Benthic environmental responses to climatic changes during the late Quaternary: a micropalaeontological and geochemical approach

Abstract

There is a limited understanding of how the benthic environment within upwelling regions responded to past rapid climatic changes. Within this thesis, a

multiproxy approach is applied to two marine sediment cores from two coastal upwelling sites in the low latitude subtropical Atlantic. With a focus on benthic

foraminiferal faunal analyses, the response of the benthic environment to rapid climatic changes and the degree of coupling with surface primary production

was reconstructed for the last 35 ka for the Mauritanian upwelling system and 70 ka for the Benguela upwelling system.

Benthic foraminiferal faunal composition shifts occurred within both records, in the case of the Mauritanian upwelling site four shifts occurred: during late

MIS3 (35-28 ka), across Heinrich event 2 and the Last Glacial Maximum (28 to 19 ka), throughout Heinrich event 1, the Bølling Allerød and the Younger Dryas

(18-11.5 ka) and throughout the Holocene (11 ka – present). From the Benguela Upwelling System, six benthic foraminiferal assemblages were documented

within the record: the first two during MIS4 and early MIS3 (70-59 and 59-40 ka), late MIS3 (40-30 ka), early-late MIS2 (30-16 ka), the termination of MIS2

to the onset of MIS1 (16 – 12 ka) and the Holocene (12 ka - present).

Perhaps the most striking finding from both records was the abundance of low oxygen tolerant benthic foraminiferal species Eubuliminella exilis being so tightly

correlated with diatom accumulation rate. From this coupling, low oxygen conditions at the seafloor were inferred to be caused by extreme levels of productivity

export which actually hindered the benthos in terms of benthic foraminiferal diversity and accumulation rate; during Heinrich Event 1 and the Younger Dryas

within the Mauritanian upwelling system and during late MIS4 and MIS3 within the Benguela upwelling system.

In conclusion, major changes in deep-sea benthic foraminiferal faunas over the late Quaternary were attributed not only to upwelling intensity influenced by

trade wind strength but also a complex balance between surface water productivity, sea level and deep water circulation. Therefore, this thesis demonstrates the

rapidity of the benthic environmental response to these factors induced by global scale climatic change.

To investigate the interplay between the surface and bottom water o further, a geochemical approach using the elemental composition of foraminiferal shells

(tests) to develop a proxy of bottom water oxygen content was undertaken. The analytical methods of Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) and Flow-

Through Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (FT-ICP-OES) were used to measure redox sensitive element manganese (Mn) and

the results indicate that foraminiferal Mn/Ca in might prove to be a valuable proxy for oxygen in the bottom and pore waters when influenced by different

productivity regimes.

Lastly this thesis explores the concept of size fractions used for benthic foraminiferal analyses. By performing size fraction studies on samples from the Benguela

record and reviewing the literature, an underrepresentation of opportunistic taxa such as Epistominella exigua occurred when the finer (>63-125 μm) fraction was

not analysed. However, the relative abundances of the benthic foraminiferal species does not alter sufficiently and therefore the palaeoecological interpretation

does not change within this specific record.

Overall, the findings within this thesis contribute to a gap in the knowledge regarding the seafloor responses to surface productivity dynamics during rapid

climate changes, which need to be better understood in order to comprehend upwelling regions and predict future benthic environmental changes.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Genom att använda marina sedimentkärnor från havbotten kan vi dyka ner i forna tiders hav och förstå hur klimat och havsmiljö har utvecklats över tid. Sedimenten och dess innehåll av olika mikrofossil utgör ett fantastiskt miljöarkiv och ju längre ner i sedimenten vi kommer desto äldre är de vanligtvis. I mitt doktorandprojekt har jag studerat marina sediment från kusten utanför NV och SV Afrika, och då särskilt med avseende på en mikrofossil grupp som heter foraminiferer, detta för att bättre förstå hur havsmiljön i dessa områden har utvecklats de senaste 70 000 åren.

Kustområdena utanför Mauretanien, NV Afrika och Namibia, SV Afrika kännetecknas av väldigt rikt fiske och hög produktivitet, dvs. det finns gott om näring i havsvattnet, mycket växtplankton och olika slags organismer. Detta beror på att kustområdena är uppvällningsområden där kallt, näringsrikt vatten från större djup kommer nära ytan. Uppvällningsområden utgör en försvinnande liten del av världshavens yta men har stor socioekonomisk betydelse bland annat för fiskeindustrin. Dessutom är uppvällningsområden en viktig del i den globala kolcykeln just därför att deras produktivitet är så hög. Men har det alltid varit så? Och hur var produktionen under andra tidsperioder när klimatet var annorlunda än vad vi har idag? Kan vi använda kunskap om forna tiders havsmiljö för att förstå pågående och framtida miljö- och klimatförändringar?

Jag har bidragit till ökad förståelse kring just kring de frågorna genom att, tillsammans med mina kollegor, studera en rad olika mikrofossil och deras geokemiska sammansättning från sedimentkärnor från uppvällningsområden. Jag har använt mig av foraminiferer, vilka är encelliga organismer som ofta har ett skal av kalk. Olika arter trivs i olika miljöer vilket kan ge viktiga ledtrådar om forna tiders hav. Dessutom gör kalkskalen att de bevaras väldigt väl i sedimenten. Århundranden efter århundraden ansamlas de i bottensedimenten och vi kan använda dem för att förstå exempelvis hur produktivet i ytvattnet och syreförhållanden i bottenvattnet har varierat. Dessutom kan vi använda skalens geokemiska sammansättning och olika isotoper för att bestämma exempel temperatur i omgivande havsvatten. Foraminiferer fungerar i det fallet som en slags minitermometrar som har spelat in forna tiders havstemperaturer.

Jag kan konstatera att både utanför Mauretanien och utanför Namibia har bottenmiljön varierat avsevärt under de senaste 70 000 åren, vi kan se det genom att foraminiferernas artsammansättning har varierat kraftigt. Dessa variationer stämmer ganska så väl i tid med när vi har andra dokumenterade klimatförändringar. Förändringarna på havsbotten kan vi koppla till variationer i ytvattnets produktion, främst mängden kiselalger - diatoméer. Hur mycket kiselalger som produceras beror i sin tur på hur intensiv uppvällningen är, dvs. hur mycket kallt och näringsrikt vatten som kommer upp nära ytan. Andra faktorer som kan ha spelat roll är havsnivå förändringar vilket i sin tur styrs av omfattningen av inlandsisars utbredning.

Från både områdena gjorde jag en mycket spännande upptäckt: att särskilt en bottenlevande foraminiferart Eubuliminella exilis förekom i stora mängder under tider när mängden diatoméer var mycket stor. Eubuliminella exilis verkar gilla diatoméer som mat överallt annat. Däremot minskade de flesta andra foraminiferarter i stor omfattning under samma tidsperiod. Det är mycket möjligt att mängden organiskt material från diatoméer var så stor att den orsakade syrebrist på havsbotten, genom att syre konsumeras när organiskt material ska brytas ner. Detta är särskilt tydligt under perioder med snabba klimatförändringar som exempelvis under Yngre Dryas, vilket är en kortvarig kall period på norra halvklotet, i Mauretaniens uppvällningssystem och under slutet av marin isotop stadie 3 och 4, vilket är omväxlande varma och kalla perioder i jordens tidigare klimat, inom uppvällning systemet utanför Namibia.

Jag ville fortsätta att undersöka de låga syreförhållandena och även utveckla nya metoder och det ledde mig in på spåret Mangan (Mn) och Calcium (Ca) kvoter i foraminiferernas skal. Vi analyserade Mn/Ca i skalen genom att använda avancerad mätutrustning och vi kan konstatera att högre Mn koncentrationer uppmättes under perioder med större mängd kiselalger och större andel av foraminiferer som tål låga syrgashalter i bottenvattnet. Jag vill fortsätta att utveckla den här metoden som en indikator för att återskapa tidigare bottenvattenförhållanden då särskilt med avseende på syrgasförhållanden.

Min avhandling visar på hur tätt kopplat sambanden är mellan ytvatten- och bottenmiljön, även när vattendjupet är flera tusen meter samtidigt som det är mycket komplexa system. Avhandlingen lyfter även fram betydelsen att studera flera olika variabler samtidigt för att bättre förstå hur havsmiljö och klimat har varierat över tid.

• author: McKay, Claire
• supervisor: Helena Filipsson
• opponent: Professor Seidenkrantz, Marit-Solveig, University of Aarhus, Denmark
• organization: Quaternary Sciences
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: late Quaternary, rapid climate change, Benguela, Mauritania, productivity, upwelling, benthic foraminifera
• in: Lundqua thesis
• issue: 77
• pages: 106 pages
• defense location: Pangea, Geocentrum II
• defense date: 2015-06-05 13:15:00
• external identifiers: scopus:84931082054
• ISSN: 0281-3033
• ISSN: 0281-3033
• ISBN: 978-91-87847-03-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 8529394c-385b-413e-98c8-4ac5f0321d09 (old id 5384001)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:45:36
• date last changed: 2022-01-28 02:25:44