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Produktivität des Ozeans aus geologischer Sicht: Denkmodelle und Beispiele

[Ocean Productivity from the Viewpoint of Geology: Concepts and Examples]

Berger, Wolfgang H.

Kurzfassung

Die Verkettung von ozeanischer Zirkulation und Produktivität sowie Klima mit dem CO2-Gehalt der Atmosphäre hat zu einem Umdenken im Studium biogener Sedimente geführt. Die Verteilung dieser Sedimente gibt Hinweise, die für die Rekonstruktion des Klimas und der Produktivität unentbehrlich sind. Die Sedimente sind aber auch selbst an der Steuerung des Systems beteiligt und bilden zusammen mit den anderen Klimafaktoren ein Netz von Rückkoppelungen. Die Produktivität des heutigen Ozeans zeigt große Unterschiede zwischen offenem Meer und küstennahen Gebieten, aber auch eine deutliche Asymmetrie zwischen Pazifik und Atlantik. Die Produktionsmuster sind charakteristisch für einen kalten, regressiven Ozean, in dem starke Durchmischung und hoher Sauerstoffgehalt vorherrschen. Nitrat wird durch den Sauerstoff stabilisiert, und Nährstoffe werden durch die Durchmischung effizient umgewälzt. In einem warmen, transgressiven Ozean dagegen wird das Nitrat leichter zerstört, so daß wesentlich weniger Nährstoffe bereit stehen, um Unterschiede in der Produktivität -- und damit auch in der biogenen Ablagerung -- hervorzurufen. Generell sind dann biogene Sedimente gleichmäßiger verteilt. Diese Zusammenhänge können auf verschiedenen Zeitskalen aufgezeigt werden: Quartär, Neogen und gesamtes Tertiär. Der größte Einschnitt im Produktivitätsgeschehen ist der Umschwung der Opalsedimentation ("Opalrevolution") vor 40 Millionen Jahren. Während des Eozäns regierte der Vulkanismus und verursachte Transgression, warmes Klima, und damit wenig differenzierte biogene Sedimente ("Endokratie"). Danach wurde Vulkanismus schwach, der Meeresspiegel fiel, die Pole kühlten ab, und das Klimageschehen wurde vom verstärkten planetarischen Temperaturgradienten bestimmt ("Exokratie"). Dabei werden die biogenen Sedimente zunehmend differenziert. Die Verlagerung des organischen Kohlenstoffs in die Sedimente der Hochproduktionsgebiete begünstigte eine fortschreitende Reduktion des atmosphärischen CO2-Gehaltes.

Abstract

The connection between circulation, productivity, and climate, via the CO2 content of the atmosphere, has led to a rethinking in the study of biogenous sediments. The distribution of these sediments yields important clues for the reconstruction of climate and productivity. However, the sediments themselves participate in the regulation of the system, forming a web of feedbacks together with the other climate factors. The productivity of the present ocean shows great contrasts between the open sea and coastal areas, as well as a strong asymmetry between Atlantic and Pacific. This pattern is typical for a cold, regressive ocean, in which strong deep mixing and high oxygen content predominate. Nitrate is stabilized by the oxygen, and nutrients are recycled efficiently by the mixing. In contrast, in a warm, transgressive ocean, the nitrate is more easily destroyed, so that considerably less nutrients are available to drive the fractionation machine. Thus the biogenous sediments are then generally more evenly distributed. These patterns can be shown to prevail on various time scales: Quaternary, Neogene, and Tertiary as a whole. The biggest change in the conditions of productivity is the silica revolution 40 million years ago. During the Eocene, volcanism reigned, causing transgression, warm climate, and hence little fractionation in the distribution of biogenous sediments (endocratic conditions). Subsequently volcanism decreased, sea level fell, the polar regions cooled, and conditions were determined by the enhanced planetary temperature gradient (exocratic conditions). As a consequence, biogenous sediments are increasingly fractionated. The sequestration of organic carbon into the sediments of high productivity favored a continuous reduction of the atmospheric CO2 content.

Keywords

Global mapsdeep sea sedimentsbiogenic sedimentsproductivityocean circulationatmospherecarbon cyclesilica cyclechertopalEocenepaleoclimatestrontium isotopestheoretical models World Oceans