Impact of the closing Panamanian seaway in the late Miocene to Pliocene on coccolithophore evolution, biogeography and palaeoproductivity

Lezius, Jeannette

The closure of the Panamanian Seaway acted as a critical threshold in the late Neogene ocean circulation patterns with strong impact on climate and plankton evolution. Evaluation of feedback mechanisms between palaeoceanography and marine biota related to the uplift of the Isthmus of Panama emphasises the fundamentally changed palaeoceanographic conditions. A high-resolution multi-proxy approach on sediments of two ODP Sites from the eastern equatorial Pacific (Site 1241) and the central Caribbean Sea (Site 1000) highlights the prominent role of calcareous nannoplankton to provide insights into this turning point in Earth’s history. Whithin this thesis the following points regarding the biostratigraphy, evolution and ecology, accumulation rates and stable carbon and oxygen isotope composition of coccolithophores are addressed: (1) The detection of local and global nannofossil bioevents suggests a set of mechanisms that is controlled by intrinsic and extrinsic factors triggering coccolithophorid evolution independently of the Panamanian Seaway Closure. Synchrony is observed in the Top of the paracme interval of R. pseudoumbilicus (7.135-7.058 Ma), the first occurrence (FO) of R. rotaria (7.2-7.18 Ma) and the last occurrence (LO) of S. abies (3.624-3.618 Ma). Diachrony exists for the LO of R. rotaria (6.9 Ma; 6.34 Ma). (2) Distinct morphological patterns provide evident influence of the gateway closure. Gradual and punctual changes in intrageneric and intraspecific coccolith size occur, which distinguish the eutrophic eastern equatorial Pacific as preferred ecological niche for the assemblage-dominating r-selective Reticulofenestra spp. They show the largest coccolith sizes, strongest size increases and longest durations of dominance of large species as well as the highest abundances in the more eutrophic, open-seaway conditions of the late Miocene eastern equatorial Pacific. Large reticulofenestrids could have passed through the seaway to the central Caribbean, but due to the lack of ecologically preferred conditions, they do not reach significant numbers in the fossil record. Small cell sizes dominate the consistingly more oligotrophic conditions of the Caribbean, and also gain higher abundances in the Pliocene eastern equatorial Pacific. (3) With closed-seaway conditions, palaeoproductivity decreases (F. profunda, MARs, nannoARs) in the eastern equatorial Pacific due to the changed palaeo-location off the equatorial divergence and preceding the high-producitivity event of the ‘Biogenic Bloom’. This may superimpose the general trend of post-closure palaeoproductivity increase in the tropical eastern Pacific (e.g. Schneider and Schmittner, 2006). The observed increase in palaeoproductivity (F. profunda) in the central Caribbean after the Panamanian Seaway Closure, however, is not concordant with the decreased coccolith accumulation rates, which might be a result of short-lived seasonal productivity events in an overall oligotrophic regime. (4) Stable isotopic composition proved changes in the central Caribbean due to isthmus closure, with changes in ecology, productivity and salinity. Strong influence of bank-derived aragonite in the Pliocene, however, indicates the necessity of a multi-proxy approach to detect possible influences of the isotopic signal of the bulk fine-fraction, i.e. the coccolith isotope signature. (5) Improvement of its understanding confirmed the reliability of the isotopic signal of the bulk fine-fraction due to a constant offset to the isotopic signal of quasi-monospecific subgroups. Isotopically heavy and light groups exist within species-specific isotopic signatures depending on coccolith size. The signal of larger species is generally depleted by 1 ‰ in both, stable carbon and oxygen isotopes compared to the smaller fractions and the bulk fine-fraction signal. (6) The ‘Late Miocene Carbon Shift’ is apparent in the bulk fine-fraction of both, the eastern equatorial Pacific and the central Caribbean. The amplitude of the depletion in carbon isotopic composition is similar in coccoliths and foraminifers, with a decrease of about 1 ‰. The decrease of planktonic and benthic isotope signals, as well as the decrease in accumulation rates and changes in assemblage composition suggest the necessity of other mechanisms to explain the ‘Late Miocene Carbon Shift’ than solely productivity changes. (7) This interval, however, is marked by a two-fold prominent increase in carbonate accumulation. It is accounted for by (a) an increase in coccolith sizes before, and (b) an increase in coccolith productivity after 6.7 Ma. These patterns clearly indicate the so-called ‘Biogenic Bloom’ to be a coccolithophorid bloom.

Der Seeweg von Panama spielte eine entscheidende Rolle für die Ozeanzirkulation im späten Neogen. Seine Schließung hatte starke Auswirkungen auf das globale Klima und die Evolution von Plankton-Organismen. Die Auswertung von Rückkopplungsmechanismen zwischen der Paläozeanographie und marinen Biota bestätigt die grundlegend veränderten paläozeanographischen Bedingungen durch die Hebung des Isthmus von Panama. Ein hochauflösender Multi-Proxy Ansatz an Sedimenten von zwei ODP Kernen aus dem östlichen äquatorialen Pazifik (Site 1241) und der zentralen Karibik (Site 1000) betont die außergewöhnliche Rolle von kalkigem Nannoplankton (i.w.S Coccolithophoriden) bei der Untersuchung dieses Wendepunkts in der Erdgeschichte. Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Schließung des Seeweges von Panama auf die Biostratigraphie, Evolution und Ökologie, Paläoproduktivität sowie Zusammensetzung von stabilen Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen von Coccolithophoriden. (1) Die Bestimmung von lokalen und globalen biostratigraphischen Ereignissen unter Nannofossilien weist auf eine Reihe von Mechanismen, die von intrinsischen und extrinsischen Faktoren kontrolliert werden. Diese beeinflussen die Evolution von Coccolithophoriden unabhängig von der Schließung des Panama-Seeweges. Synchronität wurde im Top des Paracme-Intervals von R. pseudoumbilicus (7.135-7.058 Ma), dem ersten Auftreten (FO) von R. rotaria (7.2-7.18 Ma) und dem letzten Auftreten (LO) von S. abies (3.624-3.618 Ma) beobachtet. Diachronität erscheint beim letzten Auftreten von R. rotaria (6.9 Ma; 6.34 Ma). (2) Bestimmte morphologische Muster weisen deutlich auf den Einfluss der Schließung des Seeweges hin. Graduelle und punktuelle Größenänderungen innerhalb von Gattungen und Arten treten auf, was den östlichen äquatorialen Pazifik als bevorzugte ökologische Nische für die dominierenden r-Strategen Reticulofenestra spp. erkennen lässt. Diese weisen größte Coccolithengrößen, stärkste Größenzunahmen, längste Dauer an Dominanz großer Formen und höchste Häufigkeiten unter den leicht eutrophen Bedingungen des äquatorialen Pazifiks zu Zeiten mit offenem Seeweg auf. Große Reticulofenestren treiben durch den Seeweg in die zentrale Karibik, wo sie allerdings aufgrund ungünstiger ökologischer Bedingungen nur in geringem Masse in fossilen Sedimenten zu finden sind. Kleine Coccolithengrößen überwiegen in den oligotrophen Bedingungen der Karibik, und gewinnen auch im Pliozänen äquatorialen Pazifik an Bedeutung. (3) Unter den Bedingungen des geschlossenen Seeweges nimmt die Paläoproduktivität (F. profunda, MARs, nannoARs) aufgrund der veränderten Paläo-Lokation mit Entfernung zur äquatorialen Divergenz und der vorangegangenen stark erhöhten Produktivität des „Biogenic Bloom“ Intervals im östlichen equatorialen Pazifik ab. Dies mag die generell beobachtete Zunahme der Paläoproduktivität im tropischen Ostpazifik (Schneider and Schmittner, 2006) überlagern. Der Anstieg der Paläoproduktivität (F. profunda) in der zentralen Karibik nach der Schließung des Seeweges ist wiederum nicht vereinbar mit den stark verringerten Akkumulationsraten von Coccolithen, was ein Ergebnis von kurzlebigen, saisonal geprägten Produktivitäts-Ereignissen in einem sonst durchgehend oligotrophen Regime zu sein scheint. (4) Die Zusammensetzung stabiler Isotope belegt schließungsbedingte Änderungen von Ökologie, Produktivität und Salinität in der Karibik. Hier tritt im Pliozän starker Eintrag von Aragonit von den umliegenden Karbonatbänken auf. Mögliche Einflüsse auf das Isotopensignal der Gesamtfeinfraktion müssen geklärt werden. (5) Generell wird die Gesamtfeinfraktion von Coccolithen präsentiert. Die detaillierte Untersuchung verschiedener Größenfraktionen (quasi-monospezifische Unterfraktionen) bezüglich ihrer Isotopensignale bekräftigte die Verlässlichkeit der Gesamtfeinfraktion als geochemischen Proxy anhand eines konstanten Versatzes untereinander. Hierbei wurden, in Abhängigkeit von ihrer Coccolithengröße, isotopisch leichte und schwere Gruppen ausgemacht. Das Signal der großen Arten ist hierbei in den Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopen generell um 1 ‰ leichter als das der kleineren Fraktionen und der Gesamtfeinfraktion. (6) Der sogenannte „Late Miocene Carbon Shift“ tritt in der Gesamtfeinfraktion von Pazifik und Karibik auf. Die Amplitude des Coccolithen- und Foraminiferenisotopensignals ist mit einer Abnahme von 1 ‰ sehr ähnlich. Die niedrigsten Kohlenstoffisotopenwerte treten um 6.7 und 5.9 Ma auf. Die Abnahme von bentischen und planktonischen Isotopensignalen, gekoppelt mit der Abnahme der Akkumulationsraten, sowie Vergesellschaftunsänderungen zeigen, dass der „Late Miocene Carbon Shift“ nicht alleine mit Änderungen in der Produktivität erklärt werden kann. (7) Dennoch ist dieser Intervall ist von einem zweifachen, starken Anstieg der Karbonatakkumulationsraten gekennzeichnet. Diese werden hervorgerufen durch (a) eine Zunahme der Coccolithengröße (Intervall älter als 6.7 Ma) und (b) eine Zunahme der Coccolithenproduktivität (Intervall jünger als 6.7 Ma). Dieses Modell identifizierte den „Biogenic Bloom“ Intervall eindeutig als Produktions-Ereignis von Coccolithophoriden.

Quote

Citation style:

Lezius, Jeannette: Impact of the closing Panamanian seaway in the late Miocene to Pliocene on coccolithophore evolution, biogeography and palaeoproductivity.

Rights

Use and reproduction:
No CC License (german copyright law applies)

Export