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Carbonate preservation in Pliocene to Holocene periplatform sediments (Great Bahama Bank, Florida Straits) [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Johanna Schwarz

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Carbonate preservation in Pliocene to Holocene periplatform sediments(Great Bahama Bank, Florida Straits)Dissertationzur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften am Fachbereich Geowissenschaften der Universität Bremen vorgelegt von Johanna Schwarz Bremen, 2007 Tag des Kolloquiums: 16. Mai 2007 Gutachter:Rebecca Rendle-Bühring Hildegard Westphal Prüfer:Gerhard Bohrmann John Reijmer IIIIIIVAbstractAbstractThe oceanic carbon cycle mainly comprises the production and dissolution/ preservation of carbonate particles in the water column or within the sediment. Carbon dioxide is one of the major controlling factors for the production and dissolution of carbonate. There is a steady exchange between the ocean and atmosphere in order to achieve an equilibrium of CO ; an anthropogenic rise of CO in the atmosphere would therefore also 2 2increase the amount of CO in the ocean. The increased amount of CO in the ocean, due to 2 2increasing CO -emissions into the atmosphere since the industrial revolution, has been 2interpreted as “ocean acidification” (Caldeira and Wickett, 2003). Its alarming effects, such as dissolution and reduced CaCO formation, on reefs and other carbonate shell producing 3organisms form the topic of current discussions (Kolbert, 2006). Decreasing temperatures and increasing pressure and CO enhance the dissolution of 2carbonate particles at the sediment-water interface in the deep sea.

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Published 01 January 2007
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Carbonate preservation in Pliocene to Holocene
periplatform sediments
(Great Bahama Bank, Florida Straits)
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
am Fachbereich Geowissenschaften
der Universität Bremen
vorgelegt von
Johanna Schwarz
Bremen, 2007 Tag des Kolloquiums:
16. Mai 2007
Gutachter:
Rebecca Rendle-Bühring
Hildegard Westphal
Prüfer:
Gerhard Bohrmann
John Reijmer
IIIIIIVAbstract
Abstract
The oceanic carbon cycle mainly comprises the production and dissolution/
preservation of carbonate particles in the water column or within the sediment. Carbon
dioxide is one of the major controlling factors for the production and dissolution of carbonate.
There is a steady exchange between the ocean and atmosphere in order to achieve an
equilibrium of CO ; an anthropogenic rise of CO in the atmosphere would therefore also 2 2
increase the amount of CO in the ocean. The increased amount of CO in the ocean, due to 2 2
increasing CO -emissions into the atmosphere since the industrial revolution, has been 2
interpreted as “ocean acidification” (Caldeira and Wickett, 2003). Its alarming effects, such as
dissolution and reduced CaCO formation, on reefs and other carbonate shell producing 3
organisms form the topic of current discussions (Kolbert, 2006).
Decreasing temperatures and increasing pressure and CO enhance the dissolution of 2
carbonate particles at the sediment-water interface in the deep sea. Moreover, dissolution
processes are dependent of the saturation state of the surrounding water with respect to calcite
or aragonite. Significantly increased dissolution has been observed below the aragonite or
calcite chemical lysocline; below the aragonite compensation depth (ACD), or calcite
compensation depth (CCD), all aragonite or calcite particles, respectively, are dissolved.
Aragonite, which is more prone to dissolution than calcite, features a shallower lysocline and
compensation depth than calcite. In the 1980´s it was suggested that significant dissolution
also occurs in the water column or at the sediment-water interface above the lysocline.
Unknown quantities of carbonate produced at the sea surface, would be dissolved due to this
process. This would affect the calculation of the carbonate production and the entire carbonate
budget of the world´s ocean. Following this assumption, a number of studies have been
carried out to monitor supralysoclinal dissolution at various locations: at Ceara Rise in the
western equatorial Atlantic (Martin and Sayles, 1996), in the Arabian Sea (Milliman et al.,
1999), in the equatorial Indian Ocean (Peterson and Prell, 1985; Schulte and Bard, 2003), and
in the equatorial Pacific (Kimoto et al., 2003). Despite the evidence for supralysoclinal
dissolution in some areas of the world´s ocean, the question still exists whether dissolution
occurs above the lysocline in the entire ocean. The first part of this thesis seeks answers to
this question, based on the global budget model of Milliman et al. (1999). As study area the
Bahamas and Florida Straits are most suitable because of the high production of carbonate,
and because there the depth of the lysocline is the deepest worldwide. To monitor the
occurrence of supralysoclinal dissolution, the preservation of aragonitic pteropod shells was
determined, using the Limacina inflata Dissolution Index (LDX; Gerhardt and Henrich,
VAbstract
2001). Analyses of the grain-size distribution, the mineralogy, and the foraminifera
assemblage revealed further aspects concerning the preservation state of the sediment. All
samples located at the Bahamian platform are well preserved. In contrast, the samples from
the Florida Straits show dissolution in 800 to 1000 m and below 1500 m water depth.
Degradation of organic material and the subsequent release of CO probably causes 2
supralysoclinal dissolution. A northward extension of the corrosive Antarctic Intermediate
Water (AAIW) flows through the Caribbean Sea into the Gulf of Mexico and might enhance
dissolution processes at around 1000 m water depth.
The second part of this study deals with the preservation of Pliocene to Holocene
carbonate sediments from both the windward and leeward basins adjacent to Great Bahama
Bank (Ocean Drilling Program Sites 632, 633, and 1006). Detailed census counts of the sand
fraction (250-500 µm) show the general composition of the coarse grained sediment. Further
methods used to examine the preservation state of carbonates include the amount of organic
carbon and various dissolution indices, such as the LDX and the Fragmentation Index.
Carbonate concretions (nodules) have been observed in the sand fraction. They are similar to
the concretions or aggregates previously mentioned by Mullins et al. (1980a) and Droxler et
al. (1988a), respectively. Nonetheless, a detailed study of such grains has not been made to
date, although they form an important part of periplatform sediments. Stable isotope-
measurements of the nodules´ matrix confirm previous suggestions that the nodules have
formed in situ as a result of early diagenetic processes (Mullins et al., 1980a). The two cores,
which are located in Exuma Sound (Sites 632 and 633), at the eastern margin of Great
Bahama Bank (GBB), show an increasing amount of nodules with increasing core depth. In
Pliocene sediments, the amount of nodules might rise up to 100%. In contrast, nodules only
occur within glacial stages in the deeper part of the studied core interval (between 30 and
70 mbsf) at Site 1006 on the western margin of GBB. Above this level the sediment is
constantly being flushed by bottom water, that might also contain corrosive AAIW, which
would hinder cementation. Fine carbonate particles (<63 µm) form the matrix of the nodules
and do therefore not contribute to the fine fraction. At the same time, the amount of the coarse
fraction (>63 µm) increases due to the nodule formation. The formation of nodules might
therefore significantly alter the grain-size distribution of the sediment. A direct comparison of
the amount of nodules with the grain-size distribution shows that core intervals with high
amounts of nodules are indeed coarser than the intervals with low amounts of nodules. On the
other hand, an initially coarser sediment might facilitate the formation of nodules, as a high
porosity and permeability enhances early diagenetic processes (Westphal et al., 1999). This
VIAbstract
suggestion was also confirmed: the glacial intervals at Site 1006 are interpreted to have
already been rather coarse prior to the formation of nodules. This assumption is based on the
grain-size distribution in the upper part of the core, which is not yet affected by diagenesis,
but also shows coarser sediment during the glacial stages. As expected, the coarser, glacial
deposits in the lower part of the core show the highest amounts of nodules. The same effect
was observed at Site 632, where turbidites cause distinct coarse layers and reveal higher
amounts of nodules than non-turbiditic sequences. Site 633 shows a different pattern: both the
amount of nodules and the coarseness of the sediment steadily increase with increasing core
depth.
Based on these sedimentological findings, the following model has been developed: a
grain-size pattern characterised by prominent coarse peaks (as observed at Sites 632 and
1006) is barely altered. The greatest coarsening effect due to the nodule formation will occur
in those layers, which have initially been coarser than the adjacent sediment intervals. In this
case, the overall trend of the grain-size pattern before and after formation of the nodules is
similar to each other. Although the sediment is altered due to diagenetic processes, grain size
could be used as a proxy for e.g. changes in the bottom-water current. The other case
described in the model is based on a consistent initial grain-size distribution, as observed at
Site 633. In this case, the nodule reflects the increasing diagenetic alteration with increasing
core depth rather than the initial grain-size pattern. In the latter scenario, the overall grain-size
trend is significantly changed which makes grain size unreliable as a proxy for any
palaeoenvironmental changes.
The results of this study contribute to the understanding of general sedimentation
processes in the periplatform realm: the preservation state of surface samples shows the
influence of supralysoclinal dissolution due to the degradation of organic matter and due to
the presence of corrosive water masses; the composition of the sand fraction shows the
alteration of the carbonate sediment due to early diagenetic processes. However, open
questions are how and when the alteration processes occur and how geochemical parameters,
such as the rise in alkalinity or the amount of strontium, are linked to them. These
geochemical parameters might reveal more information about the depth in the sediment
column, where dissolution and cementation processes occur.
VIIKurzfassung
Kurzfassung
Der Karbonatkreislauf im Ozean besteht im Wesentlichen aus der Produktion und der
Lösung bzw. Erhaltung karbonatischer Partikel in der Wassersäule und im Sediment. Ein
wichtiger Steuerfaktor für die Produktion und Lösung von Karbonat ist der CO -Gehalt im 2
umgebenden Wasser. Zwischen Ozean und Atmosphäre findet ein steter Austausch von CO2
statt, so dass durch den anthropogenen Anstieg des Kohlendioxids in der Atmosphäre auch
dessen Gehalt im Ozean gestiegen ist. Die steigenden CO -Emissionen in die Atmosphäre seit 2
der Industrialisierung werden aktuell in Bezug auf deren drastische Auswirkungen auf marine
Organismen, z.B. Riffe, aber auch alle anderen karbonatbildenden Organismen, diskutiert
(Kolbert, 2006). In dem Zusammenhang wurde der Begriff „Ozean-Versauerung“ eingeführt
(Caldeira und Wickett, 2003).
Je tiefer die Temperatur, je höher der Druck und je höher der CO -Gehalt des 2
umgebenden Wassers, desto leichter werden Karbonatpartikel an der Wasser-Sediment-
Grenze in der Tiefsee wieder gelöst. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Sättigung des
Wassers in Bezug auf Kalzit und Aragonit. Verstärkte Lösung von Aragonit und Kalzit findet
unterhalb der jeweiligen chemischen Lysokline und vollständige Lösung unterhalb der
jeweiligen Kompensationstiefe statt. Die Lysokline und Kompensationstiefe von Aragonit
liegen dabei in geringeren Wassertiefen als die von Kalzit. Im Nordatlantik, wo die
Korrosivität niedrig ist, liegen Lysokline und Kompensationstiefe in großen Tiefen, im
korrosiveren Pazifik dagegen relativ flach. In den 80er Jahren wurde die These aufgestellt,
dass eine signifikante Lösung von Karbonat bereits oberhalb der Lysokline stattfindet,
entweder noch in der Wassersäule oder an der Sediment-Wasser-Grenze. Unbekannte Mengen
an der Meeresoberfläche produzierten Karbonats würden dadurch gelöst. Diese unbekannte
Menge würde sich wiederum auf die Berechnung der Karbonatproduktion und damit des
gesamten Karbonathaushaltes im Ozean auswirken. Supralysoklinale Lösung wurde daraufhin
tatsächlich an vielen Stellen weltweit nachgewiesen, z.B. am Ceara Rise im äquatorialen
Westatlantik (Martin und Sayles, 1996), in der Arabischen See (Milliman et al., 1999), im
Äquatorial-Indik (Peterson und Prell, 1985; Schulte und Bard, 2003) und im Äquatorial-
Pazifik (Kimoto et al., 2003). Trotzdem bleibt die Frage bestehen, ob supralysoklinale Lösung
ein generelles Phänomen oder auf einige wenige Gebiete begrenzt ist. Der erste Teil dieser
Studie versucht darauf eine Antwort zu finden, basierend auf den Berechnungen des globalen
Karbonathaushalts von Milliman et al. (1999). Die Bahamas und die Floridastraße eignen sich
dafür sehr gut, da die Karbonatlysokline dort aufgrund der hohen Karbonatproduktion
weltweit am tiefsten liegt. Da Aragonit leichter löslich ist als Kalzit, wurde ein
VIIIKurzfassung
Lösungsanzeiger verwendet, der den Erhaltungsgrad von aragonitischen Pteropodenschalen
bewertet: der Limacina inflata-Lösungsindex (Limacina inflata Dissolution Index; LDX),
entwickelt von Gerhardt und Henrich (2001). Zusätzliche Korngrößenanalysen des Sediments
erlaubten Rückschlüsse auf Fragmentationsprozesse; des Weiteren wurden die mineralogische
Zusammensetzung und die Faunenvergesellschaftung der planktischen Foraminiferen
untersucht. Während alle Proben von der Bahama-Plattform eine gute Karbonaterhaltung
aufweisen, wurden in der Florida-Straße Lösungs-Erscheinungen in 800-1000 m und
unterhalb 1500 m Wassertiefe festgestellt. Als Ursache für diese supralysoklinale Lösung
kann der Abbau organischen Materials und die dadurch verursachte Freisetzung von CO2
angesehen werden. Der nördliche Ausläufer des korrosiven Antarktischen Zwischenwassers
fließt durch die Karibik bis in den Golf von Mexiko und weiter in die Floridastraße und
könnte somit zu den korrosiveren Bedingungen im Bodenwasser bei 1000 m Wassertiefe
beitragen.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Erhaltung pliozäner bis holozäner
Karbonatsedimente anhand dreier Kerne des Ocean Drilling Programs (ODP) aus westlich
und östlich der Großen Bahama-Bank (GBB) liegenden Becken untersucht (Sites 1006 bzw.
632 und 633). Die generelle Zusammensetzung der Sandfraktion (größer als 63 µm) wurde
anhand detaillierter Zählungen der repräsentativen Fraktion 250-500 µm bestimmt. Zusätzlich
wurden der Anteil an organischem Kohlenstoff gemessen und verschiedene Lösungsindizes
berechnet, u.a. der LDX und die Fragmentationsrate. In der Sandfraktion wurden
Karbonatkonkretionen („nodules“) gefunden, die in dieser oder ähnlicher Form bereits in
mehreren Arbeiten über die Sedimente rund um die Bahama-Plattform beschrieben wurden
(u.a. Mullins et al., 1980a; Droxler et al., 1988a). Obwohl die „nodules“ einen wichtigen
Bestandteil von Periplattform-Sedimenten bilden, wurden sie jedoch bislang nicht detailliert
untersucht. Stabile Isotopen-Messungen der „nodule“-Matrix bestätigten die bisherige
Vermutung, dass solche Konkretionen durch frühdiagenetische Prozesse in situ gebildet
wurden. Die beiden Kerne im Exuma Sound (Sites 632 und 633), auf der Ostseite der GBB
gelegen, weisen einen mit der Kerntiefe zunehmenden Anteil an „nodules“ auf, der in den
pliozänen Sedimenten bis auf 100% ansteigt. Site 1006, an der Westseite der GBB gelegen,
ist dagegen nur im unteren Teil des untersuchten Kernabschnittes (in 30-70 m Kerntiefe) von
der „nodule“-Bildung betroffen und auch dort nur in den Sedimenten der Glazialstadien.
Oberhalb 30 m Kerntiefe wird das Sediment ständig von Bodenwasser durchspült. Dieses
Bodenwasser beinhaltet möglicherweise korrosives antarktisches Zwischenwasser, was
wiederum eine Zementation in dieser Zone verhindern würde. Feine Karbonatpartikel (kleiner
IXKurzfassung
als 63 µm) bilden die Matrix der grobkörnigen „nodules“ und sind somit nicht mehr
Bestandteil der Feinfraktion. Gleichzeitig wird der Grobfraktionsanteil (>63 µm) durch die
gebildeten Karbonat-konkretionen erhöht. Der gesamte Prozess kann somit die
Korngrößenverteilung eines Sediments beträchtlich verändern. Ein Vergleich der „nodule“-
Häufigkeit mit der Korngrößenverteilung im Sediment ergab, dass tatsächlich die
Kernintervalle mit großen Anteilen an „nodules“ deutlich gröber sind als die Intervalle mit
geringen Anteilen an „nodules“. Andererseits mag ein ursprünglich gröberes Sediment die
Bildung von „nodules“ fördern, da eine höhere Porosität und Permeabilität einen höheren
Porenfluss zur Folge hat und damit frühdiagenetische Prozesse fördert. Auch diese
Vermutung wurde bestätigt: Die glazialen Bereiche in Kern 1006 waren schon vor der
„nodule“-Bildung relativ grob. Diese Annahme basiert auf dem Verteilungsmuster des oberen
Kernabschnitts, der noch nicht durch Diagenese überprägt wurde, aber ebenso grobe
Sedimente während der Glazialstadien aufweist. Erwartungsgemäß weisen die groben,
glazialen Bereiche im unteren Kernabschnitt die höchsten Anteile an „nodules“ auf. Der
gleiche Effekt wurde im Kern 632 beobachtet; allerdings sind in diesem Fall Turbidite für die
ursprünglich gröberen Lagen verantwortlich. Kern 633 zeigt ein anderes Muster: Das
Sediment wird mit zunehmender Tiefe stetig reicher an „nodules“ und gleichzeitig gröber.
Basierend auf den sedimentologischen Befunden wurde folgendes Modell entwickelt:
Die Korngrößenverteilung eines Sediments mit einzelnen, gröberen Lagen, wie in den Kernen
632 und 1006, wird durch die Bildung von „nodules“ kaum verändert, da eine verstärkte
„nodule“-Bildung gerade die Lagen vergröbert, die vorher auch schon gröber waren als das
umliegende Sediment. Da sich der allgemeine Trend der Korngrößenverteilung in diesen
Fällen nicht ändert, könnte man die Korngröße auch nach der frühdiagenetischen
Überprägung noch als Näherungswert (Proxy) für z.B. Änderungen der Bodenwasser-
strömung verwenden. Im zweiten Fall ist die ursprüngliche Korngrößenverteilung sehr
gleichmäßig, wie z.B. in Kern 633, sodass das „nodule“-Verteilungsmuster weniger die
Korngröße widerspiegelt als vielmehr die mit der Kerntiefe zunehmende diagenetische
Überprägung. Dadurch wird der Trend der Korngrößenverteilung signifikant geändert, und
Korngröße kann nicht mehr zuverlässig als Proxy für Veränderungen der Paläo-Umwelt
verwendet werden.
Die Ergebnisse der Arbeit tragen wesentlich zum besseren Verständnis des
Ablagerungsgeschehens im Periplattform-Bereich bei: Die Erhaltung der Oberflächenproben
zeigt den Einfluss supralysoklinaler Lösung aufgrund der Degradierung organischen Materials
und aufgrund korrosiver Wassermassen; die genaue Zusammensetzung der Sandfraktion zeigt
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