High-resolution reconstruction of Holocene climate variability and environmental changes in the North Pacific using bivalve shells

Bivalve mollusk shells are useful tools for multi-species and multi-proxy paleoenvironmental reconstructions with a high temporal and spatial resolution. Past environmental conditions can be reconstructed from shell growth and stable oxygen and carbon isotope ratios, which present an archive for temperature, freshwater fluxes and primary productivity. The purpose of this thesis is the reconstruction of Holocene climate and environmental variations in the North Pacific with a high spatial and temporal resolution using marine bivalve shells. This thesis focuses on several different Holocene time periods and multiple regions in the North Pacific, including: Japan, Alaska (AK), British Columbia (BC) and Washington State, which are affected by the monsoon, Pacific Decadal Oscillation (PDO) and El Niño/Southern Oscillation (ENSO). Such high-resolution proxy data from the marine realm of mid- and high-latitudes are still rare. Therefore, this study contributes to the optimization and verification of climate models. However, before using bivalves for environmental reconstructions and seasonality studies, life history traits must be well studied to temporally align and interpret the geochemical record. These calibration studies are essential to ascertain the usefulness of selected bivalve species as paleoclimate proxy archives. This work focuses on two bivalve species, the short-lived Saxidomus gigantea and the long-lived Panopea abrupta. Sclerochronology and oxygen isotope ratios of different shell layers of P. abrupta were studied in order to test the reliability of this species as a climate archive. The annual increments are clearly discernable in umbonal shell portions and the increments widths should be measured in these shell portions. A reliable reconstruction of paleotemperatures may only be achieved by exclusively sampling the outer shell layer of multiple contemporaneous specimens. Life history traits (e.g., timing of growth line formation, duration of the growing season and growth rates) and stable isotope ratios of recent S. gigantea from AK and BC were analyzed in detail. Furthermore, a growth-temperature model based on S. gigantea shells from Alaska was established, which provides a better understanding of the hydrological changes related to the Alaska Coastal Current (ACC). This approach allows the independent measurement of water temperature and salinity from variations in the width of lunar daily growth increments of S. gigantea. Temperature explains 70% of the variability in shell growth. The model was calibrated and tested with modern shells and then applied to archaeological specimens. The time period between 988 and 1447 cal yrs BP was characterized by colder (~1-2°C) and much drier (2-5 PSU) summers, and a likely much slower flowing ACC than at present. In contrast, the summers during the time interval of 599-1014 cal yrs BP were colder (up to 3°C) and fresher (1-2 PSU) than today. The Aleutian Low may have been stronger and the ACC was probably flowing faster during this time.

Holocene tsunami events in the Eastern Ionian Sea - Geoscientific evidence from Cefalonia and the western Peloponnese (Greece)

This study presents geo-scientific evidence for Holocene tsunami impact along the shores of the Eastern Ionian Sea. Cefalonia Island, the Gulf of Kyparissia and the Gialova Lagoon were subject of detailed geo-scientific investigations. It is well known that the coasts of the eastern Mediterranean were hit by the destructive influence of tsunamis in the past. The seismically highly active Hellenic Trench is considered as the most significant tsunami source in the Eastern Ionian Sea. This study focuses on the reconstruction and detection of sedimentary signatures of palaeotsunami events and their influence on the Holocene palaeogeographical evolution. The results of fine grained near coast geo-archives are discussed and interpreted in detail to differentiate between tsunami, storm and sea level highstands as sedimentation processes.rnA multi-method approach was applied using geomorphological, sedimentological, geochemical, geophysical and microfaunal analyses to detect Holocene tsunamigenic impact. Chronological data were based on radiocarbondatings and archaeological age estimations to reconstruct local geo-chronostratigraphies and to correlate them on supra-regional scales.rnDistinct sedimentary signatures of 5 generations of tsunami impact were found along the coasts of Cefalonia in the Livadi coastal plain. The results show that the overall coastal evolution was influenced by tsunamigenic impact that occured around 5700 cal BC (I), 4250 cal BC (II), at the beginning of the 2nd millennium cal BC (III), in the 1st millennium cal BC (IV) and posterior to 780 cal AD (V). Sea level reconstructions and the palaeogeographical evolution show that the local Holocene sea level has never been higher than at present.rnAt the former Mouria Lagoon along the Gulf of Kyparissia almost four allochtonous layers of tsunamigenic origin were identified. The stratigraphical record and palaeogeographical reconstructions show that major environmental coastal changes were linked to these extreme events. At the southern end of the Agoulenitsa Lagoon at modern Kato Samikon high-energy traces were found more than 2 km inland and upt ot 9 m above present sea level. The geo-chronological framework deciphered tsunami landfall for the 5th millennium cal BC (I), mid to late 2nd mill. BC (II), Roman times (1st cent. BC to early 4th cent. AD) (III) and most possible one of the historically well-known 365 AD or 521/551 AD tsunamis (IV).rnCoarse-grained allochthonous sediments of marine origin were found intersecting muddy deposits of the quisecent sediments of the Gialova Lagoon on the southwestern Peloponnese. Radiocarbondatings suggest 6 generations of major tsunami impact. Tsunami generations were dated to around 3300 cal BC (I), around the end of 4th and the beginning of 3rd millennium BC (II), after around 1100 cal BC (III), after the 4th to 2nd cent. BC (IV), between the 8th and early 15th cent. AD (V) and between the mid 14th to beginning of 15th cent. AD (VI). Palaeogeographical and morphological characteristics in the environs of the Gialova Lagoon were controlled by high-energy influence.rnSedimentary findings in all study areas are in good accordance to traces of tsunami events found all over the Ionian Sea. The correlation of geo-chronological data fits very well to coastal Akarnania, the western Peloponnese and finding along the coasts of southern Italy and the Aegean. Supra-regional influence of tsunamigenic impact significant for the investigated sites. The palaeogeographical evolution and palaeo-geomorphological setting of the each study area was strongly affected by tsunamigenic impact.rnThe selected geo-archives represent extraordinary sediment traps for the reconstruction of Holocene coastal evolution. Our result therefore give new insight to the exceptional high tsunami risk in the eastern Mediterranean and emphasize the underestimation of the overall tsunami hazard.

Paleoclimate reconstruction using LA-ICP-MS analyses of ostracods and stalagmite

Als paläoklimatische Archive können unter anderem Stalagmiten und Klappen von Ostrakoden herangezogen werden. Bisher gab es noch keine veröffentlichten Ergebnisse räumlich hochaufgelöster Spurenelementverteilungen in einzelnen Ostrakodenklappen. Das gleiche gilt für die Bestimmung radiogener Blei-Isotope in Stalagmiten. Um klimatische Prozesse vergangener Zeiten zu untersuchen, wurde eine neue LA-ICP-MS (Laserablations – Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) Technik für hochaufgelöste in-situ Messungen von Spurenelementen und Bleiisotopen entwickelt. rnrnZunächst wurden geeignete Materialien für die Kalibrierung der Technik untersucht; als Proben dienten die Silikatreferenzgläser BAM-S005-A und BAM-S005B der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM). Die Homogenität dieser Referenzgläser wurde mit LA-ICP-MS und den anderen mikroanalytischen Methoden EPMA (Elektronenmikrosonde) und SIMS (Ionensonde) überprüft. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Haupt- und die meisten Spurenelemente in beiden Gläsern selbst im Mikrometerbereich homogen verteilt sind. Ausnahmen sind einige Spurenelemente, wie Cs, Cl, Cr, Mo und Ni, die heterogen in den Gläsern verteilt sind. Die Hauptelementzusammensetzung von BAM-S005-A und BAM-S005-B wurde mit Hilfe der EPMA bestimmt, wobei die Ergebnisse die Referenzwerte des BAM-Zertifikats bestätigten. Mit Ausnahme von Sr, Ba, Ce und Pb, stimmten die LA-ICP-MS-Spurenelementwerte mit den zertifizierten Werten innerhalb der angegebenen Fehlergrenzen überein. Gründe für die Diskrepanz der vier oben erwähnten Elemente sind noch unklar, aber sind möglicherweise durch fehlerhafte Referenzwerte zu erklären. Zusätzlich wurden 22 Spurenelemente gemessen, deren Gehalte von BAM nicht zertifiziert wurden. Aufgrund dieser Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass beide BAM-Gläser für mikroanalytische Anwendungen geeignet sind.rnrnUm neuartige paläoklimatische Proxies im Calcit von Ostrakoden aus tibetanischen Seesedimenten zu untersuchen, wurde die Spurenelementvariabilität in einzelnen Ostrakodenklappen durch eine neue LA-ICP-MS-Technik bestimmt. Klappen von Ostrakoden der drei Arten (Leucocytherella sinensis Huang, 1982, ?Leucocythere dorsotuberosa Huang, 1982 und ?L. dorsotuberosa f. postilirata sensu Pang, 1985) wurden aus zwei Sedimentkernen des Nam Co Sees auf dem Hochplateau von Tibet gewonnen. Zwei LA-ICP-MS-Varianten, Spot- bzw. Linienanalyse, wurden verwendet, um die Elementkonzentrationen der Spurenelemente Mg, Sr, Ba, U und die der Seltenen Erdelemente (SEE) in den Klappen einzelner Ostrakoden zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Linienanalyse präzisere Daten als die Spotanalyse liefert und sie wurde daher vorgezogen. Signifikante Unterschiede in der Spurenelementzusammensetzung zwischen den verschiedenen Arten der Ostrakoden wurden nicht gefunden. Variationen der Elementverhältnisse Mg/Ca und Sr/Ca in den Klappen stimmen mit veröffentlichten Seenspiegelschwankungen während des Holozäns überein, was zeigt, dass Mg- und Sr-Messungen in den Ostrakoden zur Untersuchung paläohydrochemischer Prozesse in diesem Gebiet herangezogen werden kann. Die gute Korrelation, die in dieser Arbeit zwischen Ba/Ca und Sr/Ca gefunden wurde, ist ein Hinweis darauf, dass der Einbau von Ba und Sr in die Klappen durch den gleichen Mechanismus erfolgte. Eine mögliche Beziehung zwischen dem U/Ca-Verhältnis in den Ostrakoden und den Redoxbedingungen auf dem Boden des Sees in der Vergangenheit wird diskutiert. Relativ geringe und konstante La/Ca-Verhältnisse wurden festgestellt, deren Ursache möglicherweise entweder auf der SEE-Charakteristik des Seewassers, auf biologischen Prozessen in den Ostrakoden oder auf Kontamination von Fe-Mn und/oder organischen Substanzen beruhen. Weitere Untersuchungen an Proben aus diesem Gebiet, speziell Klappen von lebenden Ostrakoden, sind notwendig, um den Gehalt von Ba, U und den SEE in Ostrakoden als paläoklimatische Proxies von Umweltbedingungen zu verwenden.