Insights into the palaeovegetation and palaeoclimate evolution of the New Jersey hinterland (eastern North America) during the Oligocene and Miocene -a palynological study-

Abstract

The vegetation of the Oligocene and Miocene witnessed shifts and reorganisations responding to changes in global and regional climate. While these palaeovegetation shifts are well examined for Europe and various other regions, the regional terrestrial ecosystem evolution of eastern North America and its relation to climate changes is only poorly understood. In the framework of the present thesis 206 sediment core samples from the Integrated Ocean Drilling Program (IODP) Expedition (Exp.) 313 to the New Jersey shallow shelf (NJSS) were studied. The aim was to reconstruct the long-term palaeovegetation and palaeoclimate evolution in the New Jersey hinterland. Pollen grain analyses were performed using a combination of light microscopy (LM) and scanning electron microscopy (SEM). Transport-caused bias was identified via analysis of the terrestrial/marine palynomorph ratio. In order to infer regional climate changes, four standard climatic parameters (mean annual temperature, mean annual precipitation, and mean annual temperature of the coldest month and warmest month) were calculated using the bioclimatic analysis approach. Spectral analysis was performed to identify orbital-driven alternations within the palaeovegetation units during a short time interval of the Burdigalian. The present thesis demonstrates that small changes in the floristic composition occurred during the Oligocene and Miocene and that the floristic composition in hinterland was more divers than previously thought. Throughout the entire analysed time intervals, the mesophytic forest was the most widespread palaeovegetation unit in the hinterland, flourishing under a generally humid and warm-temperate climate. However, the microfloristic assemblages reflect a complex vertical onshore vegetation. Possible topographic palaeovegetation movements are either regulated by global climate events or by regional landscape changes. In addition, strong orbital signatures of obliquity and eccentricity drove palaeoenvironmental changes, leading to associated vegetation responses in the New Jersey hinterland. In conclusion, the palaeovegetation shows small but characteristic modes of responses in respect to the climatic and environmental dynamics. This study shows that both high-resolution pollen grain identification via SEM and high temporal resolution are important for the understanding of evolutionary processes that control the interaction between biotic an abiotic environments.

Das Oligozän und Miozän gehören zu den spannendsten erdgeschichtlichen Zeitepochen sind von starken globalen Klimaschwankungen geprägt, welche ihrerseits erheblichen Einfluss auf Lebensraumveränderungen und Neuorganisationen in der jeweiligen Paläovegetation nahmen. Änderungen in der Paläovegetation während dieser Epochen sind gut bekannt und für verschiedene Regionen in Europa umfassend dokumentiert. Vergleichbare Studien, die sich mit den regionalen paläoökologischen Evolutionsprozessen im Kontext globaler Klimaveränderungen im östlichen Nordamerikanischen Raum befassen, sind hingegen bisher lückenhaft und die zugrunde liegenden Prozesse gelten als unzureichend verstanden. Im Zuge dieser Dissertationsschrift wurden 206 Sedimentproben, welche im Rahmen der Integrated Ocean Drilling Program (IODP) Expedition (Exp.) 313 vom flachen Schelf von New Jersey (NJSS) gewonnen wurden, auf ihren Pollengehalt hin untersucht. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Einblicke in die Evolution der langzeitlichen Paläovegetation und des Paläoklimas im Hinterland von New Jersey zu gewinnen. Für die Pollenkornanalysen wurde eine Kombination aus Licht- (LM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) herangezogen. Taphonomisch bedingte Transportprozesse wurden über das Verhältnis von Pollenkörnern zu Dinoflagellatenzysten ermittelt. Um Rückschlüsse auf regional bedingte Klimaveränderungen ziehen zu können, wurde eine bioklimatische Analyse angewandt, aus der im Wesentlichen vier Standardparameter (Durchschnittliche Jahrestemperatur und Jahresniederschlag sowie durchschnittliche Temperatur des kältesten sowie des wärmsten Monats) berechnet wurden. Für die Abschätzung, ob Änderungen in den Paläoökosystemen orbital gesteuert worden sind, wurden Spektralanalysen für ein zeitlich hochaufgelöstes kurzes Zeitinterval während des Burdigaliums durchgeführt. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass es innerhalb der untersuchten oligozänen und miozänen Zeiträume zu kleinen floristischen Veränderungen kam und zeigt, dass das floristische Diversität umfangreicher war als bisher angenommen. Während der gesamten untersuchten Zeitintervalle führte das vorherrschende humid warm-temperierte Klima dazu, dass mesophytische Wälder das Landschaftsbild dominierten. Allerdings reflektiert die mikrofloristische Zusammensetzung eine komplexe topographische Festlandvegetation. Wanderungsprozesse einzelner Paläovegetationseinheiten sind entweder durch globale Klimaereignisse oder durch regionale landschaftliche Veränderungen ausgelöst worden. Außerdem wurden durch Obliquität und Exzentrizität bedingte Modifikationen von Umweltparametern identifiziert, die zu erheblichen Wanderungsbewegungen von Vegetationseinheiten während des Burdigaliums führten. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Dissertation, dass die Paläovegetationen des Hinterlandes von New Jersey mit geringen und signifikanten Verhaltensweisen in Bezug auf dynamisch verändernde Umweltfaktoren reagieren. Diese Studie präsentiert, dass nicht nur der Einsatz des REM für die Bestimmbarkeit von fossilen Pollenkornmaterial unverzichtbar ist, sondern auch, dass die Analyse hochauflösender Sedimentproben eine besondere Wichtigkeit hat, um die evolutionäre Entwicklung von Ökosystemen und die dabei zugrundeliegenden Prozesse nachvollziehen zu können.