Paleoenvironmental changes in Southern Patagonia during late Quaternary inferred from lake sediments of Laguna Potrok Aike, Argentina

Zhu, Jiayun; Lehmkuhl, Frank; Schäbitz, Frank

doi:34330

Paleoenvironmental changes in Southern Patagonia during late Quaternary inferred from lake sediments of Laguna Potrok Aike, Argentina = Wandel der Paläoumwelt in Südpatagonien während des Spätquartärs, basierend auf Seesedimenten von Laguna Potrok Aike, Argentinien

Zhu, Jiayun (Author)

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jiayun Zhu

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

Umfang112 Bl. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Lehmkuhl, Frank (Thesis advisor) ; Schäbitz, Frank (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-10-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-52249
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/460871/files/5224.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/460871/files/5224.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Paläoklima (Genormte SW) ; Südamerika (Genormte SW) ; Quartär (Genormte SW) ; Seesediment (Genormte SW) ; Stabiles Isotop (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; stabile isotopes (frei) ; paleoclimate (frei) ; South America (frei) ; lake sediments (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Südpatagonien ist die einzige kontinentale Landmasse, die den Kern der südhemisphärischen Westwinde (SHW) schneidet. Die SHW kann eine entscheidende Rolle beim Antrieb der letzten deglazialen Erwärmung gespielt haben. Klimatische Archive in Südpatagonien bilden außerdem das terrestrische Bindeglied an die Sedimentarchive aus dem Süd-Ozean und die Eisbohrkerne aus der Antarktis. Trotz der besonderen Bedeutung beschränken sich die kontinuierlichen Paläoklimaarchive in Südpatagonien üblicherweise auf den Zeitraum seit dem Ende der letzten Vereisung, weil sich die meisten Untersuchungsstellen in der Andenregion befinden, die während des letzten Glazials vom patagonischen Inlandeis bedeckt war. Diese Forschungslücke wird zunehmend überbrückt von den interdisziplinären Multiproxy-Untersuchungen im Rahmen des Projekts „Potrok Aike Maar lake sediment archive drilling project“ (PASADO). Dieses Projekt macht das Sedimentarchiv der Laguna Potrok Aike, einem tiefen Maarsee im semi-ariden Südpatagonien (51°58' S, 70°23' W, 113 m ü.M.), für den Zeitraum der letzten 50,000 Jahre verfügbar. Die vorliegende, in das PASADO Projekt eingebundene Arbeit untersucht den Sedimentabschnitt, der den Zeitraum von 26,000 bis 8500 cal. BP umfasst, unter Einsatz von stabilen Isotopen von sedimentärem organischem Material. Kapitel 2 befasst sich mit den stabilen Isotopen (δ13CTOC, δ15NTN) und den Elementgehalten (TOC, TN) von feinkörnigen (<200µm) organischen Sedimenten, um die lakustrine Primärproduktivität zu rekonstruieren und Hinweise auf Nährstoffverfügbarkeit im See zu geben. Zudem ist ein neuer Proxy-Ansatz in Kapitel 3 aufgebaut, wobei die handverlesenen Makroreste von Wassermoosen und extrahierter Moose-Zellulose benutzt werden, um die Zusammensetzung der Sauerstoffisotopie des Seewassers (δ18Olw) für den untersuchten Zeitraum zu rekonstruieren. Dieser Proxy-Ansatz gründet sich auf der hochsignifikanten linearen Korrelation zwischen dem δ18O von aquatischen Moosen und ihrem Umgebungswasser. Mit diesem Ansatz wurde in Kapitel 4 eine hoch-auflösende Zeitreihe von δ18Olw für den untersuchten Zeitraum entwickelt und im Kontext der SHW Entwicklung im Verlauf des dramatischen globalen klimatischen Wechsels seit der letzten Eiszeit interpretiert. Zwischen 26,000 und 17,600 cal. BP war Phytoplankton die vorherrschende organische Substanz in einem aquatischen System mit geringer Primärproduktivität. Das rekonstruierte glaziale δ18Olw hatte einen Mittelwert von ca. -6.5‰, der nur 3‰ niedriger als der heute beobachtete Wert war. Diese unerwartete 18O-Anreicherung des Seewassers kann damit erklärt werden, dass das Grundwasser als eine Hauptquelle des Wasserzuflusses für den See wegen des Permafrostes während des Glazials vom Oberflächenwasser isoliert war und folglich eine weniger negative δ18O Signatur als die glazialen Niederschläge hatte. Die mit Permafrost einhergehende verlängerte Verweilzeit des Seewassers könnte auch zur weiteren 18O-Anreicherung des Seewassers beigetragen haben. Das Ende der letzten Eiszeit ist gekennzeichnet durch die schlagartigen Verschiebungen der Isotopenverhältnisse und der Elementgehalte. Das lakustrische System erlebte eine schnelle Neugestaltung, zeitgleich mit dem raschen Rückzug der Vergletscherung in Südpatagonien, der Erwärmung in der Antarktis und der abrupten Erhöhung der atmosphärischen CO2 Konzentration. Der Verlauf des Spätglazials war trotz großer Variationen der lakustrischen Primärproduktivität von Phytoplankton und Makrophyten insgesamt von einem hohen Niveau gekennzeichnet. Die erhöhte Produktivität lässt sich durch verbesserte Wachstumsbedingungen aufgrund der zunehmenden Erwärmung zusammen mit einer ausreichenden Nährstoffversorgung und wahrscheinlich ruhigen Windverhältnissen erklären. Das rekonstruierte δ18Olw reagiert auf den deglazialen Klimawandel mit einem zweistufigen Anstieg. Eine Kombination von zunehmender temperaturbedingter Evaporation und mehr 18O angereicherten Niederschlägen führte zum ersten Anstieg um ca. 2‰ während des Zeitraums von 17,600 bis 15,600 cal. BP. Nach einer tausendjährigen Phase, in der das rekonstruierte δ18Olw um bis zu 0.7‰ zurückging, setzte sich der ausgeprägte Anstieg seit 14,600 cal. BP weiter fort, was jetzt als eine Folge von verstärkter windbedingte Evaporation interpretiert werden kann. Seit 13,000 cal. BP hat die SHW einen beherrschenden Einfluss auf den Wasserhaushalt der Laguna Potrok Aike ausgeübt. Zum Beginn des Frühholozäns näherte sich der See einem neuen Zustand mit reduzierter Primärproduktivität, die wahrscheinlich durch ungünstige Wachstumsbedingungen wie verstärkte Windintensität und Nährstoffmangel nach der vorhergehenden Phase mit hoher Produktivität verursacht wurde. Im Allgemeinen spiegelt das Entwicklungsprofil des Wasserhaushalts und der Primärproduktivität in Laguna Potrok Aike die Bildung eines Steppenklimas mit starker Evaporation in Südpatagonien im Laufe der letzten Deglaziation wider.

Southern Patagonia possesses a unique value for the assessment of the global paleoclimatic system, because it is the only continental mass intersecting the core of the Southern Hemisphere Westerlies (SHW), which could have played a crucial role in driving the global deglacial warming during the last glacial termination. Paleoclimatic archives in southern Patagonia provide also terrestrial linkage to the sediment records from the Southern Ocean and the ice cores from Antarctica. Despite the great importance, continuous paleoclimatic records in southern Patagonia are only available for the period from the last deglaciation onwards, because most study sites are located in the Andean region, which was covered by the immense Patagonian Ice Sheet during the last Glacial. This research gap is being bridged by interdisciplinary multiproxy investigations within the framework of the Potrok Aike maar lake sediment archive drilling project (PASADO). The project provides a lake sediment record reaching back more than 50,000 years taken from Laguna Potrok Aike, a deep maar lake located in semi-arid southern extra-Andean Patagonia (51°58' S, 70°23' W, 113 m a.s.l.). By using stable isotope analysis of sedimentary organic material, this thesis has investigated the PASADO sediment section ranging from 26,000 to 8500 cal. BP, covering the last glacial-interglacial transition, to provide paleoenvironmental evidences from southern extra-Andean Patagonia for a time period with dramatic climatic changes. The work presented in Chapter 2, employs stable isotope (δ13CTOC, δ15NTN) and elemental (TOC, TN) analyses of fine-grained (<200µm) bulk organic matter preserved in pelagic sediments to reconstruct the lacustrine primary productivity and nutrient supply. Furthermore, a unique proxy approach based on cellulose and bulk organic matter of handpicked aquatic moss remains is established to infer the past lake water δ18O (δ18Olw) (Chapter 3). The validity of this approach is determined by the highly significant correlation between δ18O of submerged aquatic mosses and their host waters. Using this proxy approach, a high-resolution δ18Olw record is generated for the investigated period and interpreted in the context of the fundamental climatic shifts during the last glacial-interglacial transition to assess the evolution of the SHW (Chapter 4). Between 26,000 and 17,600 cal. BP, lacustrine phytoplankton was presumably the predominant organic matter source in an aquatic environment with low primary productivity. Meanwhile, the reconstructed glacial δ18Olw had a mean value of around -6.5‰ that was only ca. 3‰ lower than the modern values. This is less negative than expected in consideration of probably large 18O depletion of meteoric water during the full Glacial. It is argued that the isolated groundwater resulted from permafrost conditions could have had much less negative δ18O values than glacial precipitation and prolonged lake water residence time could have further caused observed less negative glacial δ18Olw. At the onset of the last deglaciation, abrupt and distinct shifts of C and N isotopic and elemental values indicate that the lacustrine system underwent a rapid reorganization, synchronous with the rapid glacier retreat in southern Patagonia, the Antarctic warming and the elevated atmospheric CO2 concentrations. Over the course of the last deglaciation, lacustrine primary productivity of both phytoplankton and aquatic macrophytes showed high levels despite large variations. The increased productivity can be attributed to improved growing conditions for primary producers because of deglacial warming in combination with sufficient nutrient availability and calm wind conditions. The reconstructed δ18Olw responded to the deglacial climatic shift with a significant two-step rise. Rapid deglacial warming is supposed to cause the 18O enrichment of lake water by ca. 2‰ during the first rise between 17,600 and 15,600 cal. BP by increasing temperature-induced evaporation and more 18O enriched precipitation. After a millennial period of receding values by up to 0.7‰, the reconstructed δ18Olw resumed pronounced increase since 14,600 cal. BP. This cumulative enrichment in 18O of lake water could be interpreted as a response to the strengthened wind-driven evaporation, implying the intensification and establishment of the SHW at the latitude of Laguna Potrok Aike (52°S). During the early Holocene the lake approached a new state with reduced primary productivity probably induced by unfavorable growing conditions for primary producers in the lake like nutrient shortage after the preceding productive phase with high consumption as well as strengthened westerly winds. Since around 13,000 cal. BP, the SHW exerted its dominant influence on the lake water balance, reflected by reconstructed δ18Olw values close to the modern ones, indicating the establishment of a strongly evaporative steppe climate in the Laguna Potrok Aike region.

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