11 Marine Geophysik
Ozean und Klima
Paläorekonstruktion von Ozean- und Klimabedingungen
Forscher: Shettima Bukar, Thomas Frederichs, Tilo von Dobeneck
Methoden: Umweltmagnetik, Magnetostratigraphie, Kernlogging, Sedimentologie
Projekte: MARUM Projekte OC2, SD2, INOPEX, IODP, EUROPROX

Themen: Änderungen der Klimabedingungen, der Ozeanzirkulation und der Sedimentmilieus verändern in der Regel die Zusammensetzung und Korngrößenverteilung der Sedimente, die wir am Meeresboden finden. Die von Flüssen, Wind und Strömungen transportierten Sedimente können unterschiedliche Farben, Korngrößen und eine unterschiedliche Zusammensetzung, auch in Bezug auf magnetische Mineralien, aufweisen. Mit gesteinsmagnetischen und physikalischen Eigenschaftsmessungen und kombinierter zyklo- und magnetostratigraphischer Datierung wollen wir die Quellen und die Ablagerungsgeschichte hinsichtlich der klimatischen und ozeanischen Bedingungen rekonstruieren. Zudem geben post-depositionelle Modifikationen der magnetischen Minerale Rückschlüsse auf veränderte Redoxbedingungen im Ozean und in der Sedimentsäule. Unsere Untersuchungen setzen wir in den globalen Kontext, um die verantwortlichen Faktoren und Variationen im Erdsystem auf die Veränderungen der terrestrischen und ozeanischen Umweltbedingungen zu benennen.


Konzeptuelles Modell der stagnierenden glazialen Tiefenventilation des NW Pazifiks, nachgewiesen durch zyklische Magnetitauflösung

Petromagnetismus und Herkunft von Heinrich-Ereignislagen am Südosthang der Grand Banks, Neufundland
Forscher: Shettima Bukar
Projekte: ArcTrain

Überblick: Periodische Massenentladungen von Eisbergen aus dem Laurentiden-Eisschild in den Nordatlantik während der letzten Eiszeit lagerten große Mengen eistransportierten Detritus (IRD) ab, der sich in Sequenzen von typischerweise sechs Heinrich-Lagen mit einer Dicke von jeweils einigen Zehnerzentimetern an allen östlichen Hängen der Grand Banks Schlefes von Neufundland ansammelte. Von der Zusammensetzung her ist bekannt, dass diese IRD-Schichten aus unterschiedlichen Gesteinsanteilen bestehen, die aus verschiedenen, bisher noch nicht klar definierten Grundgebirgsprovinzen des Kanadischen Schildes stammen. Der am häufigsten berichtete Bestandteil ist detritischer Dolomit, aber die gesamte lithologische Bandbreite der IRD ist viel breiter. Gesteinsmagnetische Aufzeichnungen, z.B. magnetische Suszeptibilitätsprotokolle von SE Grand Banks-Kernen, zeigen daher komplexe und sich teilweise wiederholende interne Substrukturen in den Schichten des Heinrich-Ereignisses, die auf unterschiedliche Sukzessionen in der IRD-Lithologie im Verlauf jedes Massenkalbens zurückzuführen sind. Wir untersuchten IRD-Siebfraktionen (1mm - 4cm) des gesamten glazialen Abschnitts (550-1054 cm) des SE Grand Banks Hangschwerekerns GeoB 18530-1, der in 2,3 cm Schritten beprobt wurde. Daraus identifizierten und klassifizierten wir verschiedene IRD-Gesteinsarten sowie monokristalline gesteinsbildende Mineralpartikel, für die wir bisher 24 klar definierte lithologische Kategorien sedimentären, magmatischen und metamorphen Ursprungs aufgestellt haben. Diese erste Identifizierung der IRD-Lithologie erfolgte auf der Grundlage aller verfügbaren visuellen Kriterien, einschließlich Textur (Kristallinität, Korngröße), Farbe und Transluzenz (Mineralogie), Härte und Oberflächenstrukturen (z. B. Spaltbarkeit) unter Verwendung eines Binokularmikroskops. Diese Gesteinsklassifizierung wird nun durch Polarisationslichtmikroskopie von exemplarischen Dünnschliffen, die von größeren IRD-Klasten erstellt wurden, untermauert.

Repräsentative Beispiele für 24 identifizierte IRD Gesteine und Minerale

Plio-Pleistozänes Klima von und Ozeanographie vor Ostafrika (abgeschlossen)
Forscher: Janna Just
Projekte: IODP Exp 361 (Southern African Climates), DFG SFB 806

Überblick: Für Südostafrika und den SW-Indischen Ozean gibt es keine paläoklimatischen Aufzeichnungen, die 1,5 Ma überschreiten, obwohl diese Region eine wesentliche Bedeutung für die Evolution und Umweltanpassung der frühen Homininen hat, die im Pliozän begann. Um diese Lücke zu schließen, werden Sedimentkerne, die im Rahmen der IODP Expedition 361 gewonnen wurden, zur Untersuchung der paläoklimatischen und paläoozeanographischen Bedingungen während der pliozänen Warmzeit und bis ins Pleistozän hinein mit der dominanten glazial-interglazialen Variabilität, die am Übergang vom mittleren zum mittleren Pleistozän eingeleitet wurde, verwendet. Insbesondere Veränderungen der magnetischen Mineralkonzentration und der Mineralassemblage zusammen mit anderen sedimentologischen Eigenschaften der Sedimentkerne geben Aufschluss über kontinentale Verwitterungsbedingungen und Transportmechanismen von terrigenem Material zu den Entnahmestellen sowie über die Prozesse nach der Ablagerung. Die Untersuchung wird dabei Informationen über das kontinentale Klima, die variierende Oberflächen- und Tiefenwasserströmungsstärke und die Chemie liefern. Der Vergleich von marinen und kontinentalen Umweltbedingungen ermöglicht es, Telekonnektionen zwischen diesen beiden Umgebungen und den möglichen Einfluss auf die Evolution der frühen Homininen in Ostafrika zu verstehen.
Ausgewählte Publikationen:

Viehberg F., Just J., Dean J., Wagner B., Franz S., Klasen N., Kleinen T., Ludwig P., Asrat A., Lamb H., Leng M., Rethemeyer J., Milodowski A., Claussen M., Schäbitz F. (2018)
Environmental change during MIS4 and MIS 3 opened corridors in the Horn of Africa for Homo sapiens expansion
Quaternary Science Reviews, 202, 139 - 153
doi: 10.1016/j.quascirev.2018.09.008

Just J., Schefuß E., Kuhlmann H., Stuut J., Pätzold J. (2014)
Climate induced sub-basin source-area shifts of Zambezi River sediments over the past 17 ka
Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 410, 190 - 199
doi: 10.1016/j.palaeo.2014.05.045

Glaziale Fe3O4-Lösung, O2-Mangel und C-Sequestrierung im tiefen NW Pazifik (abgeschlossen)
Forscher: Lucia Korff, Tilo von Dobeneck, Thomas Frederichs, Wanzhang Wang
Projekt: SO202-INOPEX

Überblick: Das karbonatfreie Abyssal im NW-Pazifik entzieht sich vielen paläozeanographischen Methoden und ist daher ein "weißer Fleck" in der Ozeangeschichte. Wir kombinierten paläo- und gesteinsmagnetische, geochemische und sedimentologische Methoden um sieben NW-pazifische Sedimentkerne der SO202-INOPEX Expedition in 2009 aus 5100-5700 m Wassertiefe zu datieren und analysieren. Deren herausragendes Merkmal sind nahezu magnetitfreie Zonen, die mit den (glazialen) Sauerstoffisotopenstadien 22, 12, 10, 8, 6 und 2 korrespondieren. In den Interglazialen und Glazialen 20, 18, 16 und 14 ist der detritische, vulkanische und biogene Magnetit sehr gut erhalten. Solche Wechselfolgen von Magnetiterhaltung und -auflösung sind aus Sapropel-Mergel-Zyklen bekannt, die sich unter periodisch ändernden Redoxbedingungen ablagerten. Der einzig vorstellbare Mechanismus für derart abrupten Änderungen der Sauerstoffzufuhr im offenen Ozean ist eine modifizierte glaziale Bodenwasserzirkulation. In allen Hauptglazialen seit MIS 12 scheint stagnierendes, sauerstoff-armes Antarktisches Bodenwasser in das abyssale NW-pazifische Becken eingedrungen zu sein. Dies änderte die Redoxbedingungen im Sediment und ermöglichte die Sequestrierung von gelöstem und partikulärem Kohlenstoff, der wiederum mit Magnetit reagierte. Im Deglazial sorgte die absteigende Oxidationsfront für Remineralisierung und Freisetzung des gespeicherten Kohlenstoffs ohne die Magnetitverluste zu regenerieren.
Ausgewählte Publikationen:

Korff L., von Dobeneck T., Frederichs T., Kasten S., Kuhn G., Gersonde R., Diekmann B. (2016)
Cyclic magnetite dissolution in Pleistocene sediments of the abyssal Northwest Pacific Ocean: evidence for glacial oxygen depletion and carbon trapping
Paleoceanography, 31, 600 - 624
doi: 10.1002/2015PA002882

Staubige Heinrichstadiale in NW Afrika (abgeschlossen)
Forscher: Janna Just, Cletus Itambi, Mark Dekkers, David Heslop, Tilo von Dobeneck
Projekte: MARUM Ozean und Klima OC2, EUROPROX Projekt 11b

Überblick: Kälteperioden im Nordatlantik während Heinrich Stadialen korrespondieren mit trockenen Phasen in NW Afrika. Diese Klimaveränderungen sind in marinen Sedimentkernen durch Änderungen der Akkumulation von äolischem und fluviatilem Sediment und daraus resultierende Variation der geochemischen Zusammensetzung und Korngröße überliefert. Im Rahmen unserer Studien an NW afrikanischen marinen Sedimentkernen beleuchten wir, wie sich klimatische Veränderungen auf die Korngröße, Konzentration und Vergesellschaftung der magnetischen Minerale auswirken. Heinrich Stadiale sind durch eine hohe Konzentration von Hämatit und durch eine grobe magnetische Korngröße charakterisiert. Die Mächtigkeit der ‘staubigen‘ Lagen nimmt von Ost nach West ab, und spiegelt die gravitative Ablagerung von grobkörnigen Partikeln in der Nähe des Kontinents wider. Eine Budegtierung der äolischen Sedimentakkumulation weist auf einen 10- bis 100-fach erhöhten Eintrag im Vergleich zum späten Holozän hin. Des Weiteren kann die pedogene magnetische Mineralvergesellschaftung Aufschluss über klimatische Bedingungen in den Ursprungsgebieten äolischer und fluviatiler Sedimente geben.
Ausgewählte Publikationen:

Just J., Heslop D., von Dobeneck T., Bickert T., Dekkers M., Frederichs T., Meyer I., Zabel M. (2012)
Multiproxy characterization and budgeting of terrigenous end-members at the NW African continental margin
Geochemistry Geophysics Geosystems, 13, Q0AO01
doi: 10.1029/2012GC004148

Itambi A., von Dobeneck T., Mulitza S., Bickert T., Heslop D. (2009)
Millennial-scale northwest African droughts related to Heinrich events and Dansgaard-Oeschger cycles: Evidence in marine sediments from offshore Senegal
Paleoceanography, 24, PA1205
doi: 10.1029/2007PA001570

Paläoklima und -ozeanographie des östlichen Südamerikas (abgeschlossen)
Forscher: Sebastian Razik, Grasiane Luz Mathias, Thomas Frederichs, Tilo von Dobeneck
Projekte: MARUM Sedimentdynamik SD2, USP Kooperation, EUROPROX Projekt 13b

Überblick: Oberfächenströmungen und Sedimentverteilung am südöstlichen Kontinentalhang Südamerikas sind unter Einfluss des südamerikanischen Monsunsystems (SAMS) und der südlichen Westwinddrift (SWWB). Gemeinsam legen diese Klimasysteme die meridionale Lage der Subtropischen Schelffront (STSF) und auch der Brasilien-Malvina-Konfluenz (BMC) fest. Wir rekonstruieren die wechselnden Einfluss des SAMS und SWWB auf die Sedimentzusammensetzung am oberen Rio Grande Fächer vor Südbrasilien während der letzten ca. 14 ka anhand sedimentologischer, geochemischer, mikrobiologischer und gesteinsmagnetischer Proxies von Kern GeoB 6211-2. Scharfe reziproke Wechsel im ferri- und paramagnetischen Mineralgehalt und prominente Korngrößenwechsel geben starke Hinweise auf veränderte Liefergebiete und Transportwege der hauptsächlich terrigenen Sedimente. Unsere Interpretationen unterstützen die Annahme, dass das SAMS über SO Südamerika im Spätglazial und Frühholozän schwächer war. Das SWWB lag generell weiter südlich ähnlich wie heute im Südsommer. Infolge waren auch STSF und BMC zu weiter südlichen Positionen verlagert, wodurch die Ablagerung eisenreicher, aber schwachmagnetischer La Plata Silte am Rio Grande Fächer begünstigt wurden. Im mittleren Holozän verschob sich die die Nordgrenze des SWWB nordwärts, wodurch das STSF seine nördlichste Position der letzten 14 ka erreichte und die BMC in ihre heutige Lage kam.
Ausgewählte Publikationen:

Razik S., Chiessi C., Romero O., von Dobeneck T. (2013)
Interaction of the South American Monsoon System and the Southern Westerly Wind Belt during the last 14 kyr
Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 374, 28 - 40
doi: 10.1016/j.palaeo.2012.12.022

Razik S., Govin A., Chiessi C., von Dobeneck T. (2015)
Depositional provinces, dispersal, and origin of terrigenous sediments along the SE South American continental margin
Marine Geology, 363, 261 - 272
doi: 10.1016/j.margeo.2015.03.001

Mittelpleistozäner Klimaübergang im tiefen Südatlantik (abgeschlossen)
Forscher: Frank Schmieder, Tilo von Dobeneck
Projekt: RCOM Sedimentationsprozesse C1

Ãœberblick: Der Mittelpleistozäne Klimaübergang (MPT) begann um 920 ka mit einer sprunghaften Vergrößerung der Nordhemisphären-Eisschilde und endete mit dem Einsatz des 100.000er Klimazyklus vor ungefähr 640 ka. Wie diese beiden Klimawechsel genau ausgelöst wurden, ist noch immer eines der fundamentalen Rätsel der Quartärforschung. Basierend auf zwölf hochauflösenden Pleistozänen Suszeptibilitäts-Zeitreihen aus dem subtropischen Südatlantik konnten wir abrupte, lösungsbedingte Änderungen in der Karbonatakkumulation nachweisen, die auf eine veränderte MPT Tiefenwasserzirkulation zurückzuführen sind. In Ergänzung zu den aus δ18O Daten bekannten Phänomenen zeigen diese Daten drei bemerkenswerte Eigenheiten des MPT auf: (1) ein absolutes Minimum der Karbonatakkumulation im Südatlantik um 920 ka, (2) ein MPT Zwischenstadium reduzierter Karbonatablagerung, welches diese Periode als diskreten Klima- und Zirkulationsphase ausweist, und (3) ein abschließendes MPT-Sedimentationsereignis um 540-530 ka, welches sich in umgewöhnlichen Fazies wie dicken, monospezifischen Lagen der Riesendiatomee Ethmodiscus rex manifestiert.
Ausgewählte Publikationen:

Schmieder F., von Dobeneck T., Bleil U. (2000)
The Mid-Pleistocene climate transition as documented in the deep South Atlantic Ocean: initiation, interim state and terminal event
Earth and Planetary Science Letters, 179, 539 - 549
doi: 10.1016/S0012-821X(00)00143-6

Romero O., Schmieder F. (2006)
Occurrence of thick Ethmodiscus oozes associated with a terminal Mid-Pleistocene Transition event in the oligotrophic subtropical South Atlantic
Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 235, 321 - 329
doi: 10.1016/j.palaeo.2005.10.026

Reduktive Diagenese sedimentärer Eisenoxidminerale (abgeschlossen)
Forscher: Melanie Dillon, Linda Garming, Jens Funk, Yanzhe Fu, Sabine Kasten, Tilo von Dobeneck
Projekte: DFG Do 705-2, RCOM C1, EUROPROX Projekt 8

Überblick: In einer Reihe von Originalarbeiten an submarinen Flussfächern und Kontinentalhängen in Auftriebsgebieten untersuchten wir die fortschreitende chemische Reduktion und einhergehende Auflösung von ferrimagnetischen Oxiden des redox-sensitiven Elements Eisen im suboxischen und sulfidischen Sedimentmilieu. Feinkörniger Magnetit ist meist stärker als Hämatit betroffen; geschützt sind dagegen magnetische Einschlüsse in silkatischer Matrix. Titan-substituierte Fe-Oxide sind wegen ihres geringeren Fe3+ Anteils viel resistenter als reine. Titanomagnetit-Hämoilmenit Verwachsungen bilden Skelettstrukturen aufgrund der bevorzugten Auflösung von Titanomagnetit. Im Rahmen der Frühdiagenese kommt es an geochemischen Übergangszonen zur Neubildung von Magnetomineralen wie Greigit, Goethit und biogenem Magnetit, die wir mittels gesteinsmagnetischer Diagnostik detailliert nachweisen konnten. Die diagenetische Überprägung paläo- und umweltmagnetischer Archive ist in organikreichen marinen Sedimenten häufig, liefert jedoch auch wertvolle Hinweise zur Redoxzonierung und -geschichte der Sedimente. Als erste haben wir die non-steady state Magnetitlösung mit geochemischen Transport- und Reaktionsmodellen quantitativ simuliert und daraus Alter für Sedimentationsereignisse abgeschätzt.
Ausgewählte Publikationen:

Dillon M., Franke C. (2009)
Diagenetic alteration of natural Fe-Ti oxides identified by energy dispersive spectroscopy and low-temperature magnetic remanence and hysteresis measurements
Physics of the Earth and Planetary Interiors, 172, 141 - 156
doi: 10.1016/j.pepi.2008.08.003

Garming J., Bleil U., Riedinger N. (2005)
Alteration of magnetic mineralogy at the sulfate–methane transition: Analysis of sediments from the Argentine continental slope
Physics of the Earth and Planetary Interiors, 151, 290 - 308
doi: 10.1016/j.pepi.2005.04.001

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