Advanced

Manganese cycling in the Baltic Sea over the last ~8000 years: the influence of redox conditions on mineral formation and burial

Lenz, Conny LU (2015) In LUNDQUA Thesis 78
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Östersjön är ett av världens största brackvattenhav och har stora miljömässiga problem orsakade av övergödning och varmare klimat. Det mer saltrika bottenvattnet som flödar in genom en smal förbindelse med Nordsjön skiljs från ytvattnet av en haloklin, vilket förhindrar ett utbyte av syre mellan de två vattenmassorna. Tillförsel av näring och ett varmare klimat leder till en ökad primärproduktion, och överskottet av organiskt material resulterar i en högre syreförbrukning i vattnet. Detta leder följaktligen till förekomsten av omfattande syrebrist i bottenvattnet. Även om den nuvarande spridningen av hypoxi mestadels är orsakat genom inverkan av mänsklig aktivitet på markområden omkring Östersjön... (More)
Popular Abstract in Swedish

Östersjön är ett av världens största brackvattenhav och har stora miljömässiga problem orsakade av övergödning och varmare klimat. Det mer saltrika bottenvattnet som flödar in genom en smal förbindelse med Nordsjön skiljs från ytvattnet av en haloklin, vilket förhindrar ett utbyte av syre mellan de två vattenmassorna. Tillförsel av näring och ett varmare klimat leder till en ökad primärproduktion, och överskottet av organiskt material resulterar i en högre syreförbrukning i vattnet. Detta leder följaktligen till förekomsten av omfattande syrebrist i bottenvattnet. Även om den nuvarande spridningen av hypoxi mestadels är orsakat genom inverkan av mänsklig aktivitet på markområden omkring Östersjön så har hypoxi periodvis förekommit tidigare. Efter övergången från Ancylussjön, som var ett sötvattenstadium, till Littorinahavet med brack/marint vatten för ungefär 8,000 år sedan har Östersjön upplevt tre stora perioder av hypoxi i bottenvattnet. Dessa perioder inträffade i samband med varmare klimat under det Holocena klimatoptimumet (Holocene Thermal Maximum, HTM), den medeltida värmeperioden (Medieval Climate Anomaly, MCA) och under de senaste årtiondena.

Denna studie visar att dessa perioder med hypoxi hade stor påverkan på den redox-beroende dynamiken av mangan (Mn). Tidigare studier har kopplat samman förekomsten av Mn-anrikningar i de mycket organiska sedimenten i de djupa anoxiska bassängerna, med kortvariga förändringar i redox-förhållanden i bottenvattnet orsakat av syresatt inflöde av saltvatten från Nordsjön. Däremot indikerar sediment- och porvattendata från den nutida perioden med hypoxi att denna process kan omkullkastas av andra faktorer. I de övre sedimenten från Gotlandsbassängen kan en tydlig minskning av Mn-begravning påvisas trots förekomsten av syresatt vatteninflöde. Denna minskning sammanfaller med en stor expansion av hypoxi samt förekomsten av anoxiska- och sulfidiska bottenvatten, vilket tydligt kan observeras från övervakningsdata och geokemiska proxies från sedimenten, som till exempel molybdenhalter. En ökning av sulfatreduktion till följd av övergödning och en minskad tillförsel av järn (Fe) resulterar i en större tillgång av sulfid i gränsytan mellan sediment och vatten strax efter ett vatteninflöde, vilket orsakar en snabbare reduktiv upplösning av Mn-oxider. Detta kan leda till att Mn-karbonater inte längre bildas. I motsats till de flesta djupbassänger i Östersjön visar den djupaste, Landsortsdjupet, en betydande anrikning av Mn till nutiden. Den branta geometrin kanaliserar Mn-oxider till bassängen, och den höga alkaliniteten och sulfidkoncentration i bottenvattnet vid gränsytan mellan sediment och vatten tillåter frekventa bildningar av Mn-karbonater samt sulfider vid sedimentytan.

Stora mängder Mn begravdes över vidsträckta områden i de djupa bassängerna i Östersjön vid övergången till brackvatten/marina förhållanden för omkring 8,000 år sedan då den första perioden med hypoxi inträffade. Den troliga orsaken är en stor tillförsel av upplöst Mn antingen från de underliggande tidigare syrerika sötvattensedimenten, där Mn-oxider kan ha funnits i ytsedimenten, eller från land genom fluvial transport eller kusterosion vid en period med relativt stora havsnivåförändringar. Efter denna första ansamling minskade begravningen av Mn och varierade med djupet, där ingen begravning inträffade vid det grundaste området som undersöktes (93 m) och den var nästintill konstant i Fårödjupet (194 m). Begravning av Mn skedde under perioder med hypoxi i bottenvattnet i de djupa bassängerna. En intensifiering av hypoxi ledde däremot till en minskad begravning av Mn under de senare delarna av HTM och MCA vilket har observerats under den nutida perioden. I Gotlandsbassängen samt Fårödjupet sammanfaller denna minskning av Mn i sedimenten med indikatorer för ökad hypoxi och sulfidiska bottenvatten.

Resultatet av denna studie visar på ett behov av en förändrad syn på Mn som en indikator för dåtida redox-förhållanden. Studien visar att anoxiska bassänger som Gotlandsbassängen med sin tillfälliga syresättning inte alltid bildar skikt med Mn-karbonater. Utbredningen av hypoxi/anoxi är en viktig faktor i bildningen av dessa skikt som måste betonas. Vidare visar sedimenten i Landsortsdjupet att Mn-mineraler frekvent kan formas i bassänger med permanent anoxi. I dessa är istället höga alkaliniteter och kanalisering av Mn till djupa områden de huvudsakliga faktorerna bakom formationen av Mn-mineraler snarare än att syresättning inträffar. (Less)
Abstract
The Baltic Sea is one of the largest brackish water bodies in the world and is suffering extensive environmental issues caused by eutrophication and warming climate. A halocline in the water column divides more saline bottom water fed by inflows through the narrow connection with the North Sea from the surface waters and inhibiting exchange of oxygen between the two water masses. With the nutrient input and the warmer climate primary productivity is increased and the surplus of organic matter results in higher consumptions of oxygen in the water column. As a consequence widespread oxygen deficiencies occur in the bottom waters. Although the present spreading of hypoxia is mostly caused by the influence of human activity on land surrounding... (More)
The Baltic Sea is one of the largest brackish water bodies in the world and is suffering extensive environmental issues caused by eutrophication and warming climate. A halocline in the water column divides more saline bottom water fed by inflows through the narrow connection with the North Sea from the surface waters and inhibiting exchange of oxygen between the two water masses. With the nutrient input and the warmer climate primary productivity is increased and the surplus of organic matter results in higher consumptions of oxygen in the water column. As a consequence widespread oxygen deficiencies occur in the bottom waters. Although the present spreading of hypoxia is mostly caused by the influence of human activity on land surrounding the Baltic Sea hypoxia has occurred intermittently before. Since the transition from the freshwater Ancylus Lake to the brackish/marine Littorina Sea ca. 8,000 years ago, the Baltic Sea has experienced three major intervals of bottom water hypoxia. These intervals occur in relation with warmer climates during the Holocene Thermal Maximum (HTM), the Medieval Climate Anomaly (MCA) and during the last decades.

This study shows that these hypoxic intervals had a major impact on redox-dependent dynamics of manganese (Mn). Previous studies link the occurrence of Mn enrichments in the high organic sediments of the deep anoxic basins to short time changes in bottom water redox conditions caused by inflows of oxygenated salt water from the North Sea. However, sediment and pore water data of the modern hypoxic interval indicate that this process can be overturned by other factors. In the near surface sediments of the Gotland Basin a clear decline in Mn sequestration can be seen although inflows of oxygenated waters occur. This decline coincides with a major expansion of hypoxia and the occurrence of anoxic, sulfidic bottom waters obvious from monitoring data and sediment geochemical proxies e.g. molybdenum contents. A rise in sulfate reduction due to eutrophication and a decline in Fe input results in higher sulfide availability at the sediment-water-interface shortly after inflows causing a more rapid reductive dissolution of Mn oxides. As a consequence, Mn carbonates may no longer form. In contrast to most deep basins in the Baltic Sea the Landsort Deep as the deepest pit shows major enrichments of Mn to present. The steep geometry channels Mn oxides into the basin and the high alkalinity and sulfide concentration in the bottom waters at the sediment-water-interface allow frequent formation of Mn carbonate as well as sulfides at the sediment surface.

With the transition to brackish/marine conditions ca. 8,000 years ago and the onset of the first hypoxic interval major amounts of Mn were buried over vast areas of the deep Baltic basins. The likely reason is a major input of dissolved Mn either from the underlying formerly oxic fresh-water sediments, where Mn oxides may have been present in the surface sediments or from land by fluvial transport or coastal erosion during a period of rather large relative sea level changes. After this first impulse, Mn burial reduced and varied with depth with no burial at the shallowest site (93 m) investigated and nearly continuous in the Fårö Deep (194 m). Although Mn sequestration occurred during intervals with hypoxic bottom waters in the deep basin, the intensification of hypoxia during the later intervals of the HTM und the MCA as observed during the last decades of the modern interval led to a reduction of Mn burial. In the Gotland Basin as well as at the Fårö Deep this decline in Mn content in the sediments coincides with indicators for enhanced hypoxia and euxinic bottom waters. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Prof. Brumsack, Hans-Jürgen, ICBM Oldenburg, Germany
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Baltic Sea, sediments, hypoxia, redox conditions, manganese
in
LUNDQUA Thesis 78
pages
30 pages
publisher
Department of Geology, Lund University
defense location
Pangea, Geocentrum II, Sölvegatan 12
defense date
2015-10-30 13:15
ISBN
978-91-87847-09-7
language
English
LU publication?
yes
id
69d22f9c-76c2-458c-8016-5ebbce479214 (old id 8051689)
date added to LUP
2015-10-16 17:12:14
date last changed
2016-09-19 08:45:12
@phdthesis{69d22f9c-76c2-458c-8016-5ebbce479214,
  abstract     = {The Baltic Sea is one of the largest brackish water bodies in the world and is suffering extensive environmental issues caused by eutrophication and warming climate. A halocline in the water column divides more saline bottom water fed by inflows through the narrow connection with the North Sea from the surface waters and inhibiting exchange of oxygen between the two water masses. With the nutrient input and the warmer climate primary productivity is increased and the surplus of organic matter results in higher consumptions of oxygen in the water column. As a consequence widespread oxygen deficiencies occur in the bottom waters. Although the present spreading of hypoxia is mostly caused by the influence of human activity on land surrounding the Baltic Sea hypoxia has occurred intermittently before. Since the transition from the freshwater Ancylus Lake to the brackish/marine Littorina Sea ca. 8,000 years ago, the Baltic Sea has experienced three major intervals of bottom water hypoxia. These intervals occur in relation with warmer climates during the Holocene Thermal Maximum (HTM), the Medieval Climate Anomaly (MCA) and during the last decades.<br/><br>
This study shows that these hypoxic intervals had a major impact on redox-dependent dynamics of manganese (Mn). Previous studies link the occurrence of Mn enrichments in the high organic sediments of the deep anoxic basins to short time changes in bottom water redox conditions caused by inflows of oxygenated salt water from the North Sea. However, sediment and pore water data of the modern hypoxic interval indicate that this process can be overturned by other factors. In the near surface sediments of the Gotland Basin a clear decline in Mn sequestration can be seen although inflows of oxygenated waters occur. This decline coincides with a major expansion of hypoxia and the occurrence of anoxic, sulfidic bottom waters obvious from monitoring data and sediment geochemical proxies e.g. molybdenum contents. A rise in sulfate reduction due to eutrophication and a decline in Fe input results in higher sulfide availability at the sediment-water-interface shortly after inflows causing a more rapid reductive dissolution of Mn oxides. As a consequence, Mn carbonates may no longer form. In contrast to most deep basins in the Baltic Sea the Landsort Deep as the deepest pit shows major enrichments of Mn to present. The steep geometry channels Mn oxides into the basin and the high alkalinity and sulfide concentration in the bottom waters at the sediment-water-interface allow frequent formation of Mn carbonate as well as sulfides at the sediment surface. <br/><br>
With the transition to brackish/marine conditions ca. 8,000 years ago and the onset of the first hypoxic interval major amounts of Mn were buried over vast areas of the deep Baltic basins. The likely reason is a major input of dissolved Mn either from the underlying formerly oxic fresh-water sediments, where Mn oxides may have been present in the surface sediments or from land by fluvial transport or coastal erosion during a period of rather large relative sea level changes. After this first impulse, Mn burial reduced and varied with depth with no burial at the shallowest site (93 m) investigated and nearly continuous in the Fårö Deep (194 m). Although Mn sequestration occurred during intervals with hypoxic bottom waters in the deep basin, the intensification of hypoxia during the later intervals of the HTM und the MCA as observed during the last decades of the modern interval led to a reduction of Mn burial. In the Gotland Basin as well as at the Fårö Deep this decline in Mn content in the sediments coincides with indicators for enhanced hypoxia and euxinic bottom waters.},
  author       = {Lenz, Conny},
  isbn         = {978-91-87847-09-7},
  keyword      = {Baltic Sea,sediments,hypoxia,redox conditions,manganese},
  language     = {eng},
  pages        = {30},
  publisher    = {Department of Geology, Lund University},
  school       = {Lund University},
  series       = {LUNDQUA Thesis 78},
  title        = {Manganese cycling in the Baltic Sea over the last ~8000 years: the influence of redox conditions on mineral formation and burial},
  year         = {2015},
}