längen der Linien rechts und links der Box ("Whiskers") sind maximal gleich 3 x IOR/2 (IOR = "lnterquartile range"). Liegen alle Meßdaten innerhalb dieses Bereiches ("Inner fences"), so erstrecken sich die Linien nur bis zum größten bzw.
kleinsten Datenwert. Datenpunkte, die außerhalb dieser "Inner fences" liegen, werden als "Ausreißer"
definiert, die im Falle der hier durchgeführten Elementanalysen auf Kontamination, Meßfehler oder einen Meßgang innerhalb der Maßapparatur zurückgehen. Sie werden mit eigener Signatur dargestellt.
1 7
Abb. 5