Sedimentology and age determinations on core PS2813-1

Die Rekonstruktion des Einflusses von Strömungen und glazialmarinen Prozessen auf das Sedimentationsgeschehen am Kontinentalhang der Antarktischen Halbinsel im westlichen Weddellmeer basiert auf sedimentologischen und geophysikalischen Daten eines Kolbenlotkerns. Der Sedimentkern wurde während des Fahrtabschnitts ANT-XIV/3 mit dem FS "Polarstern" aus einer mächtigen Levee-Struktur eines Rinnen-Rückensystems gewonnen. Es wurden sedimentologische sowie sedimentphysikalische Untersuchungen an dem Kernmaterial durchgeführt. Die texturellen Änderungen im Kern und die Variationen der gemessenen Parameter ermöglichen eine lithofazielle Gliederung und stratigraphische Einstufung der Sedimentabfolge. Die untersuchten Sedimente umfassen den Zeitraum der vier letzten Klimazyklen bis heute und repräsentieren die Ablagerungsbedingungen von mehr als 340 000 Jahren. Vier Faziestypen wurden unterschieden, die sowohl glaziale als auch interglaziale Ablagerungsräume charakterisieren. (1) Die überwiegend groblaminierten Sedimentabfolgen wurden der Laminitfazies zugeordnet. Unter glazialen Umweltbedingungen kam es infolge schwacher Bodenströmungen zur Ablagerung feinkörniger, laminierter, strömungsbetonter Sedimente. (2) Strukturlose, sehr homogene Sedimentabfolgen des Kems beschreiben einen weiteren, den Kaltzeiten zugeordneten, Faziestyp, der durch geringe Variationen in den Sedimenteigenschaften charakterisiert ist. (3) Kernabschnitte, die weitgehend strukturlos sind bzw. leichte Bioturbationen und relativ viel eistransportiertes Material aufweisen, wurden als IRD-Fazies bezeichnet. Sie repräsentiert den Übergang vom Glazial zum Interglazial, in dem sich das Schelfeis und die Meereisbeckung zurückzogen. In den Sedimenten kam es infolge der gesteigerten Kalbungsrate zur Anreicherung der Eisfracht. (4) Die relativ biogenreichen, hellen Ablagerungen wurden der interglazialzeitlichen Karbonatfazies zugeteilt. Der signifikant erhöhte Anteil planktischer Foraminiferen weist auf eine gesteigerte Bioproduktivität im Oberflächenwasser hin, die aus verstärkten jahreszeitlichen Schwankungen der Meereisbedeckung resultiert. Die betrachteten Sedimentationsprozesse, wie biologische Produktivität, Umlagerungsprozesse durch Meeresströmungen, gravitativer Sedimenttransport und Eistransport, sind das Abbild komplexer Wechselwirkungen aus Meeresspiegelschwankungen, Änderungen ozeanographischer Bedingungen und der Vereisungsdynamik. Das Sedimentationsgeschehen im Untersuchungsgebiet wurde folglich durch die Variationen der vorherrschenden Umweltbedingungen bestimmt. Im Glazial kam es unter einer geschlossenen Meereisbedeckung zur Ablagerung feinkörniger, geschichteter Sedimente. Vorwiegend Turbiditströmungen kontrollierten das Sedimentationsgeschehen innerhalb des betrachteten Rinnen-Rückensystems. Unter dem Einfluß der Coriolis-Kraft und wahrscheinlich einer Konturströmung wurden die suspendierten, feinkörnigen Partikel aus dem zentralen Bereich der Rinne verdriftet und über dem nördlichen Uferwall abgelagert. Höherenergetische gravitative Prozesse beeinflußten das Sedimentationsgeschehen episodisch und sind durch gut sortierte Ablagerungen mit erhöhten Gehalten im Mittel- bis Grobsiltbereich dokumentiert. Höhere Sedimentationsraten in den Glazialen trugen verstärkt zur Bildung des Uferwalls bei. Die Ablagerungen der ebenfalls glazialzeitlichen homogenen Fazies belegen unterschiedliche Ablagerungsbedingungen und eine Verschiebung der dominierenden Prozesse. Während des Übergangs vom Glazial zum Interglazial nahm die Bodenwasserbildungsrate durch das Aufschwimmen des Schelfeises zu, wodurch die Strömungsintensität gesteigert wurde. Eine verstärkte Eisbergaktivität wird durch die Anreichung des IRD-Materials dokumentiert. Während interglazialer Zeiten ermöglichten offen-marine Bedingungen im Südsommer eine leicht erhöhte biologische Produktivität, so daß der Ablagerungsraum durch die Sedimentation biogener Komponenten verstärkt beeinflußt wurde.

German Bight bedform reconstructions

Bodenformen an der Sohle von Flüssen, Küstenzonen und flachen Schelfen sind wichtige skalenübergreifende Elemente der Küstendynamik in ihren Eigenschaften als Transportkörper von Sedimenten und ihrer Wirkung auf die Strömungsdynamik als Rauheitselemente. Neben vielen neueren Studien über die Entstehung, Gestalt und Dynamik von Bodenformen in vergleichsweise kleinen Untersuchungsgebieten ist die Arbeit von ULRICH (1973) über die Verteilung von Bodenformen in der Deutschen Bucht bis heute die einzige verfügbare zusammenhängende Darstellung für die deutsche Nordseeküste. Die analogen Karten und die Darstellung der Klassifizierung in Buchstabenkürzeln macht sie für heutige quantitative Analysen schwer zugänglich. Hier wurden diese Karten digitalisiert und Eigenschaften der Bodenformen rekonstruiert und interpretiert. Das Ergebnis ist eine Zusammenstellung digitaler Karten eines vollständigen - und eines auf steile, hydrodynamisch wirksame Bodenformen reduzierten Datensatzes der Minimal, Maximalund Mittelwerte von Höhen, Längen und Steilheiten von Bodenformen in der Deutschen Bucht. Die Datensätze stehen der Allgemeinheit in der Datenbank Pangaea zur Verfügung. Bedforms in rivers, coastal zones and shallow shelf seas are important cross-scale elements of coastal dynamics in their function as sediment transport agent and in their effect on the flow dynamics as roughness elements. In addition to many recent studies on the origin, shape and dynamics of bedforms in relatively small study areas the work of ULRICH (1973) on the classification of bedform types in the German Bight is until today the only available coherent representation of the spatial distribution of bedforms for the whole German coastal sea. The analogue maps and the coded classification makes them difficult to access for quantitative analyses. Here these maps were digitized and properties of the bedforms were reconstructed and interpreted. Resulting digital maps of the whole and a reduced dataset on steep bedforms contain minimum, maximum and average values of heights, lengths and steepness of bedform types in the German Bight. The data sets are available to the public in the database Pangaea.

Geochemistry of surface sediment samples from the South Atlantic Ocean

The aim of the present study is an evaluation of the applicability of biogenic barium as a proxy for productivity. For this purpose, 190 surface sediment samples from the South Atlantic Ocean were analysed for their barium and aluminium concentrations. Biogenic barium is estimated by subtracting the calculated terrigenous barium (obtained from the terrigenous Ba/Al ratio and the amount of Al in the sample) from the total Ba content in the sample. Based on the accumulation rates of biogenic barium, export production is estimated using three different algorithms proposed by [Paleoceanography 7 (1992) 163, doi:10.1029/92PA00181; Global Biogeochem. Cycles 9 (1995) 289, doi:10.1029/95GB00021; Geomar. Report 38 (1995) 105]. Primary productivity was calculated from these different export productions and compared with measurements of recent primary productivity in the overlying surface waters. Only the primary productions calculated on the basis of the algorithm of [Paleoceanography 7 (1992) 163, doi:10.1029/92PA00181] yield productivity values comparable to those existing in ocean surface waters. This study further reveals that it is not sufficient to use a constant, generally applicable organic carbon/biogenic barium ratio, as is postulated by [Global Biogeochem. Cycles 9 (1995) 289, doi:10.1029/95GB00021]. This ratio has to be assessed regionally. For the sediments of the Cape Basin in the eastern South Atlantic Ocean, a new algorithm is developed which gives plausible primary productivities for the overlying surface waters.

Investigation of sediment core PS2556 from Bellingshausen Sea, Antarctica

Die Rekonstruktion der glaziomarinen Sedimentationsprozesse am antarktischen Kontinentalrand des westlichen Bellingshausenmeeres erfolgte durch die sedimentologische Auswertung eines 962 cm langen Schwerelotkernes aus 3594 m Wassertiefe. Der Kern wurde während des Fahrtabschnittes ANT-XI/3 mit dem FS "Polarstern" vom Scheitel einer Sediment- "Drift" gezogen. An dem Sedimentkern wurde eine lithologische Beschreibung, sowie sedimentologische Untersuchungen und sedimentphysikalische Messungen durchgeführt. Anhand der Ergebnisse konnten signifikante Änderungen in der Zusammensetzung und Struktur der Sedimente erkannt, und drei Faziestypen unterschieden werden. Die Faziestypen charakterisieren jeweils glaziale oder interglaziale Zeiträume. Der größte Teil der Sedimentabfolge gehört der Laminitfazies an. Dabei handelt es sich um feinlaminierte Sedimentabschnitte, die vorwiegend aus feinkörnigen, terrigenen Komponenten zusammengesetzt sind. In die feinlaminierten Abschnitte sind vereinzelte, wenige Milimeter bis Zentimeter mächtige Siltlagen eingeschaltet. Die biogenen Anteile sind gering, Anzeichen für Bodenleben fehlen völlig. Die Manganfazies wird von authigen gebildeten Mangankonkretionen dominiert, die jeweils diskrete Lagen bilden. Dabei handelt es sich zum einen um Mikromanganknollen und -krusten und zum andern um manganhaltige Gangfüllungen. Biogene und terrigene Anteile sind in diesem Faziestyp unbedeutend. Die Biogenfazies ist von strukturlosen und stark bioturbierten Sedimenten gekennzeichnet. In diesen Sedimentabschnitten ist der hohe Anteil an Eisfracht (IRD) und die erhöhten Gehalte an Kalziumkarbonat und Opal in der Sandfraktion markant. Die stratigraphische Einordnung des Sedimentkernes erfolgte über die von Grobe & Mackensen (1992) entwickelte Lithostratigraphie, mit deren Einheiten die Faziestypen des Sedimentkernes korreliert werden konnten. Dabei ergaben sich zwei mögliche Altersmodelle und ein Basisalter von ca. 250.000 Jahren. Anhand der stratigraphischen Fixpunkte wurden Sedimentationsraten des Gesamtsedimentes und Akkumulationsraten des Kalziumkarbonates, des Biogenopals und des organisch gebundenen Kohlenstoffes berechnet. Dabei wurde gezeigt, daß lediglich das Kalziumkarbonat und der Biogenopal als Anzeiger für biologische Produktion dienen können, wobei Lösungsprozesse in der Wassersäule und im Sediment eine große Rolle spielen. Der Gehalt an organisch gebundenem Kohlenstoff ist in dem Sedimentkern nur erhaltungsbedingt zu erklären. Die Sedimentationsprozesse der einzelnen Faziestypen sind von den Eisverhältnissen, der biologischen Produktion, dem gravitativen Transport und der Umlagerung durch Meeresströmungen abhängig. Die Auswirkung der einzelnen Faktoren ist jeweils unterschiedlich ausgeprägt und wirkt sich spezifisch auf die einzelnen Parameter aus. In den Glazialen hatte ein Vorstoß des Schelfeises über die Schelfkante zur Anlieferung großer Sedimentmassen geführt, die über gravitativen Transport den Kontinentalhang hinunter transportiert wurden. Die Feinfracht wurde über parallel zum Kontinentalhang laufende Konturströme westwärts transportiert und in der Larninitfazies der Driftkörper abgelagert. Am Ende der Glaziale kam es zur Sedimentation der Manganfazies. Die geringen Sedimentationsraten am Kamm der Sedimentdrift kamen aufgrund reduzierter Intensität der Konturströme und fehlender Umlagerung von Schelfsedimenten in Folge rückschreitender Schelfeisrnassen zustande. In den Interglazialen kam es durch den aufsteigenden Meeresspiegel zum Aufschwimmen des Schelfeises. Der damit verbundene Abbau der Eisrnassen über dem Schelf, hatte eine hohe Sedimentation von IRD zur Folge. Mit fortschreitendem Interglazial kam es in Zeiten nur saisonaler Meereisbedeckung zu verstärkter biologischer Produktion und zur Sedimentation biogenen Materials.

Last Interglacial synthesis of high-latitude temperature: temperature anomalies and associated errors for 4 time slices

The Last Interglacial (LIG, 129-116 thousand of years BP, ka) represents a test bed for climate model feedbacks in warmer-than-present high latitude regions. However, mainly because aligning different palaeoclimatic archives and from different parts of the world is not trivial, a spatio-temporal picture of LIG temperature changes is difficult to obtain. Here, we have selected 47 polar ice core and sub-polar marine sediment records and developed a strategy to align them onto the recent AICC2012 ice core chronology. We provide the first compilation of high-latitude temperature changes across the LIG associated with a coherent temporal framework built between ice core and marine sediment records. Our new data synthesis highlights non-synchronous maximum temperature changes between the two hemispheres with the Southern Ocean and Antarctica records showing an early warming compared to North Atlantic records. We also observe warmer than present-day conditions that occur for a longer time period in southern high latitudes than in northern high latitudes. Finally, the amplitude of temperature changes at high northern latitudes is larger compared to high southern latitude temperature changes recorded at the onset and the demise of the LIG. We have also compiled four data-based time slices with temperature anomalies (compared to present-day conditions) at 115 ka, 120 ka, 125 ka and 130 ka and quantitatively estimated temperature uncertainties that include relative dating errors. This provides an improved benchmark for performing more robust model-data comparison. The surface temperature simulated by two General Circulation Models (CCSM3 and HadCM3) for 130 ka and 125 ka is compared to the corresponding time slice data synthesis. This comparison shows that the models predict warmer than present conditions earlier than documented in the North Atlantic, while neither model is able to produce the reconstructed early Southern Ocean and Antarctic warming. Our results highlight the importance of producing a sequence of time slices rather than one single time slice averaging the LIG climate conditions.

Database of the GLAMAP project

A uniform chronology for foraminifera-based sea surface temperature records has been established in more than 120 sediment cores obtained from the equatorial and eastern Atlantic up to the Arctic Ocean. The chronostratigraphy of the last 30,000 years is mainly based on published d18O records and 14C ages from accelerator mass spectrometry, converted into calendar-year ages. The high-precision age control provides the database necessary for the uniform reconstruction of the climate interval of the Last Glacial Maximum within the GLAMAP-2000 project.

Heavy mineral investigations from surface sediments of the East Greenland continental margin

During the expeditions ARK-VII/1, ARK-VII/3 and ARK-Xl2 sediment cores were taken by "RV Polarstern" from the shelf and the fjords of East Greenland and the Greenland Sea. The magnetic susceptibility and heavy mineral were determined at 48 surface sediment samples from undisturbed box cores. The main objective of this study was the identification of source areas and transport processes of terrigenous sediments at the East Greenland continental margin. The results can be summarized as lollows: 1a) Magnetic susceptibility in the North Atlantic is useful to detect delivery regions of the material transported by currents. b) The magnetic susceptibility is controlled by the ferromagnetic particles of the silt fraction. c) There are four important source areas: . The ferromagnetic particles of the box core PS2644-2 are transported from the Iceland Archipelago. . The material from the Geiki-Plateau effects the magnetic susceptibility in the Scoresby Sund Basin. . The magnetic susceptibility in the shelf regions in the North are produced by material from the fjords. . The ferromagnetic particles in the Greenland Sea are derived from the Mid Atlantic Ridges in the east. d) It is possible to determine the rock type, which delivers the ferromagnetic material because of differences in magnetic susceptibility of different intensity. . The erosion of the basalts of the Geiki-Plateau and the basalts of the Mid Atlantic ridges produce the high magnetic susceptibility in the south. . The magnetic susceptibility on the shelf in the north are probably produced by erosionproducts of the gneises of East Greenland. (2a) Heavy mineral assemblages show a significant difference between material transported by the Transpolar Drift from the Eurasian shelf regions (amphiboles, clinopyroxene, orthopyroxene) and material derived from East Greenland (garnets and opaque minerals). Transport via ice is dominant. b) lt is also possible to show different petrographic provenances (volcanic and metamorphic provenances). These associations verify the source areas. c) The information of heavy mineral composition gives no more detailed hint on the rock type or rock formation in the source area, due to mixing processes, large area of investigation and the sample quantity.