The Late Quaternary evolution of subsurface water masses in the Gulf of Guinea: High-latitude versus monsoonal control

Kraft, Steffanie

The area of this study has been under the influence of a monsoon-driven tropical climate and has experienced variable contributions from river systems in a near shelf area characterized by a complex hydrography. The goal of this study is to improve the understanding of the coupling mechanisms between high latitudes and the tropics via atmospheric and oceanic circulation. The study investigates subsurface tropical water masses and their role in hydrographic changes in response to bipolar climatic oscillations and in modulating the inter-hemispheric heat exchange, focussing on glacial-interglacial cycles and shorter term millennial scale variability, in particular during Marine Isotope Stage 3 (MIS 3). MIS 3 was characterized by millennial-scale temperature oscillations, which were essentially in opposite phase in the northern and southern hemisphere. Various geochemical proxies are investigated and tested for their reliability for distinct applications, such as reconstructing past riverine input, water mass mixing and boundary exchange. The radiogenic neodymium (Nd) isotope composition is a widely used proxy to investigate past changes in sources and mixing of water masses, in particular that extracted from foraminiferal shells. However, the extracted seawater Nd isotope ratios can be biased by con-taminant phases such as organic matter, detrital silicates, and early diagenetic ferromanganese coatings. We tested different cleaning methods (Flow Through and batch cleaning) of planktonic foraminifera in order to obtain seawater εNd signatures to distinguish surface water mass mixing from riverine inputs and deep water signatures. Both methods reveal indistinguishable levels of cleaning efficiency and identical Nd isotope compositions. Element/calcium ratios and rare earth element (REE) concentration patterns, as well as similar εNd ratios for cleaned and uncleaned foraminiferal samples, suggest that the planktonic foraminiferal Nd isotope signatures reflect bottom water or sedimentary pore water signa-tures. The results of planktonic foraminiferal analyses were complemented by analyses of Fe-Mn coatings of de-carbonated bulk sediment leachates and the residual detrital fractions of the same sediment samples. Close to the Niger River mouth, the sediment leachates differ significantly from the foraminiferal data, but agree well with the Niger River signature, sug-gesting contributions of pre-formed coatings originating from the river. The riverine input influences the geochemistry of seawater and deposited authigenic phases. The riverine inputs in the study area have been strongly influenced by the West African Monsoon (WAM) sys-tem, which itself has been closely linked to location and movement of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) and the related rain belt, resulting in changes of their discharge into the Gulf of Guinea. The evolution of the riverine inputs of two large river systems (Sanaga/Nyong and Ntem Rivers) during the past 135 kyr was reconstructed using different sedimentary phases (foraminiferal shells, bulk sediment leachates, residual detrital fraction) of core MD03-2707 which were analyzed for Nd isotope compositions, element/calcium ratios and REE concentrations. The isotopic signature of the residual detrital fraction directly reflects changes in local riverine input, whereas the sediment coatings and foraminiferal shells represent past bottom water signatures, as well as exchange processes between bottom water and the shelf and/or continental material. All phases show similar trends with markedly less radiogenic values during glacial phases as a consequence of the glacial southward migration of the ITCZ and the related rain belt resulting in enhanced runoff of more southerly located rivers draining Precambrian basement with characteristically unradiogenic Nd isotope signatures during sea level low stands. Combined measurements of trace element contents (Mg/Ca, Ba/Ca) and stable isotopes (δ18O, δ13C) of foraminiferal samples are applied to obtain a detailed record of the evolution of subsurface water masses (< 500 m) and their relationship to climate changes in high latitudes during the last glacial period (5 to 60 kyr). For this purpose, a core top-based multi-species Mg/Ca-temperature calibration of foraminiferal Mg/Ca and oxygen isotopes (δ18O) was established. Shells of two planktonic foraminiferal species N. dutertrei and G. crassaformis inhabiting different subsurface water masses the Subtropical Underwater (STUW) and South Atlantic Central Water (SACW), respectively, were investigated in detail. N. dutertrei represents the lower thermocline and the variability of its proxy data shows clear influence of northern hemisphere climate changes but was also affected by changes in the southern hemisphere due to enhanced admixture of water masses during the last glacial period. G. crassaformis inhabits a deeper water mass (SACW), which has mainly been affected by climate changes in the southern hemisphere. The similarity of the records of N. dutertrei and G. crassaformis, particularly between 55 and 32 kyr, suggests that the SACW strongly influ-enced the thermocline waters. Furthermore, vertical mixing most likely driven by stronger trade winds resulted in a decrease of thermocline depth during this period of time. Since 32 kyr the trends in the records of N. dutertrei and G. crassaformis have diverged, suggesting a decrease of the influence of southern water masses and an attenuation of the mixing of the thermocline and SACW water masses.

Das Untersuchungsgebiet unterliegt einem monsungesteuerten tropischen Klima und ist durch hohe Einträge der Flusssysteme in einem schelfnahen Gebiet beeinflusst, was in einer komplexen Hydrographie resultiert. Ziel dieser Studie ist es, das Verständnis der Kopplungsmechanismen zwischen hohen Breiten und den Tropen über atmosphärische und ozeanische Zirkulation zu verbessern. Sie befasst sich mit den Wassermassen oberhalb von 500 m, den hydrographischen Veränderungen als Reaktion auf die bipolaren Klimaschwankungen, sowie deren regulierende Rolle für den inter-hemisphärischen Wärmeaustausch. Der Fokus liegt hierbei auf dem Marinen Isotopenstadium 3, das durch Klima-Zyklen auf Zeitskalen von Tausenden von Jahren geprägt war, die sich in der Nord- und Südhemisphäre gegenläufig verhielten. Verschiedene geochemische Proxy-Indikatoren wurden untersucht und auf ihre Verlässlichkeit für Anwendungen, wie der Rekonstruktion von Flusseinträgen, Wassermassenmischung und von Austauschprozessen mit den Schelfsedimenten getestet. Ein häufig verwendeter Proxy um Veränderungen des Ursprungs und in der Mischung von Wassermassen zu rekonstruieren sind die radiogenen Nd-Isotopen-Verhältnisse (εNd). Die aus den Foraminiferen extrahierten Meerwasser-εNd-Signaturen können durch organisches Material, detritische Silikate und frühdiagenetische Eisen-Mangan-Oxide überprägt worden sein. Zwei Reinigungsmethoden ("Flow Through" und "batch cleaning") wurden untersucht und verglichen, um die Effektivität der Methoden und die Verlässlichkeit der extrahierten εNd-Verhältnisse zu bewerten. Elementverhältnisse (Al/Ca, Mn/Ca) und identische εNd-Werte (der gleichen Probe) implizieren, dass die Effektivität beider Reinigungsmethoden gleichwertig ist. Die Elementverhältnisse und die Verteilungsmuster der Seltenen Erdelemente (REE), sowie identische Nd-Isotopensignaturen gereinigter und ungereinigter Foraminiferen, weisen darauf hin, dass die εNd-Signaturen der planktonischen Foraminiferen Boden- oder Porenwässer repräsentieren. Die Ergebnisse der Foraminiferen-Analysen wurden mit Messungen von Eisen-Mangan-Oxiden von entkarbonatisierten Sedimentproben und der detritischen Fraktion des selben Sediments ergänzt. Nahe der Nigermündung, weichen die Nd-Ergebnisse der Fe-Mn-Oxide signifikant von den Foraminiferen-Daten ab, sie stimmen jedoch mit den Niger-Signaturen überein, was auf einen signifikanten Beitrag von im Fluss vorgeformten Fe-Mn-Oxiden schließen lässt. Flusseinträge können die Geochemie des Meerwassers sowie der authigenen Ablagerungen beeinflussen. Der Flusseintrag im Untersuchungsgebiet wird stark vom Westafrikanischen Monsunsystem beeinflusst, das eng mit der Lokation und der Oszillation der Intertropischen-Konvergenz-Zone (ITCZ) über die verschiedenen Breitengrade und dem damit verbundenen Regenband gekoppelt ist. Diese Migration über die Einzugsgebiete der Hauptflüsse führt folglich zu Variationen im Einstrom in den Golf von Guinea. Der Flusseintrag der zwei großen Flusssysteme (Sanaga/Nyong und Ntem) während der letzten 135 ka wurde mit Hilfe verschiedener Sedimentphasen (Foramini-feren, Sediment-Coatings, detritische Sedimentfraktion) aus dem Kern MD03-2707 rekon-struiert. Es wurden dazu Nd-Isotope, Elementverhältnisse und REE-Konzentrationen untersucht. Die detritische Fraktion zeigt direkt Veränderungen im lokalen Flusseintrag an, wohin-gegen die Fe-Mn-Oxide des Sediments und die Foraminiferen Paläo-Bodenwasser-Signaturen und Austauschprozesse zwischen Bodenwasser und Schelf-Material und/oder kontinentalem Material repräsentieren. Alle analysierten Phasen zeigen ähnliche Trends mit markant unradiogenen Nd-Isotopenwerten während der glazialen Perioden als Konsequenz der südwärts Migration der ITCZ und dem Regenband, was in einem erhöhten Abfluss aus südlicheren Gebieten mit präkambrischem Untergrund (unradiogene εNd-Signaturen) resultierte. Mit Hilfe kombinierter Messungen von Spurenelementverhältnissen (Mg/Ca, Ba/Ca) und stabilen Isotopen (δ18O, δ13C) an Foraminiferen wurde die Entwicklung der Wassermassen oberhalb von 500 m Wassertiefe, ebenso wie deren Beziehung zu Klimaveränderungen in hohen Breiten mit Fokus auf dem letzten Glazial (5 bis 60 ka) untersucht. Hierfür wurde eine oberflächenbasierte Multispezies-Mg/Ca-Temperatur-Kalibration mit Hilfe von Mg/Ca-Verhältnissen und Sauerstoffisotopen (δ18O) erstellt. Zwei Spezies aus verschiedenen Habitat-Tiefen wurden für die Analysen ausgewählt. N. dutertrei kommt im Subtropischen Unterwasser (STUW) vor und repräsentiert die untere Thermokline, welche sowohl Einflüsse aus der Nordhemisphäre, als auch aus der Südhemisphäre während des letzten Glazials wiederspiegelt. G. crassaformis bewohnt dagegen tiefere Wasserschichten und repräsentiert hauptsächlich den Einfluss des Südatlantische Zwischenwassers (SACW), das durch Klima-schwankungen der Südhemisphäre geprägt ist. Die signifikante Korrelation der Ergebnisse beider Spezies, besonders zwischen 55 und 32 ka, legt nahe, dass das SACW die Thermokline wahrscheinlich durch Mischungsprozesse stark beeinflusst, die außerdem eine Verflachung der Thermokline verursachten und durch starke Passatwinde ausgelöst worden sein können. Seit 32 ka laufen die Kurven von N. dutertrei und G. crassaformis auseinander, was für eine Abschwächung des Einflusses der südlichen Wassermassen auf die Thermokline und eine Abschwächung der Mischungsprozesse der Wassermassen spricht.

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Kraft, Steffanie: The Late Quaternary evolution of subsurface water masses in the Gulf of Guinea: High-latitude versus monsoonal control. 2013.

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