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Klimatische und ozeanographische Veränderungen im Eozän

[Climatic and oceanographic changes during the Eocene.]

Oberhänsli, Hedi

Kurzfassung

Mit Hilfe der delta13C und delta18O-Werte aus planktonischen und benthischen Foraminiferen, Floren- und Fraunenvergesellschaftungen sowie Sedimentcharakteristiken (z.B. Karbonatlösungsgeschichte, Hiatenverteilung, Lokalisieren der Opalvorkommen) wurden paläoozeanographische und paläoklimatische Veränderungen in Raum und Zeit für das Eozän untersucht. Ziel war es, Abhängigkeiten zwischen den beobachteten Veränderungen und klimarelevanten Kontrollfaktoren wie Land/Wasserverteilung, Evaporation/Präzipitation sowie vulkanische Aktivitäten zu finden. Das marine eozäne Klimageschehen weist zwei Klimamaxima und zwei Klimaverschlechterungen auf. Die wärmsten Temperaturen herrschten während der folgenden Abschnitte: oberer Teil der Foraminiferen-Zone P8 und unterer Teil der Zone P9 (spätes Früheozän) sowie in Zone P13 (spätes Mitteleozän). Während beider Intervalle wurden Schmelzwassereinträge im atlantischen und indischen Sektor der Antarktis festgestellt. Die Sauerstoffisotopenwerte der Warmzeiten lassen vermuten, daß die Umsatzraten im hydrologischen Kreislauf um einen Faktor 2--3 größer als heute waren. Dies läßt sich aus den deutlich höheren Evaporationsmengen in niedrigen Breiten und gleichzeitig erhöhten Präzipitationsraten in hohen Breiten ableiten. Klimaverschlechterungen konnten zwischen dem oberen Teil von Zone P9 bis P10 (Übergang Früh-/Mitteleozän) sowie zwischen Zone P14 bis untere Zone P15 (Übergang Mittel-/Späteozän) ausgemacht werden. Es fanden wiederholt größere Eisakkumulationen auf der Antarktis statt. Einige dieser Temperaturminima sind durch eisverfrachtetes Material gut belegt, andere nur über zeitlich nicht ganz klar einzuordnende Florenwechsel dokumentiert. Das prominentere Abkühlungsereignis (spätes Mitteleozän) ist eng mit der neuen Konstellation in der Land/Meerverteilung verknüpft, denn es tritt zum Abschluß von mehreren plattentektonischen Reorganisationen auf. Wichtig waren dabei (1) die Aufweitung der Tasman-Straße, die in Chron 19 (P12) einen kritischen Schwellenwert erreicht hatte sowie (2), bedingt durch die Rotation der afrikanischen Platte, die Verengung im Bereich von Gibraltar. Letzteres führte zur weitgehenden Einschränkung der zirkumäquatorialen Strömungen. In hohen Breiten entwickelte sich als direkte Folge dieser tektonischen Reorganisation eine neue ozeanographische Front, wahrscheinlich der Vorläufer der Polarfront. Diese unterband den Wärmeaustausch zwischen niedrigen und hohen Breiten ab P14 wohl gänzlich. Dadurch machte sich eine deutliche Abkühlung in hohen Breiten bemerkbar, und die Abkühlung führte zu einer erhöhten Bildung von korrosivem Tiefenwasser in hohen Breiten, was zu verstärkter Karbonatlösung in bathyalen und abyssalen Tiefen führte. Die Hiaten folgten jeweils unmittelbar auf die ersten Anzeichen einer Abkühlung und waren somit erste Hinweise auf reaktivierte Strömungen in den verschiedenen Tiefenbereichen. Die Tiefenverteilung der Hiaten belegt, daß zumindest während der ersten Abkühlung nicht nur in Tiefen unter 3000 m, sondern auch in der Tiefe des Zwischenwassers (~ 1000 m) eine Anpassung an die neue Strömungssituation stattfand. Tiefenwasser wurde über den ganzen untersuchten Zeitraum sowohl im Perimeter der Antarktis wie auch in der Tethys gebildet. Die Mengen waren aber deutlich über die jeweiligen Klimaverhältnisse gesteuert. Die Tiefenfluktuation der Untergrenze des Zwischenwassers ist ein guter Indikator dafür: Wurde während der wärmeren Intervalle vermehrt Bodenwasser in der Tethys gebildet, senkte sich als Folge seine Untergrenze ab. In kühleren Abschnitten wurde die antarktische Quelle wichtiger. Dabei bewegte sich die Untergrenze des Zwischenwassers nach oben. Beide Situationen konnten mit Hilfe der Faunenverteilungen innerhalb der verschiedenen Wassermassen nachgezeichnet werden. Die stärkere Fragmentierung der Landmassen zwischen Indik und Pazifik einerseits sowie die noch bestehenden Verbindungen zwischen Amerika und der Antarktis bewirkten, daß die dynamischen Abläufe stärker auf die einzelnen Ozeane beschränkt blieben als in den folgenden neogenen Zeitabschnitten. Diese Schlußfolgerung gründet auf homogenerer Verteilung der delta18O- und delta13C-Werte in den verschiedenen Tiefenwasserkörpern der einzelnen Ozeane, als wir es heute beobachten. Zu einem ähnlichen Schluß kam auch SCHNITKER (1980) aufgrund der vergleichbaren Karbonatkompensationstiefen im Pazifik und Atlantik. Es gelang nicht, den Stellenwert der vulkanischen Aktivitäten bei den Klimaveränderungen in diesem Zeitraum zu erfassen. Grund dafür sind eine noch unzureichend genaue zeitliche Einstufung sowie fehlende Quantifizierungsmöglichkeiten für Treibhausgas- und Ascheproduktion bei wichtigen Eruptionsereignissen.

Abstract

Stable isotopes of benthic and planktonic foraminifera, faunal assemblages, carbonate dissolution patterns and hiatuses were used to recognise paleoceanographic and paleoclimatic changes in space and time and to identify relationships between climatic relevant factors such as evaporation/precipitation ratios, land/sea distribution as well as volcanic activities. The Eocene marine temperature history shows two climatic warm and two climatic cool intervals. Climate was warmest during the upper part of foraminiferal zone P8 and base P9 (late Early Eocene) and within PI 3 (late Middle Eocene). During both events melt water spikes could be traced in high latitude sites. Climatic coolings are seen in the intervals upper P9 to P10 Early/Middle Eocene and P14 to lower P15 (Middle/Late Eocene). The cooling event within the Middle/Late Eocene interval is by far more prominent than the event at the Early/Middle Eocene boundary. The Middle/Late Eocene event not only affected the temperature patterns of the surface water at high southern latitudes but caused major dissolution events in bathyal and abyssal depths of the South Atlantic. Besides the Subtropical Front a second front - a precursor of the Polar Front -- had established by this time. In general, temperatures in high southern latitudes appeared to be warmer than at present due to the fact that the position of the precursor of the Polar Front (ca. 60 °S vs. 50 °S today) was further to the south. Temperature contrasts in water masses bound by the fronts were similar to present day values once the second front had established.