Siliceous components of Pliocene-Holocene sediments of the South Atlantic

The Pliocene-Holocene sediments recovered on ODP Leg 114 from Holes 699A, 701C, and 704B are the subject of a detailed investigation to interpret changes in the Oceanographic environment of the South Atlantic in the vicinity of the Polar Front Zone (PFZ). The cores sample sediments at shallow (Hole 704B, 2532 m), intermediate (Hole 699A, 3716 m), and basinal (Hole 701C, 4647 m) depths. Sites 699 and 704 come under the influence of the Antarctic Circumpolar Current (ACC) and Circumpolar Deep Water. It is possible that the upper reaches of Antarctic Bottom Water (AABW) may also affect Hole 699A. Site 701 is influenced by AABW. Closely spaced samples were analyzed for grain-size distribution, sand fraction components, biosiliceous microfossils, organic carbon, and water content. PFZ migrations are traced using changes in bulk sedimentaccumulation rates and the abundance of the diatoms Actiniscus ssp. and Genus et species indet. 1 Fenner (1991), as well as changes in sediment grain size and composition. Diatomaceous sediments of Gilbert age in Hole 699A indicate that the PFZ was positioned over this site, but during the Gauss it migrated north, bringing in less productive Antarctic Surface Water. All cores document a very gradual southerly movement of the PFZ throughout the Matuyama (with some sharp fluctuations of the northen PFZ border over Site 704 between 1.45 and 1.83 m.y.). This regressive shift culminated in the late Matuyama. The latest Matuyama to earliest Brunhes record in Hole 699A has been removed by a hiatus lasting from 1.0 to 0.6 m.y., which was probably caused by intensification of the deep-reaching ACC. The corresponding interval in Hole 704B, the shallowest core, contains evidence of winnowing. Sharp fluctuations of large amplitude and high frequency in the lithology of the sediments from Hole 704B in the eastern South Atlantic, starting at about 0.75 m.y. and characterizing the whole Brunhes Epoch, record the rapid movement of the northern border of the PFZ over the site. These reflect strong glacial/interglacial alternations in climate. To a lesser extent, lithologic fluctuations in Hole 701C reflect the same phenomenon, whereas in Hole 699A the lithology does not vary as dramatically.

Lavas from the Elbrus volcano, Greater Caucasus

Comprehensive geochronological and isotope-geochemical studies showed that the Late Quaternary Elbrus Volcano (Greater Caucasus) experienced long (approximately 200 ka) discrete evolution with protracted periods of igneous quiescence (approximately 50 ka) between large-scale eruptions. Volcanic activity of Elbrus is subdivided into three phases: Middle Neopleistocene (225-170 ka), Late Neopleistocene (110-70 ka), and Late Neopleistocene - Holocene (earlier than 35 ka). Petrogeochemical and isotope (Sr-Nd-Pb) signatures of Elbrus lavas point to their mantle-crustal origin. It was shown that hybrid parental magmas of the volcano formed due to mixing and/or contamination of deep-seated mantle melts by Paleozoic upper crustal material of the Greater Caucasus. Mantle reservoir that participated in genesis of Elbrus lavas as well as most other Neogene-Quaternary magmatic rocks of Caucasus was represented by the lower mantle "Caucasus" source. Primary melts generated by this source in composition corresponded to K-Na subalkali basalts with the following isotopic characteristics: 87Sr/86Sr = 0.7041+/-0.0001, e-Nd = +4.1+/-0.2, 147Sm/144Nd = 0.105-0.114, 206Pb/204Pb = 18.72, 207Pb/204Pb = 15.62, and 208Pb/204Pb = 38.78. Temporal evolution of isotope characteristics for lavas of the Elbrus Volcano is well described by a Sr-Nd mixing hyperbole between "Caucasus" source and estimated average composition of the Paleozoic upper crust of the Greater Caucasus. It was shown that, with time, proportions of mantle material in parental magmas of Elbrus gently increased: from ~60% at the Middle-Neopleistocene phase of activity to ~80% at the Late Neopleistocene - Holocene phase, which indicates an increase of activity of a deep-seated source at decreasing input of crustal melts or contamination with time. Unraveled evolution of the volcano with discrete eruption events, lacking signs of cessation of the Late Neopleistocene - Holocene phase, increasing contribution of the deep-seated mantle source in genesis of Elbrus lavas with time as deduced from isotope-geochemical data, as well as numerous geophysical and geological evidence indicate that Elbrus is a potentially active volcano and its eruptions may be resumed. Possible scenarios were proposed for evolution of the volcano, if its eruptive activity continued.

Age model and sediment description of DSDP Hole 90-594, Chatham Ridge east of New Zealand

Detailed sedimentological investigations were performed on sediments from DSDP-Site 594 (Chatham Rise, east of New Zealand) in order to reconstruct the evolution of paleoclimate and paleoceanographic conditions in the Southwest Pacific during the last 6 million years. The results can be summarized as follows: (1) High accumulation rates of biogenic opal and carbonate and the dominance of smectites in the clay fraction suggest increased oceanic productivity and an equable dominantly humid climate during the late Miocene. (2) During Pliocene times, decreasing contents of smectites and increasing feldspar/quartz ratios point to an aridification in the source area of the terrigenous sediments, culmunating near 2.5 Ma. At that time, accumulation rates of terrigenous components distinctly increased probably caused by increased sediment supply due to intensified atmospheric and oceanic circulation, lowered sea level, and decreased vegetation cover. (3) A hiatus (1.45 to 0.73 Ma) suggests intensified intermediate-water circulation. (4) Major glacial/interglacial cycles characterize the upper 0.73 Ma. During glacial times, oceanic productivity and terrigenous sediment supply was distinctly increased because of intensified atmospheric and oceanic circulations and lowered sea level, whereas during interglacials productivity and terrigenous sediment supply were reduced. (5) An increased content of amphibols in the sediments of Site 594 indicates increased volcanic activities during the last 4.25 Ma.

Mineraly of oceanic crust from the Kane Transform, Mid-Atlantic Ridge

Gabbroic cumulates drilled south of the Kane Transform Fault on the slow-spread Mid-Atlantic Ridge preserve up to three discrete magnetization components. Here we use absolute age constraints derived from the paleomagnetic data to develop a model for the magmatic construction of this section of the lower oceanic crust. By comparing the paleomagnetic data with mineral compositions, and based on thermal models of local reheating, we infer that magmas that began crystallizing in the upper mantle intruded into the lower oceanic crust and formed meter-scale sills. Some of these magmas were crystal-laden and the subsequent expulsion of interstitial liquid from them produced '"cumulus" sills. These small-scale magmatic injections took place over at least 210 000 years and at distances of ~3 km from the ridge axis and may have formed much of the lower crust. This model explains many of the complexities described in this area and can be used to help understand the general formation of oceanic crust at slow-spread ridges.

Grain size percentiles and Mk values of coastal sediments from Schleswig Holstein, western Baltic Sea

In einer Fülle sedimentpetrographischer Arbeiten wird versucht, aus der Korngrößenverteilung und der Mineralzusammensetzung von Sanden Schlüsse auf ihre Herkunft, ihre Transportrichtung oder ihr Ablagerungsmilieu abzuleiten, die für die Lösung geologischer und ebenso auch wasserbaulicher Probleme nötig sind. Diese Literatur steckt noch voller Widersprüche und Fehlschlüsse. In der vorliegenden Arbeit wird daher versucht, den Mechanismus des Sandtransports vom Grundsätzlichen her besser verständlich zu machen. Das geschieht anhand zweier ausgewählter und eingehend untersuchter Beispiele aus dem Küstenbereich der westlichen Ostsee unter Einbeziehung der Erfahrungen an vielen Vergleichsproben aus verschiedensten Sedimentationsräumen. Unentbehrlich für das Verständnis der transportbedingten Veränderungen an den Sanden ist das sog. 'Äquivalenzprinzip' (Abschnitt 2). Es stellt fest, daß es in einem von einer Strömung transportierten Sediment immer Körner zwar verschiedener Korngröße, aber auch entsprechend verschiedener Dichte und/oder Kornform gibt, die miteinander transportiert und abgelagert werden, weil unter den herrschenden hydraulischen Bedingungen diese Eigenschaften einander voll kompensieren. In Abschnitt 3 wird kurz die von Rittenhouse angegebene Methode geschildert, mit der man an natürlichen Sedimenten unter der sehr allgemein gehaltenen 'Äquivalenzbedingung' gleicher Transportierbarkeit bestimmen kann, welches Korngrößenverhältnis ein bestimmtes Verhältnis der Dichten kompensieren kann. Die von Rittenhouse am Beispiel von Flußsanden gefundene Funktion zwischen der Dichte der Körner und ihrem Äquivalenzverhältnis gegen Quarzkörner wird hier als erste Näherung auch für die Transportverhältnisse von Strandsanden zugrunde gelegt. In Abschnitt 6 wird gezeigt, daß das auch gerechtfertigt ist. In Abschnitt 4 wird eine allgemein brauchbare Methode abgeleitet, mit der man nicht nur unter stark vereinfachenden Annahmen, sondern auch an Sanden mit realen, stets komplexen Korn-größenverteilungen die Folgen des Äquivalenzprinzips für die Verteilung von Mineralen verschiedener Dichte berechnen kann. Für jede Serie von Sanden, deren Korngrößenverteilungen entlang des Transportweges eine bestimmte, von den Transportbedingungen abhängige Entwicklung durchmachen, ergibt sich damit eine Kurvenschar, die beschreibt, wie sich die Mengen von Mineralien mit verschiedenen Dichten in den einzelnen Korngrößenklassen dabei ändern müßten, vorausgesetzt, daß sie im gesamten Korngrößenbereich gleich verfügbar wären. Diese Kurvenschar ist die 'Charakteristik' des betreffenden Transportfalles. Durch den Vergleich zwischen den nach der Charakteristik in den einzelnen Klassen zu erwartenden Mineralmengen mit den in dem betrachteten Transportfall tatsächlich gefundenen läßt sich deren relative, d. h. auf die Menge des Quarzes bezogene 'Verfügbarkeit' berechnen. Sie wird durch die sog. 'hydraulischen Verhältnisse' (Rittenhouse) ausgedrückt, die im Gegensatz zu den 'Klassenverhältnissen' von der Korngrößensonderung beim Transport unabhängig und nur von der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials bestimmt sind, solange beim Transport allein das Äquivalenzprinzip wirksam ist. In den untersuchten Fällen von Sandtransport an zwei Strandabschnitten der westlichen Ostsee (Abschnitt 5) zeigte dieser Vergleich (Abschnitt 6), daß die beobachtete Verteilung von Schwermineralen nicht allein durch Transportsonderung unter Gültigkeit des Äquivalenzprinzips erklärt werden kann, sondern daß dabei offenbar auch mechanische Zerkleinerung der Körner während des Transports mitgewirkt haben muß. Nur ein solcher, von der Transportsonderung unabhängiger Effekt kann als Transportrichtungs-Kriterium benutzt werden, wenn die Entwicklung der Korngrößenverteilungen allein keine Entscheidung erlaubt. Wie die Beispiele zeigen, läßt sich Klarheit über die bisher noch sehr umstrittene Frage nach dem Ausmaß der transportbedingten mechanischen Zerkleinerung von Sandkörnern nur gewannen, wenn in Zukunft versucht wird, bei der Bearbeitung natürlicher Beispiele den Einfluß der stets vorhandenen Transportsonderung auf Veränderungen des Mineralbestandes unter Anwendung des Äquivalenzprinzips rechnerisch auszuschalten. Über dieses wesentlichste Ergebnis hinaus erlauben die dargestellten Zusammenhänge auch eine kritische Stellungnahme zu den oben erwähnten allgemeinen Problemen und führen zu methodischen und sachlichen Verbesserungsvorschlägen für weitere Untersuchungen an klastischen Sedimenten.

Sediment composition in NE Greenland Fjords, Shelf, and Slope

In order to document changes in Holocene glacier extent and activity in NE Greenland (~73° N) we study marine sediment records that extend from the fjords (PS2631 and PS2640), across the shelf (PS2623 and PS2641), to the Greenland Sea (JM07-174GC). The primary bedrock geology of the source areas is the Caledonian sediment outcrop, including Devonian red beds, plus early Neoproterozoic gneisses and early Tertiary volcanics. We examine the variations in colour (CIE*), grain size, and bulk mineralogy (from X-ray diffraction of the <2 mm sediment fraction). Fjord core PS2640 in Sofia Sund, with a marked red hue, is distinct in grain size, colour and mineralogy from the other fjord and shelf cores. Five distinct grain-size modes are distinguished of which only one is associated with a coarse ice-rafting signal - this mode is rare in the mid- and late Holocene. A sediment unmixing program (SedUnMixMC) is used to characterize down-core changes in sediment composition based on the upper late Holocene sediments from cores PS2640 (Sofia Sund), PS2631 (Kaiser Franz Joseph Fjord) and PS2623 (south of Shannon Is), and surface samples from the Kara Sea (as an indicator of transport from the Russian Arctic shelves). Major changes in mineral composition are noted in all cores with possible coeval shifts centred c. 2.5, 4.5 and 7.5 cal. ka BP (±0.5 ka) but are rarely linked with changes in the grain-size spectra. Coarse IRD (>2 mm) and IRD-grain-size spectra are rare in the last 9-10 cal. ka BP and, in contrast with areas farther south (~68° N), there is no distinct IRD signal at the onset of neoglaciation. Our paper demonstrates the importance of the quantitative analysis of sediment properties in clarifying source to sink changes in glacial marine environments.