Deglacial to Holocene Changes in Eastern Equatorial Pacific Upper‐Ocean Dynamics – Indications from Foraminiferal (Isotope) Geochemistry

Böschen, Tebke

Oxygen Minimum Zones (OMZs) in the ocean represent key regions for the interaction between atmosphere and ocean waters and can be a sink or source for atmospheric CO2. Hence, they play a major role with respect to anthropogenic induced global warming. Biological productivity is very high in these areas and resulting degradation processes consume substantial amounts of dissolved oxygen from the water column, leaving certain water depths almost oxygen‐free. One of the largest and most distinctive OMZs worldwide stretches along the west coast of South America offshore Ecuador, Peru and Chile. This OMZ is associated with intense coastal upwelling, which is most pronounced between ~5°S and ~25°S. The intensity of the upwelling varies seasonally, being propelled mainly by external forcing mechanisms like the position of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ), the strength of trade winds and modulations of the El Niño Southern Oscillation (ENSO). This hydrographically complex ocean area affords different approaches to study its characteristics. Sediment surface samples and corresponding seawater samples from the Eastern Equatorial Pacific (EEP), ranging from a water depth of 60 to 2,000 m and covering a large latitudinal range from the equator to 17°S, were investigated. Apparent calcification depths (ACDs) were calculated by combined analyses of stable oxygen isotopes (d18O) in planktonic foraminifers from these samples and from water samples (Chapter 4). Investigations of ACDs for species G. ruber (white, morphotype sensu stricto) and N. dutertrei (dextral) show clear differences between both species within the EEP. Surface dweller G. ruber constantly inhabits the upper 16 meters of the water column; contrary N. dutertrei favors different habitat depths in dependence on the surrounding water masses. On average, the ACDs for N. dutertrei indicate a calcification depth of ~200m in the northern part of the study area (the equator to 5°S) and ~70m in the southern region (7° to 13°S). The shallower habitat depth in the south is probably related to the more intense upwelling, which results in the rise of cooler water masses and thus similar temperatures (~15°C) are reached in shallower depths. Additionally, lower oxygen concentrations in the southern part of the study area are likely to force N. dutertrei to shallower habitat depths. The correct estimation of ACDs in the EEP provides a more detailed view on the vertical habitat of N. dutertrei, which is particularly important for the following paleointerpretations in Chapter 5. Two piston cores from the Gulf of Guayaquil at 3.5°S in the EEP were studied, covering time spans of ~13,000 years (core 056; temporal resolution ~60 years) and of ~18,000 years (core 059; temporal resolution ~80 years), respectively (Chapter 5). Surface and subsurface temperatures were reconstructed for the past 18,000 years using alkenone thermometry as well as foraminiferal Mg/Ca‐based approaches for surface (Globigerinoides ruber, white) and for subsurface depths (~200 m; Neogloboquadrina dutertrei). Salinity approximations (d18Oivf‐sw) for surface and subsurface depths were generated to corroborate the high‐resolution temperature records. In the study area the deglaciation was characterized by much warmer temperatures (~3°C) and higher salinities than nowadays, in surface as well as in subsurface depths. Surface dweller G. ruber and alkenone records show almost identical temperatures prior to ~10 ka BP, indicating that both proxy carriers recorded a similar habitat and seasonality during this time. After ~10 ka BP both proxies divert markedly, which was possibly caused by a shift of alkenone‐synthesizing coccolithophores from annual mean temperatures during the deglaciation to austral summer temperatures during the Holocene. The cooling in G. ruber records by ~2°C in both cores during the Holocene implies a strengthened influence of cooler water masses. The surface records lag the subsurface records of N. dutertrei by ~1‐2 kyrs, implying that different mechanisms control the surface and subsurface hydrography. The temperature decrease and freshening trends during the Holocene coincide with an enhanced marine productivity, indicating that cooler (EUC‐sourced) water masses and strengthened upwelling intensity transported more nutrients into the EEP. A newly developed species‐specific transfer function for benthic Mg/Ca ratios based on Uvigerina peregrina data from the EEP is presented in Chapter 6 and completes the foraminiferal investigations. The sediment surface data set of endobenthic species U. peregrina shows a clear correlation between water depth and d18O as well as Mg/Ca ratios, thus supporting the use of this species as a reliable temperature proxy. The reconstruction of bottom water temperatures is important to understand the complex, local hydrography. The effect of bottom water delta [CO32‐] on Mg/Ca ratios in U. peregrina is apparently small and does not influence the temperature signal. A compilation of data from the EEP and literature data results in a transfer function covering a temperature range between 5 and 20°C; the resulting function (R²= 0.77) estimates temperatures with a precision of ±1.6°C. This new transfer function provides a more precise estimation of Mg/Ca‐derived temperatures in the EEP for endobenthic species U. peregrina than previous approaches.

Sauerstoff-Minimum-Zonen (SMZ) im Ozean sind Schlüssel-Regionen für die Interaktion zwischen Atmosphäre und Ozean und können ein Speicher oder eine Quelle für atmosphärisches CO2 sein, daher sind sie im Zusammenhang mit der anthropogen verursachten globalen Erwärmung wichtig. Die biologische Produktivität ist in diesen Regionen sehr hoch und die daraus resultierenden Abbauprozesse verbrauchen große Mengen von gelöstem Sauerstoff aus der Wassersäule. Zusätzlich reduziert eine träge Zirkulation den Sauerstoffgehalt weiter und sorgt in bestimmten Wassertiefen für beinahe sauerstofffreie Zonen. Eine der weltweit größten und markantesten SMZ erstreckt sich entlang der Westküste von Südamerika vor den Küsten von Ecuador, Peru und Chile. Diese SMZ ist durch intensiven, küstennahen Auftrieb gekennzeichnet, der zwischen ~5°S und ~25°S am stärksten ausgeprägt ist. Die Intensität des Auftriebs variiert saisonal und wird vor allem durch externe Faktoren wie die Position der Intertropischen Konvergenz Zone (ITCZ), die Stärke der Passatwinde sowie durch Veränderungen der El Niño Southern Oscillation (ENSO) bestimmt. Dieses hydrographisch komplexe Meeresgebiet erfordert verschiedene methodische An-sätze, um seine Charakteristiken zu verstehen. Sediment-Oberflächenproben und dazu-gehörige Wasserproben aus dem Äquatorialen Ost-Pazifik (EEP) aus Wassertiefen zwi-schen 60 und 2.000 m und Breitengraden vom Äquator bis 17°S wurden untersucht. Durchschnittliche Kalzifizierungs-Tiefen (ACDs) wurden aus der kombinierten Analyse von stabilen Sauerstoffisotopen (d18O) in planktischen Foraminiferen aus Sediment-Oberflächenproben und aus Wasserproben bestimmt (Kapitel 4). Berechnungen der ACDs für die Arten G. ruber (weiß, Morphotyp sensu stricto) und N. dutertrei (dextral) zeigen deutliche Unterschiede zwischen beiden Arten im EEP. Während die oberflächennahe Art G. ruber die obersten 16 m der Wassersäule bewohnt, bevorzugt N. dutertrei, in Abhän-gigkeit von den umgebenden Wassermassen, andere Tiefen. Die ACDs für N. dutertrei deuten auf eine Tiefe von ~200 m im nördlichen Arbeitsgebiet hin (Äquator bis ~5°S). Im Gegensatz dazu zeigen die Proben aus dem südlichen Arbeitsgebiet (7° bis 13°S) flachere ACDs von ~70 m. Das flachere Habitat im Süden steht wahrscheinlich in Zusammenhang mit dem küstennahen Auftrieb, welcher das Aufsteigen von kalten Wassermassen bedingt und folglich werden ähnliche Temperaturen (~15°C) im Süden in geringeren Tiefen erreicht als im Norden. Zusätzlich zwingen niedrigere Sauerstoff-Konzentrationen im südlichen Arbeitsgebiet N. dutertrei wahrscheinlich in geringere Wassertiefen. Die präzise Abschätzung von ACDs im EEP liefert einen detaillierteren Blick auf das vertikale Habitat von N. dutertrei als bisher und erlaubt daher eine genauere Interpretation von Veränderun-gen der Wassertemperaturen und Salzgehalte in den Paläo-Rekonstruktionen in Kapitel 5. Außerdem wurden bei 3.5°S zwei Kolbenlot-Kerne aus dem Golf von Guayaquil entnommen (Kapitel 5); die untersuchten Kerne umfassen die letzten ~13.000 Jahre (Kern 056; zeitliche Auflösung ~60 Jahre) beziehungsweise ~18.000 Jahre (Kern 059; zeitliche Auflösung ~80 Jahre). Oberflächen- und Zwischenwasser-Temperaturen für die vergangenen 18.000 Jahre wurden mit Hilfe von Alkenonen sowie Mg/Ca-Verhältnissen in Foraminiferen für Oberflächen-Tiefen (Globigerinoides ruber, weiß) und Zwischenwasser-Tiefen (~200 m; Neogloboquadrina dutertrei) rekonstruiert. Zusätzlich wurden Abschätzungen der Salinität (d18Oivf-sw) für Oberflächen- und Zwischenwassertiefen gemacht um die hochauflösenden Temperatur-Rekonstruktionen zu unterstützen. Die Deglaziation war im oberflächennahen und Zwischenwasser-Bereich durch deutlich wärmere Temperaturen (~3°C) und salzhaltigere Bedingungen gekennzeichnet als heutzutage. Die Oberflächen-Art G. ruber und die Alkenone zeigen bis vor ~10.000 Jahren fast identische Temperaturen, was andeutet dass beide Proxies während dieser Zeit ein ähnliches Habitat und eine ähnliche Saison aufgezeichnet haben. Seit ~10.000 Jahren vor heute divergieren beide Proxies deutlich, was möglicherweise durch eine Veränderung der durch Coccolithophoriden produzierten Alkenone von Jahresmitteltemperaturen während der Deglaziation zu Südhemisphären-Sommertemperaturen während des Holozäns liegt. Die Abkühlung in den G. ru-ber Datensätzen beider Kernen von ~2°C während des Holozäns deutet auf einen verstärkten Einfluss kühlerer Wassermassen hin. Die Verzögerung der Oberflächen-Datensätze von etwa 1.000-2.000 Jahren im Vergleich zu den Zwischenwasser-Datensätzen von N. dutertrei deutet darauf hin, dass unterschiedliche Mechanismen die Oberflächenwasser und Zwischenwasser-Hydrographie kontrollieren. Die Abkühlungen sowie die geringeren Salinitäten im Verlauf des Holozäns fallen mit einer erhöhten marinen Produktivität zusammen was darauf hindeutet, dass kühlere Wassermassen innerhalb des Äquatorialen Unterstroms (EUC) verstärkt in den EEP transportiert wurden und mehr Nährstoffe verfügbar waren. Eine neu entwickelte Art-spezifische Transferfunktion für benthische Mg/Ca Verhältnisse basierend auf Uvigerina peregrina Daten aus dem EEP wird in Kapitel 6 vorgestellt und vervollständigt die Untersuchungen an Foraminiferen. Der Datensatz aus Sediment-Oberflächenproben der endobenthischen Art U. peregrina zeigt eine starke Korrelation zwischen Wassertiefe und d18O sowie Mg/Ca Verhältnissen und unterstützt daher die Zuverlässigkeit dieser Art für Temperatur-Rekonstruktionen. Die Rekonstruktion von Bodenwasser Temperaturen ist wichtig um die komplexe, lokale Hydrographie zu verstehen. Die Auswirkungen von Bodenwasser delta [CO32-] auf die Mg/Ca Verhältnisse von U. peregrina sind offensichtlich gering und beeinflussen das Temperatursignal nicht. Eine Zusammenstellung von Daten aus dem EEP und der entsprechenden Fachliteratur resultieren in ei-ner Transferfunktion, die den Temperaturbereich zwischen 5 und 20°C abdeckt; die daraus entwickelte Gleichung (R²=0,77) berechnet Temperaturen mit einer Genauigkeit von ±1.6°C. Diese neue Transferfunktion ermöglicht eine präzisere Abschätzung von Mg/Ca-basierten Temperaturen für die endobenthische Art U. peregrina im EEP als bisherige Ansätze.

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Böschen, Tebke: Deglacial to Holocene Changes in Eastern Equatorial Pacific Upper‐Ocean Dynamics – Indications from Foraminiferal (Isotope) Geochemistry. 2013.

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