Quantitative Bestimmung von Paläou Antarktischen Oberflächenwasser im von Transferfunktionen mit Quantitative estimation of palaeoenvironment the Antarctic Surface Water in the Late transfer functions with diatoms Ulrich Zielinski

Quantitative Bestimmung von Paläou Antarktischen Oberflächenwasser im von Transferfunktionen mit

Quantitative estimation of palaeoenvironment the Antarctic Surface Water in the Late

transfer functions with diatoms

Ulrich Zielinski

Ber. Polarforsch.

126 (1 993)

ISSN

0176

-

⁵⁰²⁷

Ulrich Zielinski

Alfred-Wegener-Institut fü Polar- und Meeresforschung

Columbusstraße D-2850 Bremerhaven; Bundesrepublik Deutschland

Die vorliegende Arbeit ist die inhaltlich unverändert Fassung einer Dissertation, die 1993 am Fachbereich Geowissenschaften der Universitä Bremen angefertigt wurde.

INHALTSVERZEICHNIS

Seite

...

DANKSAGUNG V I I

l

.

EINLEITUNG UND FRAGESTELLUNG

...

1

2

.

FRÜHER ARBEITEN ZU TRANSFERFUNKTIONEN AUS DIATOMEEN- ~ÄHLDATE

...

3

3

.

UNTERSUCHUNGSGEBIET

...

7

3.1. Geographischer Uberblick

...

7

3.2. Hydrographie

...

8

...

3.3. Meereisverbreitung und Eisbergtransport 1 2 4

.

MATERIAL UND METHODEN

...

1 5

...

4.1. Probenmaterial und Entnahme l 5

4.2. Aufbereitung und Präparatio

...

l 9 4.3. Zahlmethodik

...

2 1

...

4.4. Erfassung des Erhaltungszustandes 2 4

4.5. Statistische Methoden

...

2 6 4.5.1

.

Faktorenanalyse (Programm CABFAC)

...

2 8 4.5.2. Regressionsanalyse (Programm REGRESS) ... 2 9 4.5.3. Berechnung der Paläoumweltparamete (THREAD) ... 3 0

...

4.5.4. Problematik der Methode 3 2

5

.

BILDUNG UND VERÄNDERUNGE DES DIATOMEEN-SIGNALS ... 3 3 5.1. Euphotische Zone

...

3 3 5.2. Transport durch die Wassersäul

...

3 4 5.3. Grenzschicht WasserISediment

...

3 5 5 . 4 . Oberflächensedimen

...

3 6

6 . QUANTITATIVE ANALYSE DER OBERFLACHENSEDIMENTE ... 3 8 Verbreitung ausgew2hlter Diatonieenarten im Oberfliichensedi-

....

ment und ihre Bedeutung fü palökologisch Rekonstruktionen 3 9 Eucampia antarctica ... 4 0 Nitzschia curta und Nitzschia cylindrus ... 4 3 Nitzschia kcrguelensis ... 4 6 C h a e t m r o s - D a u e r s p o r e n ... 5 0 Variabilit2t der Diatomeenvergesellschaftungen ... 5 4 Statistische Auswertung ... 5 6 Antarktischer Rohdatensatz (AR 178/88) ... 5 6 Faktorenanalyse a m gewichteten Datensatz (AG 17713 1 ) ... 6 1 Antarktischer Referenzdatensatz (AG 130/30) ... 7 1 Regressionsanalyse des antarktischen Referenzdatensatzes ... 7 4

...

7 . ANWENDUNG DER TRANSFERFUNKTION AN KERN PS 1768-8 7 7 7 . 1 . S t r a t i g r a p h i e ... 7 7 7 . 2 . Berechnung der Paliioumweltparameter ... 8 1 8

.

AUSBLICK UND SCHLUBFOLGERUNG ... 8 8 9

.

LITERATUR ... 8 9

...

1 0 . ANHANG 1 0 3

1 0 . 1 . T a x o n o m i e ... 1 0 3 1 0 . 2 . Fototafeln ... 1 1 7 1 0 . 3 . K e r n b e s c h r e i b u n g ... 1 3 2 1 0 . 4 . S t a t i o n s l i s t e ... 1 3 4 1 0 . 5 Tabellen zur statistischen Auswertung ... 1 3 8

ABSTRACT

T h e estimation of quantitative palaeoenvironmental parameters using statistical methods is an important tool for palaeoecological reconstructions.

In micropaleontology these estimations are carried out by means of the transfer function technique of Imbrie & Kipp (1971). This technique was also used in the work presented here.

Planktonic organisms with siliceous hardparts (Radiolarians, diatoms, silico- flagellates) are the most abundant microfossils in the sediments of the Southern Ocean. T h e Antarctic Surface Water environment is hostile to calcareous nannoplankton, planktonic foraminiferas are represented by only one species ( N e o g l o b o q u a d r i n a p a c h y d e r m a , sin.). Diatoms are the most appropriate indicator for the estimation of palaeoenvironmental parameters.

They live in the euphotic Zone of the surface water and have a wide distri- bution i n the Southern Ocean. The diatom assemblages in the sediments reflect the environment of the surface water and its variation during the glacial/interglacial changes in the late Quaternary.

In the study presented here transfer functions were developed from diatom census data of surface sediment samples from the Atlantic sector of the Southern Ocean. First, a reference data set was created which was then correlated to hydrographic conditions of the surface water statistically. The transfer functions thus developed were tested on material of a sediment core to reconstruct palaeoenvironmental parameters (e.g. temperature, salinity, phosphate concentration).

The raw data Set includes 178 samples with 85 diatom species and species groups, two silicoflagellate species and chrysophycean cysts. For the statistical analysis the diatoms were first reduced to 34 species. After a factor analysis, four factors (assemblages) could be distinguished. It was evident that the signal of the less abundant but ecologically important species w e r e being masked by the highly abundant, dominant species Nitzschia kerguelensis. This restrained a good correlation between the factors and the surface water hydrology and m a d e further data modification n e c e s s a r y .

The relative abundances of the diatom species were converted into a classifi- cation System of four abundance groups to increase the signals of less abundant species and to decrease them for dominant species. After factor analysis and reduction of the data set, an Antarctic reference data set was produced with 130 samples and 30 diatom species and species groups. Factor analysis revealed three assemblages, which could be correlated with distinct areas of different surface water temperatures i n the study area. Contrary to the reference data set of Pichon et al. (1992b), resting spores of the genus C h a e t o c e r o s were included. The resting spores show, as d o the ice diatoms, a

maximum relative abundance within the glacial periods. The reference data set presented here contain a wider range of data for creating transfer functions and palaeoecological reconstructions downcore.

T h e statistical data were tested in a regression analysis. The factors were correlated statistically with present hydrological data t o obtain estimated environmental Parameters (temperature, salinity, phosphate concentration).

The resulting set of palaeoecological equations (transfer functions) show high correlation coefficients and low standard error estimates.

T h e transfer functions developed were applied to a sediment core from the Antarctic Zone at around 52's latitude. The core include approximately the last 140.000 years. Statistical analysis yielded down core surface water palaeotemperatures for the summer season between -0,3OC and 3,9OC, variations of the salinity of 0,17%o and phosphate concentrations between 1,55 and 1,77 pmol/kg. The palaeotemperature curve contains two maxima in the climatic optima of the isotopic stages 1 and 5.5 with values of 3,9OC and 3,3OC. The other stages in the core exhibit mean temperatures of around O°C T h e difference between lowest (glacial) and highest (climatic optima) temperature values is around 4OC and is consistent with temperature recon- structions from the Subantarctic area. T h e estimated salinities display only minor variations in the sediment core. T h e phosphate concentrations are correlated negatively with the estimated temperature. The down core factors ( d i a t o m assemblages) show the best correlations with t h e estimated temperature. This suggests that the composition of the diatom assemblages is mainly controlled by the temperature. T h e salininty and phosphate concen- tration therefore have less of an influence on the assemblages.

T h e results of the work presented indicate that i t is possible to obtain reliable quantitative data from diatom investigations and hence developed transfer functions. This data can be used in future projects for modelling previous surface water currents and the distribution of sea ice in the Atlantic sector of the Southern Ocean.

DANKSAGUNG

Herrn Prof. Dr. D. K. Füttere (Alfred-Wegener-Institut, Bremerhaven) danke ich fü die Vergabe der Arbeit und die gewährt Unterstützung Herrn Prof.

Dr. H. Willems (Fachbereich Geowissenschaften, Universitä Bremen) fü die freundliche Ubernahme des Co-Referates. Fü d i e Betreuung und kritische Durchsicht des Manuskriptes danke ich Dr. R. Gersonde.

Zahlreiche Kollegen standen bei der Entstehung dieser Arbeit hilfreich zur Seite. Besonders bedanken möcht ich mich bei Herrn T. Schön fü die Installierung d e s CABFAC-Programmes und d i e Hilfe bei zahlreichen Rechnerproblemen. K. Heidland und F. Niederjasper gaben Hilfestellungen bei der Benutzung der Großrechenanlage G. Seià bin ich fü die Software zur Nutzung der ozeanographischen Datenbank dankbar.

Fü stete Diskussionsbereitschaft und wertvolle Ratschläg danke ich Dip1.- Geol. U. Treppke (Universitä Bremen), Dr. G. Bohrmann (GEOMAR Kiel), Dr. A.

Abelmann, Dr. R . Crawford, Dr. W. Ehrmann, Dr. H. Grobe, Dr. A. Mackensen, Dr. R. Petschick, Dr. R. Scharek und Dip1.-Geol. H.-S. Niebler. Dr. G. Meinecke (Universitä Bremen) bin ich fü den Gedankenaustausch übe Methoden der Paläotemperaturberechnun dankbar.

Frau R. Thomzik sei besonders fü die Hilfe bei Fotoarbeiten gedankt, ebenso Frau U. Bock, Frau R. Cordelair und Frau I. Klappstein fü ihre Hilfe bei labor- und fototechnischen Problemen und die stets frohe Arbeitsatmosphäre Dr. J.-J. Pichon (Universitä Bordeaux) danke ich fŸ die Nutzung des CABFAC-Programmes und die Unterstützun währen meines Aufenthaltes in Bordeaux. Dr. U. Pflaumann (Universitä Kiel) bin ich fü die Anwendung des THREAD-Programmteiles und seiner Hilfestellung dankbar.

Allen Kolleginnen und Kollegen des Alfred-Wegener-Instituts sei an dieser S t e l l e h e r z l i c h f à ¼ d a s g u t e A r b e i t s k l i m a g e d a n k t , d a s mir d i e 'Bremerhavener Zeit" sehr angenehm machte.

Verfahren zur Bearbeitung von paläozeanographische Fragestellungen g e n u t z t .

A l s Voraussetzung f à ¼ d i e Entwicklung von Transferfunktionen ist es zunächs notwendig, einen Referenzdatensatz aus Diatomeenzähldate der Oberflächensediment zu definieren. Dabei stehen f o l g e n d e Fragen im V o r d e r g r u n d :

In w e l c h e m Umfang läà sich das in d e n Diatomeenvergesell- s c h a f t u n g e n g e s p e i c h e r t e S i g n a l f r à ¼ h e r e U m w e l t b e d i n g u n g e n e n t s c h l à ¼ s s e l n

Wie weit müsse die Rohdaten modifiziert werden, um die Dominanz einer Art und d i e daraus resultierende Uberdeckung des Signals anderer, wichtiger Arten zu kompensieren?

Nach welchen Kriterien werden Proben aus d e m Datensatz ausge- schlossen, um die Interpretation der statistischen Daten zu verbessern?

U m ein möglichs flächendeckende Probennetz zur Verbreitung von Dia- tomeenvergesellschaftungen und d i e Grundlage e i n e r statistischer1 Daten- basis zu erhalten, umfaß das Arbeitsgebiet einen große Teil des Süd atlantiks mit d e m angrenzenden Antarktischen Sektor des Südpolarmeeres D i e in d i e s e r A r b e i t ermittelten quantitativen P a l à ¤ o u m w e l t p a r a m e t e könne in Modellrechnungen einfließen um Veränderunge des Antark- tischen Zirkumpolarstromes in Verbindung mit d e r Meereisverbreitung zu r e k o n s t r u i e r e n .

Häufigkei auftreten (Kap. 6.1.4.1, von PICHON et al. (1992b) nicht berück sichtigt. Dies hat zur Folge, daà sich aufgrund der hohen Abundanz der Dauersporen Diskrepanzen in den relativen Häufigkeite der Arten gegen- übe dem Datensatz der vorliegenden Arbeit ergeben. So ist die Glazialart Eucumpiu unturctica in den Ergebnissen von PICHON et al. (1992b) mit 50 5%

relativer Häufigkei im Vergleich zum Datensatz der vorliegenden Arbeit (12,2 %) deutlich überrepräsentier

Auf die groß Häufigkei der C h a e t o c e r o s - D a u e r s p o r e n aus Vergesell- schaftungen in Oberflächensedimente weisen u.a. SCHUTTE & SCHRADER (1981), GERSONDE (19861, WILLIAMS (1986) und LEVENTER (1992) hin.

SANCETTA (1 979b) beschreibt in ihrer Faktorenanalyse einen C h u e t o c e r o s - Sporen-Faktor, der fast ein Drittel der gesamten berechneten Daten enthält In ihm dominieren die nicht nähe differenzierten Dauersporen mit einer Faktorenladung von 0,97 (zur Definition der Begriffe zur Statistik s. Kap.

10.1.5.). Der Faktor wird von SANCETTA (1979b) als Produktivitätsfakto gedeutet und mit salzärmere K7asser aus dem Abschmelzen von Meereis in Verbindung gebracht. C h u e t o c e r o s - S p o r e n - F a k t o r e n werden auch von SCHUTTE & SCHRADER (1979, 1981) beschrieben. SCHRADER & KARPUZ (1990), sowie KARPUZ & SCHRADER (1990) und KARPUZ & JANSEN (1992) entfernen zur statistischen Analyse die Chaetoceros-Sporen aus ihrem Daten- Satz. Diese sind so zahlreich, daà alle anderen wichtigen Signale gestör werden. S i e sind gleichmäß übe d a s gesamte Arbeitsgebiet der Norwegisch-Grönländisch S e e verteilt und treten mit relativen Häufig keiten zwischen 50 % und >60 %, also einem bestimmten Quantitätsbereich auf. Sie könne keinen bestimmten Umweltparametern zugeordnet werden.

Außerde wird hier nicht mit einer Klassifizierung der Rohdaten gearbeitet.

Im Datensatz der vorliegenden Arbeit liegen die Häufigkeitswert jedoch zwischen 0 % und 9 2 % und zeigen regional deutliche Unterschiede. Eine Entfernung der Sporen würd zu einem verfälschte Datensatz und damit zu verzerrten Zählergebnisse anderer Arten führe (vergl. Kap. 6.1.4.). Die Dauersporen zeigen in quartäre Sedimentkernen in ihrem Auftreten ein Maximum in den Kaltzeiten (Kap. 6.1.4., 7.1.) und wurden deshalb in den Referenzdatensatz fü Transferfunktionen integriert. Aufgrund der lokalen Unterschiede in d e r Sporenhäufigkei und der d a r a u s resultierenden schlechten Korrelation d e r Dauersporen zu Umweltparametern, wurden bestimmte Oberflächenprobe aus dem Datensatz entfernt (Kap. 6.3.3.).

SHEMESH et a1. (1989) und PICHON et al. (1992a) weisen auf die Lösun bio- genen Opals hin. Da fein verkieselte Diatomeenarten in größer Umfang der Lösun unterliegen als grob verkieselte Arten, kommt e s insbesondere an d e r W a s s e r l s e d i m e n t - G r e n z s c h i c h t zu Veränderunge d e r Vergesell- schaftungen (Kap. 5.3.). D i e Diatomeenassoziationen aus Oberflächen Sedimenten spiegeln demnach nicht die Planktongemeinschaft d e s Ober- flächenwasser wider (GERSONDE & WEFER 1987, SANCETTA 1981, SANCETTA 1989). Durch die Lösun von Diatomeenschalen werden Rekon- struktionen von Paläoumweltparameter mittels Transferfunktionen beein-

A u t o r e n

P

BURCKLE (1972) COOKE-POFERL et al.

( 1 9 7 5 )

MAYNARD (1976) TRUESDALE & KEL- LOGG (1979) SANCETTA (1979a) SANCETTA (1979b) SCHUTTE &

SCHRADER (1979) SCHUTTE &

SCHRADER (1981) DEFELICE & WISE ( 1 9 8 1 ) *

BURCKLE (1984a) PICHON (1985)

POKRAS & MOLFINO ( 1 9 8 6 )

WILLIAMS (1986) PICHON et al. (1987) KARPUZ & SCHRA- DER (1990)

SCHRADER & KAR- PUZ (1990)

PICHON et al. (1992a)

PICHON et al.

( 1 9 9 2 b )

KARPUZ & JANSEN ( 1 9 9 2 )

G e b i e t Scotia - und W e d d e l l m e e r à „ q u a t o r i a l e A t l a n t i k Gesamter At- l a n t i k R o s s m e e r N o r d p a z i f i k N o r d p a z i f i k A u f t r i e b s g c - biet vor Peru SE-Atlantik SE Atlantik A n t a r k t i s c h e r Ozean

Atlant.- und Westind. Sekt01 des Ant. Ozeans Äquatoria und SE-Atlantik Baffin Bay, A r k t i s ) Atlant.- und Westind. Sekt01 V o r w e g i s c h - S r à ¶ n l à ¤ n d i s c See

V o r w e g i s c h - i r à ¶ n l à ¤ n See Atlant.- und Westind. ^' Sekt01 ies Ant. Ozeans 4tlant.- und Nestind. Sektoi ies Ant. Ozeans

> E Norwe- rische See

M e t h o d e F a k t o r e n a n a l . F a k t o r e n a n a l . F a k t o r e n a n a l . F a k t o r e n a n a l . F a k t o r e n a n a l . R e g r e s s i o n F a k t o r e n a n a l . , T r a n s f e r f u n k t . F a k t o r e n a n a l . F a k t o r e n a n a l . F a k t o r e n a n a l . F a k t o r e n a n a l . F a k t o r e n a n a l . , R e g r e s s i o n , T r a n s f e r f u n k t . F a k t o r e n a n a l . F a k t o r e n a n a l . , R e g r e s s i o n F a k t o r e n a n a l . , R e g r e s s i o n F a k t o r e n a n a l . , T r a n s f e r f u n k - t i o n

F a k t o r e n a n a l . , R e g r e s s i o n F a k t o r e n a n a l . , T r a n s f e r f u n k - t i o n

F a k t o r e n a n a l . , T r a n s f e r f u n k - t i o n

F a k t o r e n a n a l . , T r a n s f e r f u n k .

E r g e b n i s 3 - F a k t o r e n m o d e l l

6-Faktorenmodell, A n w e n d u n g fü LGM (18 K)

6-Faktorenmodell, Beziehung z u r O b e r f l à ¤ c h e n h y d r o g r a p h i 4-Faktorenmodell, Beziehung z u r O b e r f l à ¤ c h e n h y d r o g r a p h i 5 Faktoren, Vergleich von quantit. mit semiquantit. Daten 5 - F a k t o r e n m o d e l l , A n w e n d u n g fü LGM (18 K)

5 - F a k t o r e n m o d e l l , V e r b r e i t u n g im Oberflächensedimen 7 - F a k t o r e n m o d e l l , V e r b r e i t u n g im Oberflächensedimen 5-Faktorenmodell, Beziehung z u r O b e r f l à ¤ c h e n h y d r o g r a p h i 3-Faktorenmodell f à ¼ Ober- flächen und LGM-Sedimente 3-Faktorenmodell, palökologi sehe Gleichungen, Paläotempe r a t u r e n

5-Faktorenmodell fü Oberflä

chen, rezente Verbreitung 5-Faktorenmodell, Beziehung z u r O b e r f l à ¤ c h e n h y d r o g r a p h i 3-Faktorenmodell, palökolo g i s c h e Gleichungen

6-Faktorenmodell, palökolo gische Gleichungen, Paläo t e m p e r a t u r e n

4-Faktorenmodell, palökol g i s c h e Gleichungen

Quantifizierung von Lösun biog. Opals, Anwendung auf Sedimentkerne, 4 Faktoren 4-Faktorenmodell, paIökolo gische Gleichungen, Vergl. mit Temp.-kurve (Vostok Eiskern) 6 - F a k t o r e n m o d e l l ,

P a l à ¤ o t e m p e r a t u r e

Tab. 1 : Zusammenstellung wichtiger Arbeiten statistischer Auswertungen von Dia- tomeenzählunge aus Oberflächensedimente mit Hilfe des CABFAC- Programms. LGM = Letztes Glaziales Maximum, 18 K = 18.000 Jahre vor heute. * DEFELICE & WISE (1981) benutzten fü ihre Statistik das Programm DUVAP (= Duke University Vector Analysis Program).

3 . UNTERSUCHUNGSGEBIET 3 . 1 . G e o g r a p h i s c h e r à œ b e r b l i c

Das Arbeitsgebiet i m Antarktischen Sektor d e s Südatlantik erstreckt sich vom antarktischen Schelf bis ins Kapbecken nördlic der Subtropischen Front (Abb. 1). Der südlich Teil des untersuchten Gebietes umfaß nach der Zonierung des Antarktischen Ozeans von TREGUER & VAN BENNEKOM (1991) die kontinentalen Schelf- und Küstenbereich (CCSZ) des Weddellmeeres und die saisonal eisbedeckte Zone (Seasonal Ice Z o n e = SIZ). Die Maudkuppe bildet dabei d i e östlich Begrenzung, i m Westen schließ das Arbeitsgebiet Schelf- und Küstenbereich der Antarktischen Halbinsel ein.

Im Norden erfassen mehrere Profile d i e ozeanischen Frontensysteme des Antarktischen Zirkumpolarstromes zwischen 3 0  ° und 15OE bzw. 57's und 35's. Sie schließe dabei neben der Subtropischen- und Subantarktischen Zone nach der Einteilung von TREGUER & VAN BENNEKOM (1991) die Polar- frontzone (PFZ), die permanent eisfreie Z o n e (Permanently Open Ocean Zone = POOZ) und die saisonal eisbedeckte Z o n e ein (zur Zonierung vergl.

Tabelle 2).

STF Subtropische Front

(3) Drake Passage SAF Subantarktische Front

Beprobungsgebiete PF Polarfront

Abb. 1: Übersichtskart des Südatlantik mit angrenzendem Antarktischen Sektor.

Beprobungsgebiete sind gerastert dargestellt. Lage der Fronten nach WHITWORTH (1988), PETERSON & STRAMMA (1991). Bathymetrie bis 40's nach GEBCO (1983).

3 . 2 . H y d r o g r a p h i e

Das Muster der Oberflächenströmung im Südatlanti (Abb. 2) wird durch die allgemeine Windzirkulation geprägt Der Subtropische Wirbel, der aus dem Zusammenspiel von Passatwinden im Norden und Westwinden im Süde entsteht, wird durch den Süd-Atlantik-Stro im Süde begrenzt und transportiert Wasser in den nahe des Afrikanischen Kontinents nach Nord- westen fließende Benguelastrom (PETERSON & STRAMMA 1991). Die ost- wärt strömende Oberflächenwassermasse d e s Antarktischen Zirkum- polarstroms (Antarctic Circumpolar Current = ACC) werden von der West- windrift angetrieben. Sie wirkt um den gesamten Antarktischen Kontinent und befindet sich in einer Zone zwischen dem subtropischen Hochdruck- System u m 30° und dem zirkumpolaren Tiefdruckgürte bei Ca. 6 5 ' s (HELLMER et al. 1985, PETERSON & STRAMMA 1991).

Abb. 2: Schema der Oberflächenströmung im Südatlanti und angrenzendem Ant- arktischen Sektor des Südpolarmeeres Das Arbeitsgebiet ist grau gerastert dargestellt. SAZ = Subantarktische Zone, PFZ = Polarfrontzone. Nach PETERSON & STRAMMA 1991 und HELLMER et al. 1985.

Der ACC gliedert sich in verschiedene zonal verlaufende Strombänder die jeweils durch ozeanische Frontensysteme begrenzt sind. Sein nördliche Rand ist die Subtropische Front (STF), die den ACC von dem warmen und salz- reichen Wasser des Subtropischen Wirbels abtrennt. Im Süde wird der ACC durch den Weddellwirbel begrenzt. Innerhalb der Frontensysteme zeichnen sich deutliche Temperatur- und Salinitätsgradiente ab (Abb. 3, Tab. 2).

Nach LUTJEHARMS (1985) und LUTJEHARMS & VALENTINE (1984), die diese Frontensysteme auf mehreren Profilen zwischen Südafrik und dem Ant- arktischen Kontinent detailliert untersuchten, weist d i e S T F mit einem mittleren Temperaturhub von ca. 7'C und einer durchschnittlichen

N

STF SAF PF

PFZ

34,5 Salzgehalt

50' 60Â 70'

Geograph. Breite ( O S )

Abb. 3: Ternperatur- und Salzgehaltsprofil und die Verteilung von Nährstoffe des Oberflächenwasser übe die ozeanischen Fronten. STF = Subtropische Front, SAF = Subantarktische Front, PF = Polarfront, STZ = Subtropische Zone, SAZ

= Subantarktische Zone, PFZ = Polarfrontzone, AZ = Antarktische Zone. Nitrat- und Silikatdaten nach LUJEHARMS et al. (1985), Phosphatdaten nach SCHLITZER (unveröffent Daten Univ. Bremen), Temperatur- und Salzgehalts- daten aus OLBERS et al. (1 992).

Minderung d e s Salzgehaltes von Ca. l , 5 % o d i e größt Gradienten auf ( A b b . 3 ) .

Auch in der Verteilung der Nährstoff lä sich an den Fronten eine Ver- änderun erkennen (Abb. 3). Neben den bisher erwähnte Gradienten lassen sich an d e n Fronten ebenfalls Erhöhunge d e r Chlorophyll-A-Konzen- trationen und d e r Primiirproduktion feststellen ( A L L A N S O N et al. 1981, LUTJEHARMS e t al. 1985). Die Fronten grenzen dadurch Gebiete unterschied- licher Temperatur. Salz- und Nährstoffgehalt voneinander ab und beein-

ein Sauerstoffmaximum gekennzeichnet und läà sich bis zum Äquato nachweisen (WHITWORTH 1988). In der Antarktischen Zone (AZ) erwärm sich im Sommer das AASW an der Oberfläch und bleibt unterhalb etwa

N S

STF SAF PF Weddell-

Subtropischer Wirbel

9

^{SAZ ~ P F Z ~AZ wlrbel}

CDW

Abb. 4: Schema der Wasserrnassen und der ozeanischen Fronten im Antarktischen Ozean entlang eines N-S Profils westlich des Mittelatlantischen Rückens Ant- arktisches Zwischenwasser (AAIW) wird in der PFZ gebildet und ist durch ein Salzgehaltsminimum charakterisiert. Abkürzunge der Fronten und Zonen s.

Tab. 2, ASW = Antarctic Surface Water, SASW = Subantarctic Surface Water, SACW = South Atlantic Central Water, CDW = Circumpolar Deep Water, NADW = North Atlantic Deep Water, WSDW = Weddell Sea Deep Water, WSBW = Weddell Sea Bottom Water. Vereinfacht nach PETERSON &

WHITWORTH 111 (1 989).

80 - 100 m in seinen Eigenschaften als Winterwasser (WW) bestehen (HELLMER et al. 1985, WHITWORTH & NOWLIN 1987).

In der SIZ steigt bei etwa 65's an der Antarktischen Divergenz warmes Tiefenwasser auf (LUTJEHARMS 1985). Die Position der Divergenz fäll mit dem atmosphärische Tiefdruckgürte zusammen und trennt die Westwind- zone im Norden von der Ostwinddrift im Süde (HELLMER et al. 1985). Durch die katabatischen (ablandigen) Winde a m Antarktischen Kontinentalrand bewegen sich die Wassermassen südlic der Antarktischen Divergenz als südliche Arm des Weddellwirbels nach Westen (Abb. 2). Dieser im Uhr-

zeigersinn strömend Wirbel umfaß alle Wasserschichten und dominiert die Hydrographie des Weddellmeeres. Seine Ausdehnung reicht von der Ant- arktischen Halbinsel im Westen bis etwa 20'

-

30° (CARMACK & FOSTER 1977, DEACON 1979, GORDON et al. 1981). In diesem Bereich änder der Wirbel seine Richtung nach Süde bzw. Südwesten Die genauen Strömungs verhältniss an der östliche Weddellwirbelgrenze sind jedoch noch unklar (DEACON 1979, GORDON et al. 1981). Im Bereich der Maudkuppe zwischen 0' und 5OE trifft e r auf den Antarktischen Küstenstro und fließ weiter übe den schmalen Schelf nach Südwesten den Tiefen-Konturen des Kontinental- randes folgend (KOTTMEIER & FAHRBACH 1989). Bei etwa 27OW divergiert der Küstenstrom Der Hauptteil biegt nach Süde a b und folgt dem gene- rellen Küstenverlau bis zum Filchner-Schelfeis. Der geringere Teil ström weiterhin den Konturen der Schelfkante folgend in westliche Richtung (CARMACK & FOSTER 1977).

Die allgemeine Zirkulation in der Bransfield-Straß wird maßgeblic von der Topographie und der Lage zahlreicher Inseln beeinfluß (AMOS 1987). Nach GORDON & NOWLIN (1978) lassen sich drei getrennte Becken mit relativ flachen Schwellen (ca. 500 m) unterscheiden. Das Wasser oberhalb 500 m wird einerseits von der Bellingshausensee (südwestlic der Antarktischen Halbinsel), andererseits vom Weddellmeer beeinfluß (SCHRODER 1983, AMOS 1987). Dabei bildet sich in der östliche Bransfield-Straß eine ausge- prägt Salzgehaltsfront an der Oberfläch aus, die sich innerhalb des Süd sommers von Süde nach Norden verschiebt (SCHRODER 1983). Der Einfluà von Oberflächenwasse aus dem westlichen Weddellmeer läà sich neben ozeanographischen Daten (AMOS 1987) auch durch verdriftete Diatomeen nachweisen. WEFER et al. (1990) finden nach Sedimentfallen-Experimenten eine Diatomeenvergesellschaftung, die von Thalassiosira antarctica mit bis zu 8 0 % relativer Häufigkei dominiert wird. Ahnliche Zusammensetzung zeigen Diatomeengemeinschaften aus Oberflächensedimente des Powellbeckens.

3 . 3 . M e e r e i s v e r b r e i t u n g u n d E i s b e r g t r a n s p o r t

Die Verbreitung des Meereises im Antarktischen Ozean (Abb. 5) unterliegt großen jahreszeitlichen Schwankungen. Die größ Ausdehnung wird in den Monaten AugustISeptember mit Ca. 20 ^X 106 km2, die geringste im Februar mit ca. 4 ^X 106 km2 erreicht (ROPELEWSKI 1983, OLBERS 1989). Die maxi- male Meereisausdehnung entspricht dabei etwa 5 % der Gesamtfläch des Weltozeans oder der halben Fläch des Nordatlantiks (OLBERS 1989). Das Meereis besteht zum größt Teil aus einjährige Eis mit durchschnittlich 1 m Dicke, das jeweils im antarktischen Herbst und Winter neu gebildet wird. Im Winter erstreckt sich die Meereisbedeckung im nördliche Unter- suchungsgebiet bis etwa 57's (HELLMER e t al. 1985). Im antarktischen

-1

Schelfeise Mittl. Wintermeereisgebiet

[ggg^

tdi;ie~ommermeereis- Max. Wintermeereisgebiet

Abb. 5: Sommer- und Wintermeereisverbreitung im Antarktischen Ozean. Das Arbeits- gebiet ist schematisch dargestellt (schwarze, fett gedruckte Linien).

1 = Filchner-Ronne-Schelfeis, 2 = Ross-Schelfeis. Veränder nach ACKLEY (1 981) aus HELLMER et al. (1 985).

a n d e r e n Mechanismen d i e Zusammensetzung d e r Diatomeenvergesell- schaftungen in Oberflächensedimente (Kap. 5.4.). E s wird weiterhin vermutet, da in d e r Umgebung von schmelzenden Eisbergen durch die S a l i n i t à ¤ t s v e r m i n d e r u n i m . Oberflächenwasse d a s Verbreitungsmuster bestimmter Diatomeenarten beeinfluß wird (Kap. 6.1.1 .).

4 . MATERIAL UND METHODEN

4 . 1 . Probenmaterial und Entnahme

Fü die quantitativen Untersuchungen zum Aufbau eines Referenzdaten- Satzes wurden 178 Oberflächensedimentprobe bearbeitet (Abb. 6 und 7).

Diese wurden auf verschiedenen Expeditionen mit dem FS POLARSTERN seit 1983 gewonnen (Tab. 3).

Fü die Gewinnung der Proben wurden Großkastengreifer Multicorer und Minicorer eingesetzt. Aus dem nördliche Arbeitsgebiet im Bereich der ozeanischen Frontensysteme wurden 48 Proben bearbeitet, die vorwiegend mit dem Multicorer auf den POLARSTERN-Expeditionen (ANT-VIIIl3, 1989 und ANT-1x14, 1991) gewonnen wurden (Abb. 6). Die Proben des südliche Untersuchungsgebietes stammen hauptsächlic aus Einsätze mit einem Großkastengreifer Seit der POLARSTERN-Expedition ANT 1x12 (1990) wird zusätzlic der Minicorer, ein dem Multicorer vergleichbares Geriit, das am Alfred-Wegener-Institut entwickelt wurde, eingesetzt. Eine Aufstellung der Stationsnummern, Koordinaten und Geräteeinsät findet sich in Tabelle 9 im Anhang.

F a h r t a b - s c h n i t t ANT 1113 A N T 1114 ANT 11113 ANT IV/2 ANT IV/3 ANT IV/4 ANT V/4 ANT V112 ANT V113 A N T VIII/3*

ANT V11115 ANT IX/2 ANT IX/4 ANT X/4

Z e i t r a u m G e b i e t

Bransfield-Str., Powellbecken Südliche Weddellmeer

Südliche und südöst Weddellmeer B r a n s f i e l d - S t r a R e

Südöstlich und östl Weddellmeer Gebiet der Maudkuppe

Zentrales und südöst Weddellmeer Bransfield-StraRe, Drake Passage Bereich südlic der Polarfont Ozeanisches Frontengebiet

Südliche und südöst Weddellmeer Zentrales und 6stl. Weddellmeer Ozeanisches Frontengebiet

Nördl der Subtrop. Front (14' - 18OE)

B e a r b e i t e t e P r o b e n

2 1 17 6 2 4 2

6 9 10

5 2 1

7 1 1 1 8 3 Tab. 3: Zusammenstellung der bearbeiteten Probenanzahl aus den jeweiligen

Fahrtabschnitten. Fahrtabschnitt, auf dem der bearbeitete Sedimentkern PS1 768-8 gewonnen wurde.

-15-

Weddellmeer STF Subtropische Front

s. Detailkarle Abb. 7 SAF Subantarktische Front

PF Polartront

Abb. 6: Karte der bearbeiteten Oberflächensedirnentprobe aus dem Atlantischen Sektor des Antarktischen Ozeans. Lage der Fronten nach WHITWORTH (1 988), PETERSON & STRAMMA (1 991).

Abb. 7: Karte der untersuchten Oberflächensedirnentprobe aus dem Weddellrneer.

Berkner I. = Berkner Insel, Filch. S, = Filchner Schelfeis, S. = Schelfeis.

Bathymetrie nach GEBCO (1 983).

Zur Anwendung der Transferfunktion wurde der Diatomeenbestand aus 97 Proben des Schwerelotkerns PS1768-8, nördlic des SW-Indischen Rücken bei 52'35.6' S ausgezählt

Fü die Erfassung "rezenter" Diatomeenvergesellschaftungen werden mög lichst ungestört Sedimentoberfläche benötigt um eine einheitliche Bepro- bung des Sedimentintervalls von 0-1 c m zu gewährleisten Da die Ober- fläche von Kolben- und Schwerelotkernen oftmals aufgrund des Kern- Prozesses gestör oder nur unvollständi erhalten sind (KUHN 1986, MELLES 1991), bieten Großkastengreife (GKG), Multicorer (MUC) und Minicorer ( M I C ) eine weitaus bessere Probenqualität Es werden Sedimentver- schleppungen und dadurch möglich Kontamination der Oberfläche durch stratigraphisch älter Sedimente mit fossilen Diatomeenarten durch den Ein- satz dieser Gerät vermieden.

Die Multicorer- und Minicorerkerne bieten den Vorteil, da die übe dem Meeresboden ausgebildete "fluffy layer" (eine bodennahe, Ca. 1 c m messende Schicht aus unvollständi abgebautem, organischen Material, BILLETT et al. 1983) erhalten bleibt (THIEL et al. 1988189). Sie stellt den Beweis fü die gute Erhaltung der ungestörte Oberflächenprob dar. Im Gegensatz dazu ist die "fluffy layer" im GKG meistens nicht oder nur teilweise erhalten, da diese beim Eindringen des Geräte in den Meeresboden und durch schwankende Bewegungen beim Hieven zerstör wird (THIEL et al.

1988189, vergl. Kap. 6.2.).

Zur sicheren Feststellung, da es sich bei den Proben um rezente Oberfläche handelt, gibt die "fluffy layer" einen ersten Hinweis auf ungestörtes durch Bodenwasserströmunge unbeeinflußte Oberflächensediment Eine zusätz liche Aussage erbringen Ausstrichpräparat des Oberflächensedimente (smear slides), in denen bewertet werden kann, ob fossile Diatomeenarten möglicherweis Hinweise auf älter Sedimente geben.

Der Großkastengreife besteht aus einem Stechkasten (Maß 50 X 5 0 X 60 cm), der an einem Absatzgestell mit Gewichtsträge montiert ist. Aufgrund der Fiergeschwindigkeit und seines Gewichtes dringt der GKG in das Sedi- ment ein, beim Hieven wird der Stechkasten durch eine Schaufel ver- schlossen. Eine detaillierte Beschreibung zur Funktionsweise geben WEAVER

& SCHULTHEISS (1990). An Bord wurden die ungestörte Oberfläche beschrieben, fotografiert und fü sedimentologische und biostratigraphische Untersuchungen beprobt (s.a. MELLES 1991, WEBER 1992). Fü Diatomeen- untersuchungen wurde jeweils d e r oberste Zentimeter der Oberfläch e n t n o m m e n .

Der Multicorer liefert völli ungestört Sedimentoberfläche und eignet sich so insbesondere auch fü geochemische Untersuchungen des Boden- und Porenwassers (s. SCHLUTER 1990). Besonders aus weichen, siltig-tonigen Sedimenten ist es möglich Proben von sehr guter Qualitä zu entnehmen

(MACKENSEN et al. 1988). Das Gerä besteht aus einem Absatzgestell, an dem 1 2 Hartplastikrohre (Länge 3 4 cm, 0 6 cm) und eine darübe installierte Hydraulik angebracht sind. Diese wird ausgelöst sobald das Gerä den Meeresboden erreicht und die Zugkraft des Tiefseeseiles nachlä§ die Rohre dringen in das Sediment ein. Beim Hieven werden sie durch einen Feder- mechanismus erst oben und nach dem Herausziehen aus dem Sediment unten mit einem konischen Stempel verschlossen. Detaillierte Beschrei- bungen zur Technik und Arbeitsweise dieses Geräte geben BARNETT et al.

(1984). Der Minicorer arbeitet nach dem gleichen Funktionsprinzip.

Bei der Beprobung der MUC-Kerne wurde zur Gewinnung der Oberflächen proben zunächs die "fluffy layer" und die obersten 0,5 cm des Sediments mit einer Spritze abgesaugt. Anschließen wurde der Bereich von 0,5-1 cm mit einem Spatel entnommen, das restliche Kernmaterial in 1-cm-Scheiben zerlegt, verpackt und beschriftet. In gleicher Weise erfolgte die Beprobung der MIC-Kerne. Der Minicorer kann gleichzeitig mit anderen Geräten wie z.B.

der CTD-Sonde (Messung von Temperatur und Salinitä in der Wassersiiule), gefahren werden. Er wird mit einem 20 m Tiefseedraht unter der CTD-Sonde befestigt, s o da Oberflächensedimentprobe in Kombination mit hydro- graphischen Daten gewonnen werden, ohne zusätzlich Schiffszeit zu bean- s p r u c h e n .

Der Sedimentkern PS1768-8 wurde währen der Expedition ANT V11113 (1989) mit dem Schwerelot bei 52'35'S, 4O28'E gewonnen. Er liegt im Bereich d e s Opalgürtel südlic der Polarfront mit hohen nacheiszeitlichen Sedi- mentationsraten von Ca. 1 0 - 5 0 c m / l 0 0 0 Jahre (GERSONDE & PATZOLD 1 9 9 2 ) .

Im obersten Abschnitt des Kerns (Gewinn: 8,96 m) fehlen die Sedimente der jüngste 3000 - 4000 Jahre (GERSONDE, mdl. Mittl.). Die vom Kern erfa§te Sedimente weisen eine kontinuierliche Abfolge auf. Die obersten 1,4 m bestehen aus bioturbatem, größtentei ungeschichtetem, reinem Dia- tomeenooze. Bis zur Kerntiefe von etwa 6 m setzt sich das Sediment aus Diatomeenmud zusammen, in d e m dünn Aschelagen und Bereiche mit dispers verteilten Aschepartikeln eingeschaltet sind. Die letzten 3 m werden von wechselnden Diatomeenooze- und Diatomeenmud-Lagen mit fein ver- teilten Aschepartikeln und Grabgänge gebildet. D i e vollständig Kern- beschreibung findet sich unter Kap. 10.3.

Die Proben aus dem Schwerelotkern wurden mit Hilfe von 10 ml Spritzen in 1 0 c m Abstände entnommen. Bei markanten, lithologischen Änderunge wurde der Probenabstand verkürzt Ausführlich Beschreibungen zur Sedi- mentkerngewinnung mit dem Schwerelot und Probennahme finden sich bei CORDES (1990) und MELLES (1991).

4 . 2 . Aufbereitung und Präparatio

Die Aufbereitung der Oberflächen und Sedimentkernproben erfolgte nach einer Standardmethode, die 1984 im Mikropaläontologie-Labo des Alfred- Wegener-Institutes entwickelt wurde (Abb. 8). Grundlage ist dabei eine von SCHRADER & GERSONDE (1978) beschriebene Methodik.

Zunächs wird das Sediment in einem Gefriertrockner (LEYBOLD-HERAEUS Lyovac G T 2) zwei bis drei Tage getrocknet. J e nach Diatomeengehalt der Probe werden 0,5 bzw. 1 g Trockensediment entnommen, zur Dispergierung in Löso 80 (Spezialwaschbenzin) eingeweicht und anschließen mit kochen- dem, demineralisierten Wasser versetzt. Nach der Verdunstung des Lösol werden die Proben zur Corg Oxidierung mit Ca. 20 ml

C

Gefriertrocknen der Probe

1

Auswiegen von 0,5 bzw. 1 g Trockensediment

C

Einweichen des Sediments in ~ Ã ¶ s o

3

r

Versetzen mit kochendem H z 0 dem. T )

C

^LÖSO verdampfen T (ca. 24 ~ t d . 1

3

(. Kochen mit HCi und H 9 2 )

Mit H 2 0 dem. auffüllen 12

-

48 Std. Sedimentation

C

Dekantieren und wieder auffülle

1 t

C

8-maliges Wiederholen

>

C.

Auf 55 ml in Kautexfiasche auffülle

:

C

Herstellen des Dauerpräparat

1

Abb. 8: Flußdiagram zur Aufbereitung von Sedimentproben fü die Diatomeen- praparation.

Wasserstoffperoxid (35%) und zur Karbonatlösun mit Ca. 20 ml Salzsäur (37%) versetzt und erhitzt. Nach Reakticnsende wird mit demin. Wasser auf- gefüllt J e nach Zusammensetzung des Ausgangssedimentes benötig das Material 1 2 bis 48 Stunden Sedimentationszeit. Vor dem Absaugen der Überstehende Flüssigkei und dem erneuten Auffülle mit demin. Wasser wird deshalb geprüft ob sich noch Diatomeenschalen in Suspension befinden.

Die Sedimentationszeiten sind dabei offenbar vom Tongehalt des Materials und damit verbundenen elektrochemischen Vorgänge in der Wassersäule dem Gehalt an Salzen und dem pH-Wert der Flüssigkei abhängi (GERSONDE, mdl. Mittl.). Die Sedimentationsgäng werden Ca. achtmal wiederholt, bis die Überstehend Flüssigkei den gleichen pH-Wert (6,5) wie demineralisiertes Wasser a u f w e i s t (Test mit Indikatorpapier). D e r Rückstan wird in Kautexfiaschen Überfüh und diese auf 55 ml mit demin. Wasser aufgefüllt Zur Herstellung von Diatomeenpräparate wird zunächs eine Petrischale (49 mm Durchmesser, 20 mm hoch) mit drei in Diethylether gereinigten Deckgläser (18 mm Durchmesser) vorbereitet. Sie wird anschliefiend mit einer Mischung aus Gelatine und demin. Wasser gefüll (0,06 g Gelatine auf 7 0 0 ml dem. Wasser), um eine Haftung der Diatomeenschalen auf den Deckgläser nach dem Eintrocknen zu gewährleiste (MOORE 1973). Je nach Menge des Rückstande in der zuvor kräfti geschüttelte Kautexflasche werden verschiedene Splitmengen (zwischen 0,125 und 6 ml) mit einer Automatik-Pipette aus der Probenflasche entnommen und in die Petrischale gegeben. D i e Entnahme d e r Probenmenge muà nach spätesten fün Sekunden erfolgen, um eine Fraktionierung von große und kleinen Schalen zu verhindern (GERSONDE 1980, BODEN 1991). Nach einer Sedimentationszeit von zwei Stunden kann das Wasser mittels Papierstreifen aus der Petrischale abgesaugt werden (Abb. 9).

Anschließen werden die Deckgläse auf einer Heizplatte (120' C) mit ein bis zwei Tropfen Einbettungsmittel pro Glas (Einbettungsharz Mountex:

Brechungsindex 1.67) benetzt. Nach Verdampfen d e s Verdünnungsmittel Toluol (ca. 15-20 Sekunden) erfolgt die Fixierung der Deckgläse auf einem vorgewärmte Objektträger

Vorteilhaft fü die oben beschriebene Aufbereitung ist der geringere Zeit- aufwand gegenübe nachfolgend aufgeführte Methoden. Desweiteren wird eine gute Dispergierung des Ausgangsmaterials durch Lös0 erreicht. Zusätz lich wird eine gute Verteilung des Rückstande auf den Deckgläser erzielt, die fü eine quantitative Untersuchung notwendig ist.

Die von SCHRADER & GERSONDE (1978) beschriebene Pipettemethode erbringt k e i n e befriedigend reproduzierbaren Ergebnisse. Durch hydro- dynamische Fraktion von unterschiedlich große Schalen (groß konzen- trieren sich in der Mitte des Deckglases, kleinere werden an den Rand

Aufsicht Seitenansicht

Abb. 9: Schematische Darstellung einer Sedimentationsschale zur Herstellung von Diatomeen-Dauerpräparaten

gedrängt ergibt sich keine homogene Verteilung (BATTARBEE 1973, LAWS 1983, MOORE 1973). Die Evaporationsmethode, bei der das Überstehend Wasser bei Zimmertemperatur verdampft, zeigt dagegen gute Ergebnisse (BATTARBEE 1973, LAWS 1983), ist jedoch sehr zeitaufwendig.

4 . 3 . Z Ã ¤ h l m e t h o d i

Die mikroskopische Bearbeitung der Proben erfolgte mit einem LEITZ- O R T H O P L A N u n i v e r s e l l e n G r o à Ÿ f e l d m i k r o s k o m i t apochromatischem Ölimmersionsobjekti (PL APO 10011.32 Öl bei 1000-facher Vergrößeru (Okular: Periplan G W 1 0 X M). Die Fotoarbeiten wurden mit einem MITSUBISHI Videoprinter-System angefertigt. Die Videoprint-Bilder ent- sprechen dabei einer 1500-fachen Vergrößeru (Kap. 10.2.).

Zur Erfassung des Diatomeenbestandes wurden die Proben auf der jeweils mittleren Traverse des Deckglases gezählt hierbei wurden mindestens 300 -

400 Klappen gezählt um statistisch signifikante Ergebnisse zu erhalten. Diese Mindestanzahl hat sich fü derartige Zählunge als erfolgreich erwiesen (IMBRIE & KIPP 1971, DROOGER 1978). Bei Zählunge dieser Größenordnu liegt der Fehler fü Arten mit relativen Häufigkeite unter 5% nach VAN DER PLAS & TOB1 (1965) bei 40 %. Zählunge mit 800 Individuen zeigen, da sich hierbei nur die Prozentwerte der Arten unter 2% relativer Häufigkei

gegenübe der 400er Zählun signifikant änder (SCHRADER & GERSONDE 1 9 7 8 ) .

Als problematisch erwies sich bei den quantitativen Untersuchungen die Berücksichtigun zerbrochener Diatomeenklappen. U m sie zu erfassen, erfolgten die Zählunge nach der Methode von SCHRADER & GERSONDE (1978), in der festgelegt ist, welches Bruchstüc als eine Schaleneinheit zu bewerten ist (Abb. 10). Zusätzlic wurde nach L A W S (1983), ein Fragment nur als eine Einheit gezählt wenn sich auch der fehlende Teil noch innerhalb des Sichtfeldes befinden würd (s.a. BODEN 1991).

Abb. 10: Schema der Zählmethodik in der Bruchstück als eine Schaleneinheit zu bewerten sind. Veränder nach SCHRADER & GERSONDE (1978).

Erläuterunge siehe Text.

Als eine Schale wurden folgende Schalenfragmente gezählt

Bei z e n t r i s c h e n Diatomeen mit und o h n e P s e u d o n o d u l u s ( z . B . Thalussiosira, Actinocyclus) Bruchstücke wenn mehr als die Hälft der Klappe vorhanden waren.

Bei der Gattung Chaetoceros Bruchstücke wenn mehr als die Hälft der Schale vorhanden waren.

Bei zentrischen Diatomeen mit Hornfortsätze (z.B. E u c u m p i a ) Bruch- stück größ als eine halbe Schale.

Bei r a p h e n l o s e n , langgestreckten Pennales (z.B. T h a l a s s i o t h r i x , Thalassionema) zwei Schalenenden.

E) Bei pennaten Formen mit Kanalraphe (z.B. N i t z s c h i a ) Bruchstucke größ als eine halbe Schale. Es wurden auch Mittelstück gezählt bei denen die Apizes fehlten.

F) Bei mono- und biraphen, pennaten Formen (z.B. N a v i c u l a ) Bruchstucke mit Zentralknoten oder größ als eine halbe Schale.

G) Bei Arten der Gattung R h i z o s o l e n i a Fragmente mit Calyptra und Fortsatz.

Da in den untersuchten Proben bei den pennaten Formen Bruchstucke von Arten der Gattung N i t z s c h i a überwogen sind einige Vergleichszählunge durchgeführ worden, in denen Bruchstück als halbe und nach einer zweiten Zählun übe dieselbe Traverse als ganze Schale gezähl wurden (Abb. 11). Es sollte getestet werden, ob sich signifikante Unterschiede beim Zähle von halben Schalen (= Polenden, ohne Berücksichtigun von Mittel- stücken einstellten. Hierbei ergaben sich geringe Differenzen bei N i t z s c h i a c u r t a , die am häufigste auftrat und bei der langgestreckten Nitzschia sub- l i n e a r i s . Letztere Art, ebenso N . obliquecostata, wurden durch Zähle der halben Schalen leicht überbewertet Jedes Bruchstüc ging dabei in die Zählun ein, währen ganze Schalen nur danach bewertet wurden, wenn mehr als die Hälft der Klappe vorhanden war. Fü die Unterschiede in der Zählun von N . curta in Probe PS1402-2 ergibt sich, auf die Gesamt- diatomeenzahl bezogen, zwischen ganzen und halben Schalen ein Unterschied von Ca. 5 %. Die relative Häufigkei dieser Art steigt demnach von 42,9 ^% (ganze Schalen) auf 47,98 % (halbe Schalen). Fehler dieser Größenordnu wirken sich nicht beeinträchtigen auf palökologisch Interpretationen aus.

Dies zeigen auch Testzählunge verschiedener Bearbeiter an derselben Art, bei denen Unterschiede bis zu 5 % ermittelt wurden (SCHRADER & GERSONDE

1 9 7 8 ) .

Bei der Bearbeitung der Proben hat sich das Zähle der ganzen Schalen als vorteilhafter erwiesen, da bei den meisten pennaten Formen eine sichere Identifizierung nur vorgenommen werden konnte, wenn noch mindestens die Hälft der Schale vorhanden war. Diatomeenarten wie Nitzschia ritscheri ließe sich z.B. nur sicher an ganzen Schalen bestimmen, da sie sonst leicht mit N . obliquecostata zu verwechseln sind.

Probe PS1 398-2 200 1

Ganze Schalen Halbe Schalen

U -

N. curta N. cylind. N. oblique. N. ritsch. N. sublin..

Probe PS1 402-2

Ganze Schalen W Halbe Schalen

"

N. curta N. cylind. N. oblique. N. ritsch N. stella. N. sublin.

Abb. 11 : Vergleichszählunge pennater Diatomeenarten der Gattung Nitzschia an zwei Oberflächenprobe mit halben bzw. ganzen Schalen. Es zeigen sich geringe Unterschiede in der Klappenanzahl bei N. curta (Probe PS1402-2) und N. sublinearis (beide Proben).

4 . 4 . Erfassung des Erhaltungszustandes

Fü palökologisch Interpretationen fließ der Erhaltungsgrad der Diato- meenvergesellschaftungen als zusätzlich Information mit ein. So liefert der Erhaltungsgrad Aussagen zur Abgrenzung von Gebieten unterschiedlicher Opallösun und zur Interpretation der errechneten Faktoren aus der statis- tischen Analyse (vergl. Abb. 22). Eine quantitative Bewertung ist jedoch auf- grund des unterschiedlichen Baues und Verkieselungsgrades der Diatomeen-

schalen und des dadurch resultierenden differenzierten Lösungsverhalten nicht möglich Der Grad der Erhaltung konnte deshalb nur geschätz werden.

Schlechte Erhaltung zeichnet sich hauptsächlic durch Areolenerweiterung, Anreicherung von stark verkieselten Arten (z.B. Nitzschia kerguelensis, Thalassiosira lentiginosa) und eine Abnahme der Gesamtdiatomeenhäufigkei aus. Eine genaue Einteilung unterschiedlicher Erhaltungszuständ ist nur mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops möglich SCHRADER (1972) identifi- ziert s o drei Gruppen unterschiedlicher Anlösun aufgrund der Porendichte pro Flächeneinhei und des Zackenindexes der Poren.

SCHRADER & GERSONDE (1978) gruppieren Diatomeen in vier Erhaltungs- klassen, wobei eine Probe umso bessere Erhaltung zeigt, je höhe der Anteil der leicht lösliche Arten ist (s.a. SCHRADER 1972, GERSONDE 1980, TREPPKE 1988). Beispiele fü fein verkieselte, relativ leicht löslich Arten sind N . c u r t a , N . cylindrus, N . vanheurckii. Lösungsresistenter und dement- sprechend stärke verkieselte Arten stellen N. kerguelensis, T . lentiginosa und E. antarctica (Dauerspore) dar.

Die Bewertung der Erhaltung wurde vorwiegend durch d a s Verhältni starker zu schwach verkieselter Arten, sowie Fraktionierung und Anlösun der Schalen bestimmt. Hierzu wurden besonders die Areolen und der Schalenrand untersucht. J e schlechter eine Probe erhalten ist, umso proble- matischer ist die eindeutige Identifikation einzelner Arten (besonders bei den zentralen Formen durch Areolenerweiterung), was als zusätzliche Kri- terium fü den Erhaltungsgrad hinzugezogen werden kann. Als Beispiel läà sich die Ähnlichkei von Thalassiosira lentiginosa mit Coscinodiscus ellipto- p o ra durch Areolenerweiterung infolge von Lösun heranziehen, die von ABBOTT (1974) erwähn wird. Er betrachtet daraufhin C. elliptopora als aus- gestorbenen Vorläufe von T. lentiginosa.

Folgende drei Erhaltungsklassen, die z.T. auch miteinander kombiniert wurden, sind fü die Erhaltung maßgebend

Gut: Grob- und fein verkieselte Arten kommen nebeneinander vor.

kaum Areolenerweiterung oder Anlösun des Schalenrandes. Hohe Gesamtdiatomeenhäufigkeit

Mittel: Grob- und fein verkieselte Arten sind vorhanden. Feiner ver- kieselte Arten zeigen Areolenerweiterung, Randanlösun und F r a k t i o n i e r u n g .

Schlecht: à ¼ b e r w i e g e n g r o b verkieselte Arten, s t a r k e A n l à ¶ s u n des S c h a l e n r a n d e s und Areolenerweiterung. T e i l w e i s e schlechte Identifikationsmöglichkei bei zentralen Formen.

Die absolute Diatomeenhäufigkei (Diatomeen pro g Trockensediment) kann als weiteres Kriterium zur Erhaltung herangezogen werden. Sie wurde fü die Proben des Nord-Sü Profils in Abb. 22 errechnet. Den Formelansatz zur Ermittlung der absoluten Häufigkei beschreiben SCHRADER & GERSONDE (1978), GERSONDE (1980) und TREPPKE (1988).

4 . 5 . Statistische Methoden

Die statistische Bearbeitung der Zähldate wurde mit der Transfer- funktionsmethode nach IMBRIE & KIPP (1971) durchgeführt Sie wurde fü die Untersuchung planktischer Foraminiferenvergesellschaftungen, die mit ozeanographischen Parametern des Oberflächenwasser korreliert werden, entwickelt und fü die Gruppe der Diatomeen ebenfalls erfolgreich ange- wendet (Kap. 2.). Ziel dieser Methode ist es, aus paläontologische Daten eines Sedimentkerns quantitative Aussagen übe die ozeanographischen Bedingungen des Oberflächenwasser währen der Ablagerung des unter- suchten Sedimentpaketes machen zu könne (IMBRIE & KIPP 1971).

Das Programm (veröffentlich von IMBRIE & KIPP 1971 und KLOVAN &

IMBRIE 1971) fü die Berechnung von Transferfunktionen gliedert sich in drei Unterprogramme: Ausgehend von einer Q-Modus-Faktorenanalyse (CABFAC), in der die Füll der Zähldate aus Oberflächensedimente zu wenigen Faktoren (Vergesellschaftungen) reduziert werden, fließe in einer anschließende Regressionsanalyse (REGRESS) aktuelle ozeanographische Parameter (Temperatur, Salinität Nährstoffgehalt in Kombination mit den Faktoren ein. Im letzten Schritt (THREAD) erfolgt mit dem fossilen Datensatz aus Sedimentkernen die Berechnung der Paläoumweltparamete (vergl. Abb.

1 2 ) .

Die Methode kann nach IMBRIE & KIPP (1971) in fün aufeinanderfolgende Schritte unterteilt werden:

1 ) Erfassung des Rohdatensatzes aus den Oberflächensedimente und des fossilen Datensatzes aus dem Sedimentkern.

2 ) Der Datensatz der Oberflächensediment wird mittels Faktorenanalyse in verschiedene Faktoren (Vergesellschaftungen) gegliedert.

3 ) Durch eine multiple Regressionsanalyse werden palökologisch Gleichungen errechnet, die die Faktoren mit gemessenen ozeano- graphischen Parametern kombinieren (Transferfunktionen).

4 ) Der fossile Datensatz aus dem Sedimentkern wird in das Faktoren- modell des Oberflächendatensatze projiziert.

5 ) Errechnung von palökologische Schätzwerte mit Hilfe der Gleichun- gen aus der Regressionsanalyse.

Im folgenden werden der Grundgedanke der Transferfunktionstechnik sowie die Vorgehensweise der jeweiligen Unterprogramme erläutert Detaillierte I n f o r m a t i o n e n z u m m a t h e m a t i s c h - s t a t i s t i s c h e n H i n t e r g r u n d g e b e n MALMGREN & HAQ (1982), SACHS et al. (1977), JORESKOG et al. (1976), BACKHAUS e t al. (1989). Eine kurze, aber ausführlich Zusammenfassung s o w i e technische Beschreibung d e r Transferfunktionsmethode i s t bei MAYNARD (1976) zu finden.

Paläontologisch Transferfunktionen stellen empirisch hergeleitete, palöko logische Gleichungen fü quantitative Schätzunge ozeanographischer Bedin- gungen in geologischer Vorzeit dar (SACHS et al. 1977). Diese Schätzunge werden übe die Gleichungen an paläontologische Datensätze vorge- nommen. Die dabei gewonnenen Beziehungen basieren auf der räumliche Korrelation zwischen aktuellen ozeanographischen Daten und Diatomeen- vergesellschaftungen (oder anderen Organismengruppen), deren rezente Verbreitung als Referenzdatensatz ("calibration data set") herangezogen wird (SACHS et al. 1977). Dem Grundgedanken dieser quantitativen, palökolo gischen Rekonstruktionen liegen folgende Annahmen zugrunde (SACHS et al.

1977, IMBRIE & KIPP 1971, SANCETTA 1979b):

- Die Vergesellschaftungen aus Oberflächensedimente könne mit den hydrographischen Bedingungen des Oberflächenwasser in Beziehung gesetzt werden.

- Die ökologische Bedingungen haben sich währen der Ablagerung des untersuchten Sedimentes durch die Zeit nicht wesentlich verändert

- Evolutionär Änderunge der Arten innerhalb des betrachteten Zeit- raumes sind gering und vernachlässigbar

- Ozeanographische ~ n d e r u n ~ e n und saisonale Schwankungen des Öko systems fallen in die Schwankungsbreite, die mit d e r Zusammen- setzung des Referenzdatensatzes aus Oberflächensedimente erfaß w u r d e n .

- D i e Erhaltungsbedingungen fü die Hartschalen von Organismen sind durch die Zeit relativ stabil geblieben.

- Die Häufigkeite aller i m Sedimentkern untersuchten Arten müsse dem Rahmen des Referenzdatensatzes entsprechen, andernfalls wär eine No-Analog-Situation vorhanden.

Diese Annahmen lassen sich bis auf die letzten beiden Punkte fü den bear- beiteten Sedimentkern bestätigen Die Erhaltungsbedingungen sind im zeit- lichen Verlauf, der mit dem Sedimentkern erfaß wird, nicht stabil geblieben:

Die Bedingungen währen der Kaltzeiten könne in etwa mit dem heutigen neritischen Bereich d e s Weddellmeeres mit mittlerer Erhaltung der Dia- tomeenvergesellschaftungen verglichen werden. Demgegenübe befindet sich die Kernposition heute im Bereich guter Erhaltung. Die Annahme der Stabili- tä d e r Erhaltungsbedingungen muà demnach eingeschränk werden. Die verschiedenen Umweltbedingungen und d i e daraus resultierenden Erhal-

tungsänderunge im Verlauf der Kalt- und Warmzeiten sind jedoch mit dem Referenzdatensatz aus Oberflächensedimente erfaß worden. Eine No- Analog-Situation besteht fü die Art E. antarctica, die mit ihrer Häufigkei im Referenzdatensatz nicht mit ihrem hohen Anteil am Kerndatensatz ver- glichen werden kann (Kap. 6.1.1 .).

4.5.1. F a k t o r e n a n a l y s e ( P r o g r a m m C A B F A C )

In dem Transferfunktionsprogramm wird eine Q-Modus-Faktorenanalyse (s.

MALMGREN & HAQ 1982) angewendet. Sie reduziert die hohe Zahl der Dia- tomeenarten (Variablen) auf eine geringe Anzahl von interpretierbaren, statistisch unabhängige Variablen (Faktoren, Vergesellschaftungen). In der Analyse der vorliegenden Untersuchungen sind jeweils Arten mit gleichen oder ähnliche ökologische Ansprüche zusammengefaß worden. Es wird ein Modell der rezenten Diatomeenvergesellschaftungen errechnet, das im weiteren Verlauf d e r statistischen Analytik mit den heutigen hydro- graphischen Bedingungen des Oberflächenwasser in Beziehung gesetzt wird.

Anmerkung zum Begriff "Faktorenanalyse": MALMGREN & HAQ (1982) weisen auf die Unkorrektheit dieses Begriffes hin und bezeichnen sie als Hauptkomponentenanalyse. Diese unterscheidet sich von d e r klassischen Faktorenanalyse durch die Kommunalitätenschätzun Man geht bei der Hauptkomponentenanalyse davon aus, da die gesamte Varianz des Modells auf die gemeinsamen Faktoren zurückgeht d.h. kein Informationsverlust bei d e r Berechnung auftritt (die Kommunalitä hätt demnach den größ mögliche Wert 1). Dies ist jedoch in der Praxis nicht der Fall, da die Kommunalitäte Werte < 1 aufweisen, also immer ein Informationsverlust aufgrund d e r statistischen Berechnung berücksichtig werden muà (vergl.

BACKHAUS et al. 1989). Da sich der Term Faktorenanalyse in der Literatur durchgesetzt hat, wird er im folgenden beibehalten.

Das Programm CABFAC liefert als Ergebnis zwei fü die Interpretation erfor- derlichen Datenmatrizen:

In der V a r i m a x F a c t o r M a t r i x (Probenfaktorenmatrix) wird der jeweilige Anteil eines Faktors (Diatomeenvergesellschaftung) an einer Oberflächen probe in Form einer Faktorenladung angegeben (Tab. 10, 11, 1 2 in Kap.

10.5.). Dieser Wert liegt zwischen 0 und 1 . Wieviel Information übe die Zusammensetzung der Originalprobe vom Varimax-Modell d e r Faktoren- analyse errechnet wurde, gibt die Kommunalitä an, die sich aus der Summe d e r quadrierten Faktorenladungen einer Reihe d e r Datenmatrix errechnet.

Der Wert bewegt sich ebenfalls zwischen 0 und 1. Niedrige Kommunalitäte (LA. unter 0,75) wurden aus dem gewichteten, antarktischen Datensatz ent- fernt. Gründ fü niedrige Werte könne beispielsweise Veränderunge der