Quantitative Estimation of Aerobic Diagenetic Overprint of Palaeoproductivity Signals
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Quantitative estimation of aerobic diagenetic overprint of palaeoproductivity signals Dissertation zur Erlagung des Doktorgrades der Naturwissenschaften -Dr. rer. nat.- im Fachbereich Geowissenschaften der Universität Bremen vorgelegt von Monika Kodrans-Nsiah Bremen April 2008 Tag des Kolloquiums: 13. Juni 2008 Gutachter: Dr. Karin Zonneveld Dr. Sabine Kasten 2 Table of contents Zusammenfassung 5 Abstract 8 1 Introduction 10 1.1 Objectives 10 1.2 Organic Carbon and preservation 14 1.2.1 Organic carbon cycle 14 1.2.2 Preservation of organic matter 16 1.3 Dinoflagellates 20 1.3.1 Biology of dinoflagellates 20 1.3.2 Dinocyst application 22 1.3.3 Dinocyst degradation 23 1.4 Sediment geochemistry 25 1.5 References 28 2 Preservation and organic chemistry of late Cenozoic organic- walled dinoflagellate cysts; a review 36 2.1 Introduction 37 2.2 Aerobic organic matter degradation 38 2.3 Selective degradation of cysts during sample preparation 41 2.4 Selective preservation of cysts in natural environments 44 2.4.1 Sediment traps 48 2.4.2 Surface sediments 50 2.4.3 Preservation experiments in natural environments 52 2.4.4 Late Quaternary time series 54 2.5 Organic geochemistry of dinoflagellate cysts 55 2.5.1 Acid resistant cell walls from extant micro-algae 55 2.5.2 Algaenans of extant micro-algae 56 2.5.3 Wall polymers of extant dinoflagellates 57 2.5.4 Fossil dinoflagellates 59 2.5.5 Some final remarks on cyst wall chemistry 60 2.6 Application 62 2.6.1 Correcting for species selective diagenesis to a better constrained reconstruction of upper water conditions 62 2.6.2 The use of species selective degradation to recognise differential preservation-states in the past 65 2.6.3 Dinoflagellate cysts as bottom water oxygen concentration indicators 66 2.7 References 67 3 A natural exposure experiment on short-term species-selective aerobic degradation of dinoflagellate 75 3.1 Introduction 76 3.2 Materials and methods 77 3.3 Results 80 3 3.3.1 Namibian sub-samples oxic exposure 80 3.3.2 Sapropel S1 sub-samples oxic exposure 82 3.4 Discussion 83 3.5 Conclusions 88 3.6 References 89 4 Organic-walled dinoflagellate decomposition in the Southern Ocean sediments: implications for aerobic organic carbon degradation 93 4.1 Introduction 94 4.2 Regional setting 95 4.3 Materials and methods 97 4.4 Results 99 4.4.1 Core 703 99 4.4.2 Core 705 101 4.5 Discussion 103 4.6 Conclusions 108 4.7 References 109 5 Are the Kimmeridge Clay deposits affected by “burn-down” events? A palynological and geochemical approach 113 5.1 Introduction 114 5.2 Materials and methods 117 5.2.1 Materials 117 5.2.2 Palynological methods 119 5.2.3 Geochemical methods 119 5.2.4 Statistical methods 120 5.3 Results 120 5.3.1 Geochemistry 120 5.3.1.1 Total organic carbon and inorganic carbon 120 5.3.1.2 Detrital elements: Al, B, Cr, K, Mg, Ti and Zr 121 5.3.1.3 Primary productivity- and/or nutrient-related elements: Ba, Cu, P 122 5.3.1.4 Potentially redox-sensitive/sulphide-forming elements: Fe, Mn, S 123 5.3.1.5 Elemental enrichment factors 124 5.3.2 Palynofacies 125 5.3.2.1 Terrestrial particles 126 5.3.2.2 Marine palynomorphs 127 5.3.3 PCA 129 5.4 Discussion 130 5.5 Conclusions 137 5.6 References 138 6 Conclusions 145 Appendicces 149 Acknowledgements 159 4 Zusammenfassung Artenspezifische aerobe Dekomposition beeinflusst die Aufzeichnungen fossiler organischer Dinoflagellatenzysten (Dinozysten) und somit die auf Dinozysten basierenden Interpretationen über Primärproduktion und ozeanographische Konditionen. Seit der Erkenntnis, dass Dinozysten sowohl empfindlich als auch resistent gegenüber Sauerstoffabbau sein können (insbesondere S- und R- Zysten) zeichnete sich ab, dass R-Zysten weiterhin als zuverlässiger Proxy für Primärproduktion und ozeanographische Konditionen genutzt werden können, während S-Zysten die Möglichkeit bilden die Zersetzung von aeroben organischem Material (OM) und die Sauerstoffkonzentration von früherem Bodenwasser zu quantifizieren. Der Abbau von OM spielt eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf und dadurch ebenfalls in Bezug auf Klima Veränderungen, und Dinozysten scheinen ein wertvolles Instrument zur Untersuchung diagenetischer Prozesse darzustellen. Dennoch sind viele Fragen betreffend artenspezifische aerobe Degradationen von Dinozysten noch offen. Um Informationen über die Abbaurate von S-Zysten, die Relation zwischen dem Abbau von S-Zysten und der Sauerstoffkonzentration, sowie über die aerobe Degradation von ausgestorbenen Dinozysten zu erhalten, wurden Studien an quartärem und vor-quartärem Material aus Sedimentkernen sowie entwickelte Belastungs-Experimente (exposure experiments) in der Natur durchgeführt. Belastungs Experimente im natürlichen Milieu des östlichen Mittelmeeres brachten Informationen über die Abbaurate von S-Zysten. Innerhalb fünfzehn Monatiger Beanspruchung durch sauerstoffhaltiges Wasser nahm die Konzentration der S-Zysten Brigantedinium spp. und Echinidinium granulatum um 24 - 57% ab. Andere Arten, wie Nematosphareopsis labyrinthus, Echinidinium aculeatum, Operculodinium israelianum und Impagidinium aculeatum erfuhren hingegen einen leichten Anstieg ihrer Konzentration, was auf eine Resistenz in Bezug auf aerobe Degradation hinweist. Unsere Ergebnisse zeigen, dass schon kurzzeitige Sauerstoffeinwirkung eine deutliche Veränderung der Dinozysten Vergesellschaftung verursachen kann und damit zu einer Verfälschung des Primärsignals und einer Missinterpretation der 5 Umweltbedingungen führt. Keine Degradation wurde an S-Zysten gefunden, die anoxischen Wassermassen ausgesetzt waren. Die Analyse von zwei kurzen Kernen aus dem atlantischen Sektor des Südlichen Ozeans ergab die Kalkulation der Degradationskonstanten (k) der S- Zysten (Brigantedinium spp. und Selenophemphix antarctica). Die kalkulierte Konstante k nimmt exponential mit dem Steigen der Einwirkungszeit des Sauerstoffes (oxygen exposure time „OET“) ab. Dieses unterstützt frühere Ergebnisse, wonach die OM Degradation in Abhängigkeit zu Schwankungen im Gehalt an organischem Material steht. „k“ korreliert ebenfalls positiv mit der Sauerstoffkonzentration des Porenwassers, wobei miteinbezogen wird, dass die Degradation nicht nur von der OET und OM Konzentration, sondern auch von den Sauerstofflevels in Boden- und Porenwassern abhängig ist. Sauerstoff scheint bei niedrigen Konzentrationen der limitierende Faktor zu sein, während bei höherer Sauerstoffkonzentration die Verfügbarkeit von unbeständigem OM wichtiger zu sein scheint. Die Studie der Jura Kimmeridge Clay Formation lieferte Informationen über mögliche selektive Degradation von ausgestorbenen Dinozysten. Viele Arten (z.B. Circulodinium spp., Cyclonephelium spp., Sirmiodinium grossi, Senoniasphaera jurassica und Systematophora spp.) nehmen in ihrer Häufigkeit während rekonstruierter, postabgelagertert stattgefundener Oxidation des Sedimentes wesentlich schneller ab als andere Arten (zB. Glossodinium dimorphum und Cribroperidinium sp.1). Die Rekonstruktion von Ablagerungs-/ Redoxbedingungen basierte auf miteinander gekoppelten unabhängigen Methoden: Palynofazies Analysen und organische und inorganische chemische Proxies (gesamt-organischer Kohlenstoff „TOC“ und entsprechend Fe, Mn, S, Cu, P, Al). Nach unserem Wissen ist es der erste Versuch jurassische aerobe Degradation an Dinozysten in situ zu untersuchen und weitere Studien sind nötig um die Rangliste der ausgestorbenen Dinozysten auf Oxidationssensitivität zu etablieren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sowohl bestehende, als auch ausgestorbene Dinozysten durch artenspezifische aerobe Degradation beeinflusst werden können. Dieses erschwert die Interpretation von fossilen Aufzeichnungen. 6 Artenspezifische Degradation ist ein schneller Prozess und kann aus diesem Grund in keiner Zeitskala vernachlässigt werden. Die Abhängigkeit der S- Zysten Degradation von der Sauerstoffkonzentration des Porenwassers könnte eine Auswirkung auf die Diskussion des aeroben OM Abbaus haben, mit dem Hinblick dass der Zerfall von OM nicht nur von OET und der Verfügbarkeit von unbeständigem OM, sondern auch von der Sauerstoffkonzentration des Boden- und Porenwassers abhängig ist. 7 Abstract Species-selective aerobic decomposition affects fossil organic-walled dinoflagellate cyst (dinocyst) records and hence dinocyst-based interpretations of primary productivity and oceanographic conditions. However, since the recognition of dinocyst species sensitive and resistant to oxic degradation (S- and R-cysts, respectively) it has become apparent that R-cysts may still serve as reliable productivity and oceanographic conditions proxies. On the other hand S-cysts provide a way to quantify aerobic degradation of organic matter (OM) and past bottom-water O2 concentrations. OM degradation plays a key role in global carbon cycling and is important for global climate change. Therefore dinocysts are a valuable tool for estimating the rate of diagenetic process. Questions concerning species-selective aerobic degradation still remain and will be adressed here. To obtain information on the rate of S-cyst decomposition, the relationship between S-cyst degradation and O2 concentrations, and the aerobic degradation of extinct dinocyst species, a natural exposure experiment has been conducted and studies of both Quaternary and pre-Quaternary material from sediment cores were executed. The exposure experiment was conducted in the natural setting of the Eastern Mediterranean. During a 15 month exposure period to oxic water masses, concentrations of S-cysts (Brigantedinium spp. and Echinidinium granulatum)