Helium and neon isotopes in oceanic crust of ODP Hole 118-735B

In an attempt to determine the helium and neon isotopic composition of the lower oceanic crust, we report new noble gas measurements on 11 million year old gabbros from Ocean Drilling Program site 735B in the Indian Ocean. The nine whole rock samples analyzed came from 20 to 500 m depth below the seafloor. Helium contents vary from 3.3*10**-10 to 2.5*10**-7 ccSTP/g by crushing and from 5.4*10**-8 to 2.4*10**-7 ccSTP/g by melting. 3He/4He ratios vary between 2.2 and 8.6 Ra by crushing and between 2.9 and 8.2 by melting. The highest R/Ra ratios are similar to the mean mid-ocean ridge basalt (MORB) ratio of 8+/-1. The lower values are attributed to radiogenic helium from in situ alüha-particle production during uranium and thorium decay. Neon isotopic ratios are similar to atmospheric ratios, reflecting a significant seawater circulation in the upper 500 m of exposed crust at this site. MORB-like neon, with elevated 20Ne/22Ne and 21Ne/22Ne ratios, was found in some high temperature steps of heating experiments, but with very small anomalies compared to air. These first results from the lower oceanic crust indicate that subducted lower oceanic crust has an atmospheric 20Ne/22Ne ratio. Most of this neon must be removed during the subduction process, if the ocean crust is to be recirculated in the upper mantle, otherwise this atmospheric neon will overwhelm the upper mantle neon budget. Similarly, the high (U+Th)/3He ratio of these crustal gabbros will generate very radiogenic 4He/3He ratios on a 100 Ma time scale, so lower oceanic crust cannot be recycled into either MORB or oceanic island basalt without some form of processing.

Ecological investigations in the wadden area off Borkum, East Frisian Islands, Germany

Die Bodentiergemeinschaft des Wattenmeeres ist von Frühjahr bis Herbst eines jeden Jahres durch extrem hohe Dichten von Jungtieren charakterisiert. Die Kenntnisse über die Ansiedlung von fplanktischen Larven im Wattenmeer, sowie die Dynamik postlarvaler Stadien sind aufgrund der üblicherweise verwendeten, großen Siebmaschenweiten gering. Gerade aber diesen Altersstadien kommt möglicherweise eine besondere Stellung im Energiefluß des Wattenmeeres zu. An 5 Stationen (von NWL bis HWL, B1-B5) im Rückseitenwatt der ostfriesischen Insel Borkum wurden 1986 Ansiedlung, räumliche Verteilung, Wachstum, Mortalität und Produktion der Altersklasse 0 von Macoma balthica, Mya arenaria und Cerastoderma edule untersucht. Um die Ansiedlung der planktotrophen Larven dieser Arten zu beschreiben, wurden ihre Dichten in Plankton und Bodenproben miteinander verglichen. Die Untersuchungen zur Dynamik der benthischen Stadien wurden mit zwei in der Probenfläche und der Siebmaschenweite unterschiedlichen Probenserien durchgeführt. Die Drift postlarvaler Stadien wurde durch bodennahe Planktonfänge innerhalb des Eulitorals nachgewiesen. Parallel zu den Untersuchungen an der Endofauna wurden das Vorkommen und die Größe epibenthischer Räuber im Untersuchungsgebiet erfaßt. Die Hauptansiedlung von M. balthica- und M. arenaria-Larven erfolgte nahezu gleichzeitig Ende Mai/Anfang Juni. Die meisten Larven beider Arten gingen an der prielnächsten (tiefsten) Station (B1) zum Bodenleben über, gefolgt von der nächst höher gelegenen Station B2. Während frühe Bodenstadien von M. arenaria nicht im oberen Bereich des Watts (B3,B4) gefunden wurden, ist eine geringfügige Erstansiedlung von M. balthica in diesem Gebiet nicht auszuschließen. Ein die Ansiedlung limitierender Einfluß der relativ dichten Mya arenaria-Siedlung an den Stationen B1 und B2 sowie der Alttiere von M. balthica konnte nicht festgestellt werden. Die Ähnlichkeit des Ansiedlungsprozesses bei beiden Arten, die sich im Zahlenverhältnis Larvenangebot zu Anzahl der ersten Bodenstadien widerspiegelt, kann ein Hinweis auf eine überwiegend passive Ansiedlung der Larven am Boden sein. Der Ort der Hauptansiedlung von C. edule wurde durch den Transekt nicht erfaßt. Die Station B2 war zwar durch ein Herzmuschelfeld charakterisiert, dieses war aber nach zwei Eiswintern nahezu vollständig eliminiert. Der Abundanz der planktischen Larven zufolge war der Hauptansiedlungszeitraum ebenfalls Ende Mai/Anfang Juni. Zu dieser Zeit wurden nur vereinzelt frühe Bodenstadien an den Stationen B1 und B2 gefunden, keine an den Stationen B3 und B4. Während die frühen postlarvalen Stadien von M. arenaria überwiegend am Ort der Ansiedlung blieben, verbreiteten sich die von M. balthica bis in den oberen Bereich des Untersuchungsgebietes (B3-B5). Analog zu der Besiedlung dieser Gebiete durch postlarvale M. balthica wurde die im Verlauf des Untersuchungsjahres stattfindende Kolonisierung der Station B1 durch C. edule ebenfalls postlarvalem Transport zugeschrieben. Demzufolge spielt bei beiden Muschelarten postlarvaler Transport eine wichtige Rolle bei der Besiedlung von Habitaten. Planktonfänge innerhalb der bodennahen Wasserschicht bestätigten, daß im Untersuchungsgebiet M. balthica die am stärksten verdriftende Muschelart war, gefolgt von C. edule. Mortalität, Wachstum, mittlere Biomasse, Produktion und P/B-Verhältnis wurden für M. balthica an den Stationen B1, B3 und B4 sowie für M. arenaria an der Station B1 bestimmt. Wachstum und damit auch Produktion beider Arten erwiesen sich hier - wie an den höher gelegen Stationen (nur M. balthica) - als durch größenselektiven Feinddruck beeinflußt. Der Effekt postlarvalen Transports auf Wachstum wird diskutiert. Übergreifend über die auf Artebene diskutierten Ergebnisse wird die Bedeutung der Dispersion postlarvaler Stadien und die Wirkung epibenthischen Feinddrucks im Wattenmeer erörtert. Der Vergleich postlarvalen Transportes mit der Dispersion planktischer Larvenstadien, der Dispersion von Meiofauna und der Mobilität adulter Stadien der Makrofauna verdeutlicht, daß es sich hierbei um eine Strategie handeln kann, innerhalb eines unvorhersagbaren Biotops freiwerdende Ressourcen zu nutzen und dadurch Konkurrenz zu vermeiden. Es wird die Hypothese aufgestellt, daß Initialansiedlung und Immigration einerseits sowie Feinddruck und Emigration andererseits einen Regelkreis darstellen, der in verschiedenen Teilbereichen des Watts mit unterschiedlicher Geschwindigkeit abläuft.

Pollen record in the area of Niederrheinische Bucht, Germany

Die Niederrheinische Bucht, ein altes tektonisches Senkungsgebiet, dessen Ausdehnung durch die Orte Aachen, Bonn, Duüsseldorf und Duisburg bestimmt ist, bildete während des jüngeren Tertiärs eine Meeresbucht am Südrande des Nordseebeckens. Noch zu Beginn des Pleistocäns erstreckte sich die Nordsee bis in den Raum von Nijmegen, und im Pliocän verlief die Kuüste etwa auf der Linie Maastricht-Kleve. Im Mittelmiocän reichte die Nordsee bis in die nördliche Niederrheinische Bucht. Marines Oberoligocän mit reicher Fauna findet sich noch in der Gegend von Köln. In Verbindung mit den marinen Transgressionen kam es in den inneren Teilen der Niederrheinischen Bucht zu mehr oder weniger ausgedehnten Vermoorungen, die zur Bildung von Braunkohlenflözen führten, unter denen das miocäne Hauptbraunkohlenflöz nordwestlich von Köln eine Mächtigkeit von mehr als 90 m erreicht. Nach NW spaltet sich das Hauptflöz in drei Teilflöze auf, die von oben nach unten als Flöz Garzweiler, Flöz Frimmersdorf und Flöz Morken bezeichnet werden. Diese Flöze können, wie neue Untersuchungen ergaben, eindeutig mit dem marinen Mittelmiocän in Verbindung gebracht werden.

Oxygen and hydrogen isotopes measured in the Northeast Atlantic

Only a few studies have examined the variation of oxygen and hydrogen isotopes of seawater in NE Atlantic water masses, and data are especially sparse for intermediate and deep-water masses. The current study greatly expands this record with 527 d18O values from 47 stations located throughout the mid- to low-latitude NE Atlantic. In addition, dD was analyzed in the 192 samples collected along the GEOTRACES North Atlantic Transect GA03 (GA03_e=KN199-4) and the 115 Iberia-Forams cruise samples from the western and southern Iberian margin. An intercomparison study between the two stable isotope measurement techniques (cavity ring-down laser spectroscopy and magnetic-sector isotope ratio mass spectrometry) used to analyze GA03_e samples reveals relatively good agreement for both hydrogen and oxygen isotope ratios. The surface (0-100 m) and central (100-500 m) water isotope data show the typical, evaporation related trend of increasing values equatorward with the exception for the zonal transect off Cape Blanc, NW Africa. Off Cape Blanc, surface water isotope signatures are modified by the upwelling of fresher Antarctic Intermediate Water (AAIW) that generally has isotopic values of 0.0 to 0.5 per mil for d18O and 0 to 2 per mil for dD. Along the Iberian margin the Mediterranean Outflow Water (MOW) is clearly distinguished by its high d18O (0.5-1.1 per mil) and dD (3-6 per mil) values that can be traced into the open Atlantic. Isotopic values in the NE Atlantic Deep Water (NEADW) are relatively low (d18O: -0.1 to 0.5 per mil; dD: -1 to 4 per mil) and show a broader range than observed previously in the northern and southern convection areas. The NEADW is best observed at GA03_e Stations 5 and 7 in the central NE Atlantic basin. Antarctic Bottom Water isotope values are relatively high indicating modification of the original Antarctic source water along the flow path. The reconstructed d18O-salinity relationship for the complete data set has a slope of 0.51, i.e., slightly steeper than the 0.46 described previously by Pierre et al. (1994, J. Mar. Syst. 5 (2), 159-170.) for the tropical to subtropical Northeast Atlantic. This slope decreases to 0.46 for the subtropical North Atlantic Central Water (NACW) and the MOW and to 0.32 for the surface waters of the upper 50 m. The dD-salinity mixing lines have estimated slopes of 3.01 for the complete data, 1.26 for the MOW, 3.47 for the NACW, and 2.63 for the surface waters. The slopes of the d18O-dD relationship are significantly lower than the one for the Global Meteoric Water Line with 5.6 for the complete data set, 2.30 for the MOW, 4.79 for the NACW, and 3.99 for the surface waters. The lower slopes in all the relationships clearly reflect the impact of the evaporation surplus in the subtropics.

Benthic foraminifera in the Tasman Sea, Emerald Basin and Challenger Plateau

Im Rahmen des TASQWA-Projektes (Quarternary Variability of Water Masses in the Southern Tasman Sea and the Southern Ocean) wurde eine erstmalige quantitative und taxonomische Bestandsaufnahme der rezenten, benthischen Tiefseeforaminiferen der Korngrößenfraktion > 250 µm in 27 Sedimentoberflächenproben aus dem austral-antarktischen Gebiet durchgeführt. Es konnten 137 Arten bestimmt werden, wobei aber keine Art dominante Anteile in den Proben erreichte. Über benthische Tiefseeforaminiferen im untersuchten Gebiet existiert kaum Literatur. Es gibt zwar aus dem 19. Jhrd. sehr gut dokumentierte Foraminiferen in diesem Bereich, diese decken aber längst nicht alle gefundenen Exemplare ab. Erst um die Jahrtausendwende beschäftigten sich Autoren wieder intensiver mit den australischen und neuseeländischen, benthischen Foraminiferen. Aber auch sie drangen nicht bis in die Tiefsee vor, sondern blieben vorwiegend im Schelfbereich. Aufgrund dieser spärlichen Literatur ist jede einzelne Art ausführlich mit Synonymieliste und Abbildung dokumentiert worden. Die PAST-Analyse generierte mit den 137 Arten und den 27 Stationen sechs Faunenvergesellschaftungen, die überwiegend bathymetrisch zoniert sind. Ab 562 m beginnt am Campbell Plateau in der Hochproduktionszone die Bulimina-Vergesellschaftung. Diese Vergesellschaftung zeichnet sich durch die höchste Individuenzahl aus. Ab 959 m findet sich die Rhizammina-Vergesellschaftung, die im Untersuchungsgebiet am weitesten verbreitet ist. Die weniger oft anzutreffende Cibicides-Vergesellschaftung läßt sich ab 1660 m Tiefe finden. Nur in einer einzigen Probe an der Tasmanschwelle in 2146 m Tiefe, tritt die Reophax-Vergesellschaftung auf, in der die Textulariina überwiegen. Die weniger oft anzutreffende Ehrenbergina-Vergesellschaftung läßt sich ab 1841 m finden. In dieser Vergesellschaftung, in der die Artenanzahl fast an das Niveau der Hochproduktionszone heranreicht, halten sich Rotaliina und Textulariina die Waage. Im Emerald Becken ab 3909 m Tiefe beginnt die Jaculella- Vergesellschaftung. Diese liegt in einem echten Hungergebiet und besteht hauptsächlich aus Textulariina. Im gesamten Untersuchungsgebiet lassen sich durch die Probenauswertung vier unterschiedliche Lebensräume (Challenger Plateau, Campbell Plateau, Emerald Becken und Tasmanschwelle) ausmachen. Da jedoch nur zwei Sedimentoberflächenproben am Challenger Plateau genommen wurden, konnte dieser Bereich nur eingeschränkt mit den anderen drei Bereichen verglichen werden. Die Foraminiferengemeinschaften des Challenger Plateaus und der Tasmanschwelle können jedoch im oberen Bereich der Wassersäule auch nur eingeschränkt miteinander verglichen werden, da man an der Tasmanschwelle Sedimentoberflächenproben erst ab 1634 m genommen hat und am Campbell Plateau Proben ab 562 m vorhanden sind. Die oberen Bereiche (ab 562 m bis ca. 1300 m) des Campbell Plateaus sind Hochproduktionsbereiche, die die höchsten Individuenzahlen pro 10 cm**3 Sediment und die höchste Artenvielfalt aufweisen. Am Südwesthang des Campbell Plateaus läßt sich eine Abfolge der verschiedenen Foraminiferenvergesellschaftungen bis hinunter in das Emerald Becken nachweisen. An der Tasmanschwelle selbst läßt sich keine ausgeprägte Hochproduktionszone erkennen. Generell gibt es hier weniger Arten und weniger Individuen pro 10 cm**3 Sediment als am Cambell Plateau. Das Emerald Becken, als tiefster Bereich des Untersuchungsgebietes und als echtes Hungergebiet, nimmt eine Sonderrolle ein.

Composition of noble gases in sediments and metasediments

Solar-type helium (He) and neon (Ne) in the Earth's mantle were suggested to be the result of solarwind loaded extraterrestrial dust that accumulated in deep-sea sediments and was subducted into the Earth's mantle. To obtain additional constraints on this hypothesis, we analysed He, Ne and argon (Ar) in high pressure-low temperature metamorphic rocks representing equivalents of former pelagic clays and cherts from Andros (Cyclades, Greece) and Laytonville (California, USA). While the metasediments contain significant amounts of 4He, 21Ne and 40Ar due to U, Th and K decay, no solar-type primordial noble gases were observed. Most of these were obviously lost during metamorphism preceding 30 km subduction depth. We also analysed magnetic fines from two Pacific ODP drillcore samples, which contain solar-type He and Ne dominated by solar energetic particles (SEP). The existing noble gas isotope data of deep-sea floor magnetic fines and interplanetary dust particles demonstrate that a considerable fraction of the extraterrestrial dust reaching the Earth has lost solar wind (SW) ions implanted at low energies, leading to a preferential occurrence of deeply implanted SEP He and Ne, fractionated He/Ne ratios and measurable traces of spallogenic isotopes. This effect is most probably caused by larger particles, as these suffer more severe atmospheric entry heating and surface ablation. Only sufficiently fine-grained dust may retain the original unfractionated solar composition that is characteristic for the Earth's mantle He and Ne. Hence, in addition to the problem of metamorphic loss of solar noble gases during subduction, the isotopic and elemental fractionation during atmospheric entry heating is a further restriction for possible subduction hypotheses.

Physical oceanography during five ECOMARGE cruises

The first experiment of the ECOMARGE programme (ECOsystèmes de MARGE continentale) was initiated in 1983-1984, in the Gulf of Lions (northwestern Mediterranean Sea). The objectives of the ECOMARGE-I experiment were: to quantify the transfer of particulate matter, in general, and of organic carbon, in particular, from its introduction to and formation in the waters of the continental shelf-to its consumption or sedimentation on the shelf or its transfer to the slope and deep sea; and to understand the processes involved in that transfer, consumption and sedimentation together with their variability in space and time. The results of that experiment, from 1983 to 1988, are presented in this Special Issue. The highlights of the results are summarised in this paper. These results indicate that, of the particles formed in the waters of the continental shelf and those introduced by rivers, some are deposited as sediments on the shelf. A portion is transported offshore, however, to the slope and deep sea. The Rho^ne River, in the northeastern part of the study area, is the major source of continental material; this is transported to sea in a benthic nepheloid layer and, mostly, alongshore to the southwest. Here, it largely leaves the shelf through the canyons, especially the Lacaze-Duthiers Canyon. In the offshore waters, particle concentrations and distributions show surficial, intermediate and benthic nepheloid layers. These turbid structures increase towards the southwest, corresponding to the seaward shift of the front between the coastal waters and the Liguro-Provençal cyclonic gyre, a major forcing function in the Gulf of Lions. Considering the source and fate of particles (largely biogenic from the euphotic zone and abiogenic from deeper waters) a layered system is described, which is emphasized by the concentrations of natural and artificial elements and compounds. Of the flux of particles to the Lacaze-Duthiers Canyon, on a decadal scale, about 30% (as a minimum) is estimated to be stored as sediment; the remainder is transported down-canyon, towards the deep sea. The temporal variability of processes affecting this net seaward transport, of both biogenic and abiogenic material, is from hours, days to seasonal, and probably interannual, time scales. The response of the system to these variations is rapid, with pulses of increased discharge of particles from the adjacent shelf being detected in sediment traps in the Lacaze-Duthiers Canyon in less than 16 days (the temporal resolution of the traps). Based upon the study of tracers of particulate matter and environmental factors (i.e. river discharge and climatic conditions), it appears that the contribution from the Rho^ne River and its adjacent area is maximal during the winter; at this time, the flow of the Liguro-Provençal Current also increases. In contrast, the maximum relative contribution of the adjacent southwesterly area to the flux in the Lacaze-Duthiers Canyon occurs in summer, during storm events.

Profiles of diatoms, pollen, XRD, XRF and organic composition of two sediment cores (PG2022 and PG2023) from Lake Kyutyunda in Yakutia, NE Siberia, Russia

Although the climate development over the Holocene in the Northern Hemisphere is well known, palaeolimnological climate reconstructions reveal spatiotemporal variability in northern Eurasia. Here we present a multi-proxy study from north-eastern Siberia combining sediment geochemistry, and diatom and pollen data from lake-sediment cores covering the last 38,000 cal. years. Our results show major changes in pyrite content and fragilarioid diatom species distributions, indicating prolonged seasonal lake-ice cover between ~13,500 and ~8,900 cal. years BP and possibly during the 8,200 cal. years BP cold event. A pollen-based climate reconstruction generated a mean July temperature of 17.8°C during the Holocene Thermal Maximum (HTM) between ~8,900 and ~4,500 cal. years BP. Naviculoid diatoms appear in the late Holocene indicating a shortening of the seasonal ice cover that continues today. Our results reveal a strong correlation between the applied terrestrial and aquatic indicators and natural seasonal climate dynamics in the Holocene. Planktonic diatoms show a strong response to changes in the lake ecosystem due to recent climate warming in the Anthropocene. We assess other palaeolimnological studies to infer the spatiotemporal pattern of the HTM and affirm that the timing of its onset, a difference of up to 3,000 years from north to south, can be well explained by climatic teleconnections. The westerlies brought cold air to this part of Siberia until the Laurentide ice-sheet vanished 7,000 years ago. The apparent delayed ending of the HTM in the central Siberian record can be ascribed to the exceedance of ecological thresholds trailing behind increases in winter temperatures and decreases in contrast in insolation between seasons during the mid to late Holocene as well as lacking differentiation between summer and winter trends in paleolimnological reconstructions.

Seasonal production patterns of planktonic foraminifera in the NE Atlantic Ocean

Sediment trap samples from OMEX 2 (49°N, 13°W) provide a continuous record of the seasonal succession of planktonic foraminifera in the midlatitude North Atlantic and reveal a complex relationship between periods of production and specific hydrographic conditions. Neogloboquadrina pachyderma dextral coiling (d.), Globigerina bulloides, and Globorotalia inflata are found in great numbers during both the spring and summer seasons, whereas Globigerina quinqueloba, Globorotalia hirsuta, Globorotalia scitula, and Globigerinita glutinata are associated predominantly with the increase in productivity during the spring bloom. Globigerinella aequilateralis, Orbulina universa, and Globigerinoides sacculifer are restricted to late summer conditions following the establishment of a warm, well-stratified surface ocean. An annually integrated fauna from the sediment trap, comprising ~13,000 individuals, is used to evaluate the accuracy of five faunal-based statistical methods of paleotemperature estimation. All of the temperature reconstruction techniques produce estimates of ~16°C and ~11°C for summer and winter surface temperature, respectively, which are in excellent agreement with regional hydrographic data and suggest that the sediment trap assemblage is well represented in the core top faunas. Analysis of the key species that dominate the OMEX 2 sediment trap fauna, G. bulloides, G. inflata, and N. pachyderma d., based on d18O derived temperatures from North Atlantic core top samples, suggests that seasonal variations in planktonic foraminiferal production are nonuniform across the midlatitudes and that this is likely to complicate reconstructing past seasonal hydrographic dynamics using these taxa.