Clay mineraology and grain size composition of surface sediments from South Pacific Ocean

The reconstruction of low-latitude ocean-atmosphere interactions is one of the major issues of (paleo-)environmental studies. The trade winds, extending over 20° to 30° of latitude in both hemispheres, between the subtropical highs and the intertropical convergence zone, are major components of the atmospheric circulation and little is known about their long-term variability on geological time-scales, in particular in the Pacific sector. We present the modern spatial pattern of eolian-derived marine sediments in the eastern equatorial and subtropical Pacific (10°N to 25°S) as a reference data set for the interpretation of SE Pacific paleo-dust records. The terrigenous silt and clay fractions of 75 surface sediment samples have been investigated for their grain-size distribution and clay-mineral compositions, respectively, to identify their provenances and transport agents. Dust delivered to the southeast Pacific from the semi- to hyper-arid areas of Peru and Chile is rather fine-grained (4-8 µm) due to low-level transport within the southeast trade winds. Nevertheless, wind is the dominant transport agent and eolian material is the dominant terrigenous component west of the Peru-Chile Trench south of ~ 5°S. Grain-size distributions alone are insufficient to identify the eolian signal in marine sediments due to authigenic particle formation on the sub-oceanic ridges and abundant volcanic glass around the Galapagos Islands. Together with the clay-mineral compositions of the clay fraction, we have identified the dust lobe extending from the coasts of Peru and Chile onto Galapagos Rise as well as across the equator into the doldrums. Illite is a very useful parameter to identify source areas of dust in this smectite-dominated study area.

Paleoceanography of sediment cores SO202-27-6 during MIS 3

The modern subarctic Pacific is characterized by a steep salinity-driven surface water stratification, which hampers the supply of saline and nutrient-rich deeper waters into the euphotic zone, limiting productivity. However, the strength of the halocline might have varied in the past. Here, we present diatom oxygen (d18Odiat) and silicon (d30Sidiat) stable isotope data from the open subarctic North-East (NE) Pacific (SO202-27-6; Gulf of Alaska), in combination with other proxy data (Neogloboquadrina pachydermasin d18O, biogenic opal, Ca and Fe intensities, IRD), to evaluate changes in surface water hydrography and productivity during Marine Isotope Stage (MIS) 3, characterized by millennial-scale temperature changes (Dansgaard-Oeschger (D-O) cycles) documented in Greenland ice cores.

Physical properties of deep sea sediments

Erstmals quantitativ bearbeitete Rutschungen aus dem Tiefseebereich des äquatorialen Ostatlantiks liegen auf Hängen von 0,4 Grad und 0,7 Grad - das ist sehr viel flacher als die für statische Rutschungsauslösung benötigte kritische Hangneigung (14 Grad bis 16 Grad ). Im Gegensatz zu Flachwassergebieten kann bei Wassertiefen von über 4000 m natürlich der Einfluß von Wellenwirkung und Tidenhub auf die Hangstabilität vernachlässigt werden. Die Sedimentationsraten sind in diesem Bereich zur Bildung eines Porenwasserüberdruckes vielfach zu niedrig. Nach den Hangstabilitätsanalysen bilden hier Erdbeben den wirksamsten Auslösemechanismus für die Rutschungen. Dies gilt auch für Rutschungen an den Kontinentalrändern von Nordwest- und Westafrika sowie für das europäische Nordmeer und für Rutschungen im nördlichen Fidji-Becken. Das Alter der besonders gut datierten Rutschungen vom nordwestafrikanischen Kontinentalrand und der Tiefsee des äquatorialen Ostatlantiks schwankt zwischen 16,000 J.v.h. und 18,000 J.v.h. sowie etwa 130,000 J.v.h.. Es handelt sich dabei um Phasen des Beginns besonders starker Meeresspiegelschwankungen. Ein Vergleich der Meeresspiegelkurve mit dem Alter älterer Rutschungen zeigt ebenfalls eine Parallele mit Zeiten von Regressionen und Transgressionen. Durch die Meeresspiegelschwankungen werden isostatische Vertikalbewegungen des Tiefseebodens von bis zu 30 m bewirkt, die Spannungen in den Lithosphärenplatten erzeugen. Sie allein sind jedoch nicht groß genug, um Brüche in intakten Plattenbereichen zu verursachen. Entlang alter, ehemals aktiver Transform-Bruchzonen (Fracture Zones) können jedoch die aufgebauten Spannungen eher wieder abgebaut werden. Dabei entstehen kleinere Erdstösse und führen zur Auslösung von Rutschungen. Ein Vergleich der Verbreitung von Transform-Störungen und Rutschungen vor Norwegen, Nordwest- und Westafrika sowie vor dem südlichen Afrika zeigt, daß in diesen Gebieten Rutschmassen tatsächlich besonders häufig entlang und in der Verlängerung von Fracture Zones auftreten. Modellrechnungen, die mit typischen Werten für Hangwinkel (0,5 Grad bis 3 Grad) von Tiefseeböschungen und passive Kontinentalränder sowie für häufig ermittelte Scherfestigkeitsgradienten im Sediment (0,5 kPa/m bis 1,7 kPa/m) durchgeführt wurden, ergaben, daß in Gebieten mit normal konsolidierten Sedimenten (ohne Porenwasserüberdruck) nur Erdbeben Rutschungen ausgelöst haben können.