Testing palaeomagnetic and 14C based geochronological methods in the Baltic Sea

Abstract

The Baltic Sea is a continental shelf sea that is influenced by both river runoff and marine water. The two water masses are vertically stratified in the Baltic Sea, resulting in a positive, estuarine circulation system, which has undergone changes in the past due to isostatic uplift of the Baltic basin. For researchers to understand past changes in the marine environment of the Baltic Sea, a sound geochronology is of utmost importance. Radiocarbon (14C) dating, a common age proxy method employed for Holocene marine sediments, is difficult to carry out in the Baltic Sea. There is a lack of suitable macrofossils for 14C dating, due to the prevalence of anoxic bottom waters in the deeper parts of the Baltic Sea, which, together with low alkalinity and salinity, precludes the necessary environmental conditions required for higher order organisms to thrive. Furthermore, the temporally dynamic estuarine circulation of the sea, combined with multiple input sources of marine and terrestrial carbon, means that there is uncertainty surrounding spatial and temporal trends in the 14C reservoir age, or R(t). In this thesis, an alternative geochronological method, namely palaeomagnetic secular variation (PSV), is carried out on Baltic Sea sediments, and its suitability for different Baltic Sea sediment types is considered. A PSV age model for the period 6.3 – 1.3 cal ka BP was successfully constructed for the Gotland Deep region of the Baltic Sea by matching PSV features shared with the Fennostack PSV master curve for Fennoscandia (Snowball et al., 2007). The PSV age model was augmented by Pb isochrones based on reconstructions of atmospheric Pb pollution. 14C determinations carried out on foraminifera, compared to the PSV age model, infer a decrease in reservoir age throughout the Holocene, possibly due to a reduction in 14Cmarine influence due to isostatically induced shallowing of the Baltic Sea. Spatial variation in R(t) was reconstructed by 14C dating museum collection shell samples from a salinity transect of the Baltic Sea. A hard-water effect was found to influence R(t) in coastal regions near land carbonate bearing bedrock. When these hard-water locations are disregarded, and the Macoma mollusc is exclusively considered, in order to exclude species-specific R(t) effects, statistically significant relationships are found for R(t) vs. salinity and for R(t) vs. δ18Oshell. These relationships suggest that R(t) in locations free of hard-water can be explained using a basic two end-member mixing model comprising of 14Cmarine and 14Crunoff. Lastly, this thesis explores PSV records from deglacial (14-10 cal ka BP) sediments from across Fennoscandia, including new data from the Baltic Sea. These PSV records are critically evaluated and geochronologies are updated where necessary. Three sites are subsequently selected and included in a deglacial PSV master curve, which will serve as a new PSV dating tool for Fennoscandian deglacial sediments. Additionally, when this deglacial PSV master curve is combined with the existing Holocene Fennostack PSV master curve, recurring periods of steep inclination in Fennoscandia for the past 14 ka are found, consistent with a 1350 yr period cyclical behaviour in geomagnetic pole movement previously hypothesised for the Holocene by Nilsson et al. (2011).

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Östersjön är ett grundhav med tillförsel av saltvatten från havet och sötvatten från omgivande floder. De två vattenmassorna är vertikalt skiktade, vilket resulterar i en estuarin cirkulation, vilken har genomgått stora förändringar till följd av landhöjningen efter senaste nedisningen. För att kunna rekonstruera havsmiljöers förändringar bakåt i tiden är det nödvändigt att använda pålitliga kronologiska metoder. I Östersjön är det dock problematiskt att använda kol-14 analys, vilket är den vanligaste metoden för att datera holocena marina sediment. I de djupare delarna av Östersjön saknas ofta lämpliga makrofossil för kol-14 analys, främst på grund av låg syrehalt, alkalinitet och salthalt, vilket förhindrar tillväxt av högre organismer. Dessutom har cirkulationen i Östersjön förändrats genom tiden och kol tillförs från många olika källor, vilket gör att reservoaråldern, R(t), har varierat, både temporalt och rumsligt.



I denna avhandling används och utvärderas en alternativ dateringsmetod baserad på hur förändringarna i jordens magnetfält (Palaeomagnetic secular variation, PSV) har registrerats i olika sedimenttyper från Östersjön. Genom att jämföra PSV-data med referenskurvan för Fennoskandia (Fennostack PSV master curve, Snowball et al., 2007) konstruerades en ålders/djup-modell för perioden 6300-1300 år före nutid för Gotlandsdjup-området. Denna modell validerades med s k bly-isokroner, vilka baseras på åldersbestämda atmosfäriska föroreningar. Därefter jämfördes kol-14 åldrar från foraminiferer med den PSV-baserade ålders/djup-modellen för att rekonstruera hur reservoaråldern har förändrats över tid. Jämförelsen visar att reservoaråldern har minskat successivt med tiden, vilket kan förklaras genom minskad tillförsel av kol-14 från havet, då landhöjningen har skapat ett allt grundare Östersjö-innanhav. Den rumsliga variationen av R(t) rekonstruerades genom att använda kol-14-dateringar på skal från museer, insamlade från 30 olika platser i Östersjön och längs en transekt baserad på salthaltsförändringar. Dessa analyser visar att R(t) påverkas av en hårdvatteneffekt i kustnära områden med karbonatberggrund. Emellertid, om man bortser från dessa hårdvattenområden och bara använder ett mollusksläkte (Macoma), för att kunna exkludera artspecifik påverkan på R(t), kan man finna ett statistiskt samband mellan R(t) och salinitet, samt mellan R(t) och δ18O i skal. Detta tyder på att R(t) kan förklaras genom en enkel modell med två ändled, dvs hur vattnet blandas mellan kol-14 från havet och kol-14 från floder.



I denna avhandling undersöktes också tidigare undersökta PSV-data från sediment med senglacial och tidig holocen ålder (14000-10000 år före nutid) i Fennoskandia, inklusive nya data från Östersjön. Dessa studier utvärderades och i några fall uppdaterades åldersbestämningarna. Därefter valdes tre sedimentsekvenser ut och kombinerades till en ny referenskurva för senglacial och tidig holocen tid, vilken kan användas som ett nytt dateringsverktyg. Dessutom, om man kombinerar den nya referenskurvan för PSV med den redan existerande referenskurvan Fennostack för holocen tid, kan man se återkommande perioder med brant inklination i Fennoskandia under de senaste 14000 åren. Resultaten visar en periodicitet på ca 1350 år, vilket motsvarar periodiciteten på den magnetiska polens rörelser enligt Nilsson et al. (2011).

• author: Lougheed, Bryan
• supervisor: Ian Snowball
• opponent: Dr. Austin, William, School of Geography and Geosciences, University of St. Andrews, Scotland
• organization: Quaternary Sciences
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: Baltic Sea, coastal, geochronology, palaeomagnetic secular variation, PSV, radiocarbon, 14C, reservoir age, R(t), ΔR, salinity, δ18O, geomagnetic field, Holocene, deglacial, Fennoscandia.
• in: Lundqua thesis
• issue: 69
• pages: 36 pages
• defense location: Pangea, Department of Geology, Geocentrum II, Sölvegatan 12, 22362 Lund
• defense date: 2013-06-14 13:15:00
• ISSN: 0281-3033
• ISBN: 978-91-86746-85-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 5d11b9cf-5fb4-49f3-8aa1-93b7a1e6084a (old id 3787514)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:02:17
• date last changed: 2018-11-21 20:56:21