Reconstructing the Plio – Pleistocene evolution of the water mass exchange and climate variability in the Nordic Seas and North Atlantic Ocean

Teschner, Claudia

Global climate of the Plio-Pleistocene has been largely impacted by changes of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), which has most likely to a large extent been controlled by the formation of North Atlantic Deep Water (NADW) ventilating the entire Atlantic Ocean. The main areas contributing to the formation of NADW have been the Labrador Sea, the Nordic Seas, and North Atlantic Ocean. The circulation pattern in these areas underwent dramatic changes during the Plio – and Pleistocene, in particular during the onset and intensification of the Northern Hemisphere Glaciation (NHG) at 2.7 Ma and the Mid Pleistocene Transition (MPT) 1.5 – 0.6 Ma. The main goal of this study is to improve the understanding of the role of changes in ocean circulation in these key areas and their relationships to glaciations controlling and responding to climate. To investigate the past water mass mixing and erosional input between the climatically important areas of Nordic Seas and North Atlantic Ocean, the radiogenic isotope signatures of neodymium (Nd), lead (Pb) and strontium (Sr) of seawater-derived ferromanganese coatings on sediment particles, as well as of detrital material have been analyzed. Sediments obtained from six ODP (Ocean Drilling Program) Sites covering intermediate to deep waters in the Nordic Seas and North Atlantic Ocean are the basis of this study. Two Sites are located in the North Atlantic Ocean on Bjørn Drift (Site 984) in 1648 m water depth and on Rockall Plateau (Site 982) in 1135 m water depth. The sites in the Nordic Seas are located in the region influenced by Arctic Intermediate Water on Iceland Plateau (Site 907, 1800 m water depth) and of the inflowing Atlantic waters on Vøring Plateau (Site 644, 1220 m water depth), on the Svalbard margin (Site 986, 2051 m deep) and on Yermak Plateau in the Fram Strait (Site 911, 906 m water depth). The extraction of seawater Nd and Pb isotope compositions from authigenic ferromanganese coatings, as well as Nd isotope composition from the calcitic foraminiferal shells from locations in the western part of the study area (Sites 907 and 984) gave no reliable results as compared to the present seawater signatures in this area, mainly as a consequence of partial dissolution of basaltic ash particles during the extraction procedures. In contrast, for the sites (982, 644, 986, 911) in the eastern part of the Nordic Seas and in the North Atlantic Ocean reliable past bottom water signatures were extracted using different leaching methods and allow paleoreconstructions for the past 3 - 5 Ma. The Nd and Pb isotope records of ferromanganese coatings of Site 911 on the Yermak Plateau were extracted with a leach method based on studies without a preceding decarbonation step. These records show only small variations prior to 2.7 Ma pointing to a continuous Atlantic inflow under generally warmer climatic conditions. In contrast, since the intensification of the Northern Hemisphere Glaciation the Nd isotope composition has shown a high variability as a consequence of the waxing and waning of ice sheets on Svalbard, the Barents Sea and Eurasia. The Pb record at the same time reveals a trend to more radiogenic values as a result of increasing glacial weathering inputs from old continental landmasses after 2 Ma. A similar evolution is evident from the Nd and Pb isotope records of Sites 986, 644 and 982, which were extracted from seawater derived ferromanganese coatings applying the leaching method with a preceding decarbonation step. Comparison of the Nd isotope records of these three ODP sites shows periods of a warmer climate, moderate glacial conditions and an enhanced Atlantic inflow into the Nordic Seas prior to the onset of the NHG at 2.7 Ma and between 2.2 Ma and 1.5 Ma. In contrast, at the beginning of the MPT between 1.5 and 1.2 Ma the Atlantic inflow was significantly reduced, expressed as marked differences between the Nd isotope records in the Nordic Seas and North Atlantic Ocean. Sediment provenance obtained from Nd and Pb isotope compositions of the detrital material shows a dominant influence of Svalbard, Barents Sea and Eurasian shelf at the sites on the Svalbard margin and Yermak Plateau. The Vøring Plateau has been dominated by sediment input from Scandinavia to which material from the Barents Sea via icebergs and sea ice was added during glaciations. In contrast, the Rockall Plateau shows the lowest erosional influence due to its location distant from land. However, the Pb isotope evolution obtained from ferromanganese coating of sediment of Site 982 nevertheless points to a slightly increased erosional input from Greenland and Iceland after 1.2 Ma. The results of this study provide a deeper insight into the overall climate control mechanisms of the past 5 Myr and will contribute to improve the understanding of future climatic change.

Das globale plio-pleistozäne Klima ist in hohem Maße durch die atlantische thermohaline Zirkulation beeinflusst worden, die wahrscheinlich hauptsächlich durch die Bildung von Nordatlantischem Tiefenwasser angetrieben wurde, das heute den gesamten Atlantischen Ozean belüftet. Hauptgebiete für die Entstehung des Nordatlantischen Tiefenwassers sind die Labrador See, die Grönländisch-Norwegische See und der Nordatlantische Ozean. Das Zirkulationsmuster in diesen Gebieten unterlag während des Plio-Pleistozäns signifikanten Änderungen, besonders während der Intensivierung der Nordhemisphärenvereisung vor 2.7 Millionen Jahren und des Mittelpleistozänen Klimawandels vor 1.5 bis 0.6 Millionen Jahren. Das Hauptziel dieser Studie ist die Verbesserung des Verständnisses der Zusammenhänge zwischen Änderungen der Zirkulation und der kontinentalen Vereisung und des Klimas. Um die Wassermassenverteilung und den Verwitterungseintrag zwischen den klimarelevanten Gebieten der Grönländisch-Norwegischen See und dem Atlantischen Ozean zu untersuchen, wurden die radiogenen Isotopenverhältnisse von Neodym (Nd), Blei (Pb) und Strontium (Sr) aus dem authigenen Mangan-Eisenoxidcoating der Partikel und die Isotopensignaturen der Sedimentpartikel selbst analysiert. Sechs Sedimentkerne des Ocean Drilling Programms (ODP) aus intermediären und tiefen Wasserschichten in der Grönländisch-Norwegischen See und dem Atlantischen Ozean waren die Basis dieser Studie. Zwei Kerne wurden im Atlantischen Ozean auf dem Bjørn Drift (Site 984) in 1648 m Wassertiefe und auf dem Rockall Plateau (Site 982) in 1135 m Wassertiefe gewonnen. Die Kerne in der Grönländisch-Norwegischen See befinden sich im Einflussbereich des Arktischen Zwischenwassers auf dem Island Plateau (Site 907, 1800 m tief) und des einströmenden Atlantikwassers auf dem Vøring Plateau (Site 644, 1220 m tief), auf dem Svalbard-Schelf (Site 986, 2051 m tief) und auf dem Yermak Plateau in der Framstraße (Site 911, 906 m tief). Die Nd- und Pb- Isotopenverhältnisse aus dem authigenen Mangan-Eisenoxidcoating, sowie die Nd-Isotopenverhältnisse aus Foraminiferenkalzit an den Kernlokationen im westlichen Teil des Gebiets (Site 907 und 984) wurden verglichen mit den heutigen Wassermassenzusammensetzungen in diesem Gebiet und ergaben keine verlässlichen Daten, hauptsächlich durch die teilweise Lösung von basaltischen Aschepartikeln. Für die Kerne (982, 644, 986 und 911) im östlichen Teil der Grönländisch-Norwegischen See und dem Nordatlantischen Ozean war es möglich, verlässliche Tiefenwassersignaturen unter Verwendung verschiedener Laugungsmethoden zu gewinnen, die die Erstellung weitergehender Paläorekonstruktionen über die vergangenen 3 bis 5 Millionen Jahre erlaubte. Die Nd- und Pb-Isotopenzeitserien der Mangan-Eisenoxidcoatings von Site 911 auf dem Yermak Plateau wurden durch Anwendung der Laugungsmethode ohne einen vorherigen Entkarbonatisierungsschritt gewonnen. Diese Daten zeigen nur geringe Schwankungen im Zeitraum vor 2.7 Millionen Jahren, was auf einen kontinuierlichen Zufluss von Atlantikwasser unter generell wärmeren Klimabedingungen hindeutet. Seit dem Beginn der Nordhemisphären-Vereisung zeigten die Neodym-Isotopendaten eine höhere Variabilität als Folge der wachsenden und schrumpfenden Eisschilde auf Svalbard, der Barents See und dem Eurasischen Schelf. Die Blei-Isotopenzeitserien zeigen einen Trend zu radiogeneren Werten als Konsequenz des zunehmenden glazialen Verwitterungseintrags von den alten kontinentalen Landmassen im Zeitraum nach 2 Millionen Jahren. Eine ähnliche Entwicklung konnte in den Nd- und Pb-Isotopenzeitserien von Site 986, 644 und 982, die nach der Laugungsmethode mit vorherigen Entkarbonatisierungsschritt extrahiert wurden, beobachtet werden. Der Vergleich der Nd- Isotopendaten dieser drei ODP Kerne zeigt Perioden von wärmerem Klima, moderaten Vereisungsbedingungen und einem verstärktem Atlantikwassereinflusses in die Grönländisch-Norwegische See vor dem Einsetzen der Nordhemisphären-Vereisung (2.7 Millionen Jahre vor heute) sowie zwischen 2.2 und 1.5 Ma. Zu Beginn des mittelpleistozänen Klimawandels zwischen 1.5 und 1.2 Millionen Jahren hingegen war der Atlantikwassereinfluss vermindert, was sich in einer signifikant unterschiedlichen Nd-Isotopie in der Grönländisch-Norwegischen See und dem Nordatlantischen Ozean ausdrückte. Die Rekonstruktion der Quellen der detritischen Sedimente selbst, die auf der Basis der Nd- und Pb- Isotopenverhältnisse des detritischen Materials erstellt wurde, zeigt einen dominanten Einfluss von Svalbard, der Barents See und des Eurasischen Schelfs auf die Kerne am Svalbard-Schelf und auf dem Yermak Plateau. Das Vøring Plateau war bestimmt durch den Sedimenteintrag von Skandinavien und teilweise von der Barents See durch den Transport durch Eisberge und Meereis während der zunehmenden Vereisung. Das Rockall Plateau hingegen zeigt einen geringeren Verwitterungseintrag aufgrund der größeren Entfernung zum Land. Dennoch deuten die Blei-Isotopenverhältnisse auf einen leichten Anstieg des Erosionseintrags von Grönland und Island in den letzten 1.2 Millionen Jahren hin. Die Ergebnisse dieser Studie öffnen einen tieferen Einblick in die übergeordneten Klimakontrollmechanismen der letzten 5 Millionen Jahre und werden das Verständnis der zukünftigen Klimaentwicklungen verbessern.

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Teschner, Claudia: Reconstructing the Plio – Pleistocene evolution of the water mass exchange and climate variability in the Nordic Seas and North Atlantic Ocean. 2014.

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