Isotopic records of terrestrial ice age environments in mammoth bioapatite

Palaeoenvironments of the latter half of the Weichselian ice age and the transition to the Holocene, from ca. 52 to 4 ka, were investigated using isotopic analysis of oxygen, carbon and strontium in mammal skeletal apatite. The study material consisted predominantly of subfossil bones and teeth of the woolly mammoth (Mammuthus primigenius Blumenbach), collected from Europe and Wrangel Island, northeastern Siberia. All samples have been radiocarbon dated, and their ages range from >52 ka to 4 ka. Altogether, 100 specimens were sampled for the isotopic work. In Europe, the studies focused on the glacial palaeoclimate and habitat palaeoecology. To minimise the influence of possible diagenetic effects, the palaeoclimatological and ecological reconstructions were based on the enamel samples only. The results of the oxygen isotope analysis of mammoth enamel phosphate from Finland and adjacent nortwestern Russia, Estonia, Latvia, Lithuania, Poland, Denmark and Sweden provide the first estimate of oxygen isotope values in glacial precipitation in northern Europe. The glacial precipitation oxygen isotope values range from ca. -9.2±1.5 in western Denmark to -15.3 in Kirillov, northwestern Russia. These values are 0.6-4.1 lower than those in present-day precipitation, with the largest changes recorded in the currently marine influenced southern Sweden and the Baltic region. The new enamel-derived oxygen isotope data from this study, combined with oxygen isotope records from earlier investigations on mammoth tooth enamel and palaeogroundwaters, facilitate a reconstruction of the spatial patterns of the oxygen isotope values of precipitation and palaeotemperatures over much of Europe. The reconstructed geographic pattern of oxygen isotope levels in precipitation during 52-24 ka reflects the progressive isotopic depletion of air masses moving northeast, consistent with a westerly source of moisture for the entire region, and a circulation pattern similar to that of the present-day. The application of regionally varied δ/T-slopes, estimated from palaeogroundwater data and modern spatial correlations, yield reasonable estimates of glacial surface temperatures in Europe and imply 2-9°C lower long-term mean annual surface temperatures during the glacial period. The isotopic composition of carbon in the enamel samples indicates a pure C3 diet for the European mammoths, in agreement with previous investigations of mammoth ecology. A faint geographical gradient in the carbon isotope values of enamel is discernible, with more negative values in the northeast. The spatial trend is consistent with the climatic implications of the enamel oxygen isotope data, but may also suggest regional differences in habitat openness. The palaeogeographical changes caused by the eustatic rise of global sea level at the end of the Weichselian ice age was investigated on Wrangel Island, using the strontium isotope (Sr-87/Sr-86) ratios in the skeletal apatite of the local mammoth fauna. The diagenetic evaluations suggest good preservation of the original Sr isotope ratios, even in the bone specimens included in the study material. To estimate present-day environmental Sr isotope values on Wrangel Island, bioapatite samples from modern reindeer and muskoxen, as well as surface waters from rivers and ice wedges were analysed. A significant shift towards more radiogenic bioapatite Sr isotope ratios, from 0.71218 ± 0.00103 to 0.71491 ± 0.00138, marks the beginning of the Holocene. This implies a change in the migration patterns of the mammals, ultimately reflecting the inundation of the mainland connection and isolation of the population. The bioapatite Sr isotope data supports published coastline reconstructions placing the time of separation from the mainland to ca. 10-10.5 ka ago. The shift towards more radiogenic Sr isotope values in mid-Holocene subfossil remains after 8 ka ago reflects the rapid rise of the sea level from 10 to 8 ka, resulting in a considerable reduction of the accessible range area on the early Wrangel Island.

Tämä tutkimus käsittelee ympäristöoloja Veiksel-jääkauden jälkipuoliskolla ja nykyisen lämpökauden, Holoseenin, alussa 52 000-4 000 vuotta sitten käyttäen hyväksi luustoapatiitin, enimmäkseen villakarvamammutin (Mammuthus primigenius Blumenbach) poskihampaiden hammaskiilteen, isotooppikoostumuksia. Yhteensä 100 luustoapatiittinäytettä analysoitiin hapen, hiilen ja strontiumin isotooppikoostumusten suhteen. Tutkimukset kohdentuivat Eurooppaan ja Itä-Siperian edustalla Jäämeressä sijaitsevaan Wrangelin saareen. Euroopassa tutkimukset keskittyivät muinaiseen ilmastoon ja mammuttien elinympäristöön, joita selvitettiin happi- ja hiili-isotooppien avulla. Suomesta, Luoteis-Venäjältä, Virosta, Latviasta, Liettuasta, Puolasta, Ruotsista ja Tanskasta löytyneiden poskihammasnäytteiden kiilteen happi-isotooppikoostumuksen perusteella pystyttiin määrittämään jääkautisen sadannan happi-isotooppiarvo Pohjois-Euroopassa noin 52 000-24 000 vuotta sitten, ja edelleen arvioimaan alueen keskimääräisiä vuotuisia lämpötiloja. Saadut tulokset tarjoavat ensimmäiset arviot jääkausiaikaisen ilmaston lämpötiloista alueella ja viittaavat selviin alueellisiin eroihin muutoksen voimakkuudessa jääkausiaikaisen ja nykyisen ilmaston välillä. Alueesta riippuen happi-isotooppiarvojen perusteella arvioidut vuosittaiset keskilämpötilat jääkausiajalla olivat 2-9°C nykyisiä lämpötiloja alempia. Työssä tuotetun uuden happi-isotooppiaineiston yhdistäminen aikaisempiin tutkimustuloksiin mahdollisti ensimmäistä kertaa jääkausiajan sadannan happi-isotooppiarvojen maantieteellisen jakauman rekonstruoimisen koko läntisen Euroopan alueella. Jääkautisen sadannan happi-isotooppiarvot ovat korkeimmat lounaassa, ja muuttuvat jatkuvasti matalammiksi koillista kohden kuvastaen läntistä kosteuslähdettä ja ilmamassojen kulkua lounaasta koilliseen. Näin ollen tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että Euroopan sadannan kosteuslähteet ja ilmakehän suurimittakaavainen liike ovat pysyneet samankaltaisina viimeisen ~50 000 vuoden ajan. Rekonstruoitua jääkausiaikaisen sadannan happi-isotooppikarttaa voidaan käyttää hyödyksi tarkistettaessa globaalisten ja alueellisten ilmastomallien toimivuutta. Eurooppalaisten hammaskiillenäytteiden hiili-isotooppikoostumus viittaa puhtaasti C3-kasvillisuudesta koostuneeseen ravintoon. Arvoissa nähtävä heikko maantieteellinen gradientti on yhtäpitävä happi-isotooppiarvoissa ilmentyvän ilmastogradientin kanssa, mutta saattaa myös viitata maantieteellisiin eroihin mammuttien elinympäristön avoimuudessa. Hiili-isotooppiarvot mahdollistavat tulkinnan, jonka mukaan elinympäristöt idässä ja koillisessa olisivat olleet suljetumpia verrattuna läntisempiin elinympäristöihin. Veiksel-jääkauden lopulla jäätikköjen sulamisesta aiheutuneen merenpinnan nousun vaikutuksia tutkittiin Wrangelin saarelta löytyneiden jääkausifaunan luustojäänteiden strontiumisotooppikoostumuksen (Sr-87/Sr-87) avulla. Holoseeni-epookin alussa, noin 10 000 vuotta sitten, eläinten luuston strontiumisotooppisuhteessa tapahtui selvä muutos. Ajanjaksoon >50 000-11 000 vuotta sitten ajoitettujen näytteiden Sr-isotooppisuhde eroaa selvästi Holoseeniin ajoitettuihin (9900-4000 vuotta sitten) näytteisiin verrattuna. Muutos korkeampiin Sr-isotooppiarvoihin heijastaa muutosta eläinten käyttämissä laidunnusalueissa ja lopulta merenpinnan noususta aiheutunutta Wrangelin saaren irtikuroutumista mantereesta. Luustoapatiitin strontiumisotooppiarvot viittaavat siihen, että maayhteys on katkennut 10 000-10 500 vuotta sitten, ja näin ollen tarkentavat aikaisempia, merenpintakäyriin ja syvyyskarttoihin perustuneita arvioita saaren eristymisestä.