Stable isotope composition of benthic foraminifera : Species-specific differences and their application

Abstract

The stable isotope composition of foraminiferal tests contains a wide range of environmental and biological information. Although the δ13C and δ18O records of benthic foraminifera are a commonly used proxy in paleoceanographic studies, still little is known on the species-specific differences of the stable isotope signal and the factors controlling them. In this thesis live (stained) and dead (unstained) tests of different benthic foraminiferal species from the Mediterranean Sea were investigated with regard to their stable oxygen and carbon isotope ratios. The identification of environmental and biological influences revealed a strong dependency of the δ13C values on the microhabitat, showing lower ratios down to -2.3 ‰ with increasing living depth within the sediment, mirroring the pore water gradient in dissolved inorganic carbon (DIC). A recurring offset of 0.2 ‰ between stained and unstained tests at western Mediterranean sites can be addressed to the increased anthropogenic emission of 12C from fossil fuels (Suess-effect). This was a result of different sampling depths and therefore different ages. Ontogenetic shifts towards higher δ13C and δ18O ratios with increasing test sizes of 1.2 and 1.3 ‰, respectively, were observed in buliminid (Globobulimina spp., Uvigerina spp.), but not in rotaliid taxa (Lobatula lobatula, Cibicidoides pachydermus, Melonis barleeanum). Uvigerina peregrina revealed a strong metabolic fractionation for small tests, suppressing the pore water signal towards more negative ratios. In contrast the likewise shallow infaunal Uvigerina mediterranea appears to be less biological influenced and reflects the more eutrophic conditions at the Alboran Sea by a complete shift towards lower δ13C values. Therefore the δ13C ratio of this species seem to be a preferable proxy for trophic gradient reconstructions. Expanding the data set, the stable carbon isotope ratios of epifaunal species and U. mediterranea were measured from 13 well-oxygenated continental slope sites of the whole Mediterranean Sea, general bathed in the Levantine Intermediate Water (LIW). To calculate the local pore water gradients the differences between the δ13C ratios of the shallow infaunal U. mediterranea and three epifaunal species, representing bottom water conditions, were measured (Δδ13CUmed-Epi). These values range between -0.5 to -2.1 ‰ with generally stronger differences at more eutrophic sites. Satellite-borne quantifications of Primary Production (PP) were utilized to estimate the Corg fluxes at each site for the year previously of sampling. The Δδ13CUmed-Epi and the Corg flux data showed a good correlation for open marine sites (Alboran Sea, Mallorca Channel, Strait of Sicily, Southern Aegean Sea), while the Corg supply is underestimated for regions influenced by lateral fluxes, due to intense resuspension (Canyons at the Gulf of Lions, isolated basins in the Northern and Central Aegean Sea). Considering these local biases, a first transfer function for Corg fluxes based on the stable carbon isotope differences of benthic foraminifera could be established. To determine the reliability of the developed transfer function, down-core stable isotope values of various benthic foraminifera from two sediment cores of the Mediterranean Sea (Strait of Sicily; Ligurian Sea) were investigated. The dramatic shifts in salinity and temperature during the last Glacial-Interglacial transition were generally recorded by the δ18O ratios, though specific offsets of more than 1.2 ‰ were measured during the Last Glacial Maximum. The stronger species-specific δ13C differences of up to 2.5 ‰ result from vital effects and different living depths. The comparable values of Planulina ariminensis and Cibicidoides wuellerstorfi corroborating the preferable application of these species to reconstruct bottom water δ13CDIC conditions. Despite a discontinuous record, the difference of these species and the deep infaunal Globobulimina affinis (Δδ13CGaff-Epi) revealed reliable oxygen concentrations of the bottom water, especially during the sapropel S1 formation. The reconstructed Corg fluxes, applying the Δδ13CUmed-Epi signal, showed higher Corg supply of more than 5 gC m-2 a-1 during the Late Glacial and the Younger Dryas Stadial compared to the Bølling/Allerød Interstadial and the Holocene. The open-ocean setting at the Strait of Sicily site made a reliable recalculation of past primary production possible, ranging between 140 to 200 gC m-2 a-1.

Die Zusammensetzung stabiler Isotope in Foraminiferen liefert Informationen sowohl über die Biologie dieser Protisten als auch über die sie umgebende Umwelt. Daher sind die Verhältnisse von 13C zu 12C (δ13C) als auch 18O zu 16O (δ18O) Isotopen in Schalen benthischer Foraminiferen weitverbreitete Proxys in der Paläozeanographie. Überraschenderweise ist noch relativ wenig über artspezifische Unterschiede bekannt. Daher wurden in der vorliegenden Arbeit die stabilen Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopenverhältnisse in gefärbten (lebend bei der Beprobung) und ungefärbten (tot bei der Beprobung) Gehäusen diverser Arten benthischer Foraminiferen des westlichen Mittelmeeres untersucht. Bei der Feststellung der Einflussfaktoren zeigte sich beim δ13C-Verhältnis ein Zusammenhang mit der Lebendtiefe im Sediment, dem Mikrohabitat. Die Verhältnisse sanken mit zunehmender Tiefe um bis zu -2,3 ‰ und spiegeln damit vor allem den Porenwassergradienten von gelöstem anorganischem Kohlenstoff (DIC) wider. Ein wiederkehrender Unterschied von ungefähr 0,2 ‰ zwischen gefärbten und ungefärbten Gehäusen lässt sich auf den anthropogenen Ausstoß isotopisch leichten Kohlenstoffs aus fossilen Energiequellen zurückführen (Suess-Effekt). Für Kohlenstoff und auch Sauerstoff konnte eine Zunahme der Verhältnisse von bis zu 1,2 bzw. 1,3 ‰ mit zunehmender Gehäusegröße bei buliminiden Arten (Globobulimina spp., Uvigerina spp.) beobachtet werden. Rotaliide Arten (Lobatula lobatula, Cibicidoides pachydermus, Planulina ariminensis, Melonis barleeanum) zeigten keinen Zusammenhang zwischen der Gehäusegröße und den stabilen Isotopenverhältnissen. Bei Uvigerina peregrina war diese metabolische Fraktionierung in kleinen Gehäusen besonders ausgeprägt und überprägte den Porenwassergradienten. Die ebenfalls flach-infaunal lebende Uvigerina mediterranea zeigte hingegen eine geringere biologische Beeinflussung, so dass vor allem unterschiedliche Trophie-Bedingungen aufgezeichnet werden. Daher ist diese Art geeigneter für die Nutzung als Proxy zur Rekonstruktion des Eintrags von organischem Material. Hierauf aufbauend wurden die δ13C Verhältnisse von epifaunalen Arten und U. mediterranea von weiteren Stationen aus dem gesamten Mittelmeer verglichen. Für diese Datensatzerweiterung wurden 13 gut belüftete Stationen vom Kontinentalhang beprobt, welche im Einfluss des Levantinischen Zwischenwassers (LIW) liegen. Um die lokalen Porenwassergradienten rekonstruieren zu können, wurden die δ13C Verhältnisse epifaunaler Arten gemessen, als Vergleichswert für das Bodenwasser genutzt und vom Isotopenverhältnis von U. mediterranea subtrahiert (Δδ13CUmed-Epi). Die erhaltenen Werte schwankten zwischen -0,5 und -2,1 ‰, mit generell stärkeren Abweichungen an eutropheren Stationen. Die Flussraten organischem Kohlenstoffs (Corg) konnten mit Hilfe von Satellitenmessungen gewonnen werden und zeigten für offen marine Bedingungen (Alborán-Meer, Meeresstraße zwischen Mallorca und Ibiza, Straße von Sizilien, südliche Ägäis) eine Korrelation mit den Δδ13CUmed-Epi Werten. In stärker von lateralen Umlagerungen beeinflussten Regionen (Golf von Lyon, nördliche und zentrale Ägäis) waren die errechneten vertikalen Flussraten zu gering. Diese möglichen Fehlerquellen beachtend, war es aber möglich eine erste Transferfunktion zwischen Corg-Flüssen und den δ13C-Abweichungen zwischen den verschiedenen benthischen Foraminiferen aufzustellen. Um diese Funktion zu testen, wurden die stabilen Isotopenwerte benthischer Foraminiferen aus zwei Bohrkernen (Straße von Sizilien, Ligurisches Meer) untersucht. Die Veränderungen der Temperaturen und der Salzgehalte während des letzten Glazial-Interglazial-Übergangs wurden in den δ18O-Verhältnissen aller Arten aufgezeichnet. Trotz dieser allgemeinen Konkordanz sind artspezifische Unterschiede von bis zu 1,2 ‰ vor allem während des letzten Glazialen Maximums (LGM) zu beobachten. Die noch stärkeren Unterschiede im δ13C-Verhältnis von bis zu 2,5 ‰ lassen sich auf biologische Effekte und unterschiedliche Tiefen des Mikrohabitats zurückführen. Die vergleichbaren δ13C-Werte von P. ariminensis und Cibicidoides wuellerstorfi unterstützen die Ansicht, dass diese beiden Arten geeignete Anzeiger für das δ13C-Verhältnis im DIC des Bodenwassers sind. Trotz des unterbrochenen Vorkommens der tief-infaunalen Art Globobulimina affinis in der Straße von Sizilien, konnte deren isotopische Abweichung zur Epifauna (Δδ13CGaff-Epi) genutzt werden, um die Sauerstoffkonzentration des Bodenwassers zu berechnen. Die rekonstruierten Corg-Flüsse zeigen für beide Regionen erhöhte Flussraten von bis zu 5 gC m-2 a-1 während des letzten Glaziales und dem Jüngeren Dryas-Stadial im Vergleich zum Bølling/Allerød-Interstadial und dem Holozän. Durch die offen-marine Lage der Station vor Sizilien war es möglich eine belastbare Rückberechnung der marinen Primärproduktion durchzuführen. Die erhaltenen Werte schwanken dabei zwischen 200 gC m-2 a-1 in den Kaltphasen und 140 gC m-2 a-1 im Holozän.