Western Mediterranean shelf foraminifera: Recent ... Modern and fossil benthic shelf foraminifera from

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  • Western Mediterranean shelf foraminifera: Recent distribution, Holocene sea-level

    reconstructions, and paleoceanographic implications

    Dissertation

    Zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften im Department

    Geowissenschaften der Universität Hamburg

    vorgelegt von

    Yvonne Milker aus

    Leipzig

    Hamburg

    (2010)

  • Als Dissertation angenommen vom Department Geowissenschaften der Universität Hamburg

    auf Grund der Gutachten von Prof. Dr. G. Schmiedl

    und Prof. Dr. C. Betzler

    Hamburg, den 07.07.2010

    Prof. Dr. Jürgen Oßenbrügge

    Leiter des Departments für Geowissenschaften

  • Danksagung

    Zum Entstehen und Gelingen dieser Arbeit hat eine Reihe von Personen beigetragen, denen ich an dieser Stelle meinen Dank ausdrücken möchte.

    Allen voran möchte ich mich bei meinem Doktorvater Prof. Dr. Gerhard Schmiedl für die Vergabe des Dissertationsthemas, für die ausgezeichnete fachliche Betreuung, die konstruktiven Diskussionen und Anregungen im Verlaufe der Arbeit sowie für die Verbesserungen der englischen Sprache herzlich bedanken. Weiterhin danke ich herzlich Prof. Dr. Christian Betzler für dessen fachliche Betreuung und die vielen anregenden Diskussionen im Verlaufe der Arbeit.

    Dipl. Geol. Miriam Römer und Dipl. Geol. David Jaramillo-Vogel danke ich herzlich für die Bereitstellung der Daten aus ihren Diplomarbeiten und für die vielfältigen Diskussionen. Für seinen Einsatz bei der Aufbereitung des Probenmaterials danke ich Dipl. Geol. Robert Welti. Unserer studentischen Hilfskraft cand. Dipl. Geol. Marc Theodor gilt besonderer Dank für seine Labortätigkeiten und die vorbereitende Arbeiten mit dem Probenmaterial sowie für die vielfältigen Diskussionen und das Aushalten meiner Monologe, die der Reflektion der eigenen Arbeit dienten.

    Für die vielfältigen konstruktiven Diskussionen und Anregungen bedanke ich mich bei Dr. Sebastian Lindhorst und Dipl. Geol. Jörn Fürstenau, Prof. Dr. Michal Kucera und Dr. Michael Siccha sowie Prof. Dr. Klaus Reicherter und Prof. Dr. emer. Klaus Bandel.

    Dr. Nils Andersen (Leibniz Labor für Altersbestimmung und Isotopenforschung, Universität Kiel) ist für die Durchführung der Isotopenmessung und Prof. Dr. Pieter Grootes (Leibniz Labor für Altersbestimmung und Isotopenforschung, Universität Kiel) für die Durchführungen der Alterdatierungen gedankt.

    Weiterhin danke ich der Promotionsförderungsstelle der Universität Hamburg, die es durch meine Anstellung möglich machte diese Arbeit durchführen zu können. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ist für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Projektes CARBMED zu danken.

    Bei meinen Eltern bedanke ich mich herzlich für die finanzielle Unterstützung während dieser Arbeit und den Rückhalt, den sie mir geben konnten. Meinem Freund Thomas danke ich vor allem für seine emotionale Unterstützung, die es möglich machte, immer wieder neu Kraft zu schöpfen und auch für seine Hilfe bei der Verbesserung des Englischen.

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  • Summary

    Modern and fossil benthic shelf foraminifera from three western Mediterranean cool-water

    carbonate regions (Alboran Platform, Oran Bight and the Mallorca Shelf) have been analyzed

    for the development of quantitative sea-level estimates and the reconstruction of changes in

    shelf water oceanography. The live (Rose Bengal stained) assemblages exhibit variable

    standing stocks and low diversity, probably reflecting seasonal population dynamics during the

    sampling period in late summer 2006. The dominance of “high food”-taxa in the live faunas of

    Oran Bight suggests the impact of an anthropogenic eutrophication on the near-coastal

    benthic ecosystems of this region. In contrast, the dead benthic foraminiferal assemblages are

    characterized by a higher diversity. In all study areas, a distinct faunal change between

    approximately 80 - 94 m water depth has been observed. On the shelf off Southwest Mallorca,

    this faunal shift coincides with the lower distribution limit of living rhodoliths, providing coarse-

    grained substrates that are dominated by attached epifauna. The species assemblages of the

    shallower sites (down to ~90 m water depth) are dominated by epifaunal species in all study

    areas. In contrast, the species assemblages of the deeper stations show regional differences,

    depending on the grain-size of the substrate and related accumulation of organic material.

    Fine-grained substrates, providing niches for infaunal species, are restricted to low-energy

    environments on the deeper Mallorca shelf. These observations demonstrate that the

    availability of food on the sea floor and the creation of infaunal niches in cool water carbonate

    shelf environments are mainly controlled by the substrate type and do not reflect differences in

    surface water production.

    For relative sea-level reconstructions, transfer functions based on the Recent benthic

    foraminiferal assemblages and on Plankton/ Benthos ratios (P/B) were developed and then

    applied to fossil foraminiferal assemblages and P/B ratios. The transfer functions are based on

    regression methods such as Weighted Averaging (WA), Partial Least Squares (PLS), and WA-

    PLS, and further, the Modern Analoque Technique (MAT). The best predictive potential was

    given for the WA-PLS method, reflecting a high potential for quantitative sea-level

    reconstructions with an accuracy of +/- 10 m within a total sea-level rise of ~45 and ~47 m for

    the Alboran Platform and the southwest shelf off Mallorca, respectively. The more classical

    approach, based on Plankton/Benthos (P/B) transfer functions, resulted in less consistent

    reconstructions with higher errors. On the Alboran Platform and the Mallorca Shelf, the relative

    sea-level estimates correspond to the global and the Mediterranean sea-level developments

    during the Holocene. On the Mallorca shelf, the relative sea-level signal interferes with

    temporal substrate changes, resulting in minor inconsistencies during the middle Holocene

    period. In the Oran Bight, the estimated sea-level rise appears to be overestimated, when

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  • Summary

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    compared to the global and Mediterranean sea-level histories in the middle and late Holocene.

    While major vertical tectonic movements in this area can be excluded, the overestimation may

    be attributed to a problematic age model and to redeposition processes resulting in enhanced

    relocation of benthic foraminifera.

    The paleoclimatic evolution of the southwestern shelf off Mallorca during the Holocene has

    been reconstructed from stable oxygen and carbon isotope records in various benthic and

    planktonic foraminiferal tests and by micro- and macrofossil observations in a sediment core.

    The earliest Holocene is characterized by a higher seasonality as reflected by stable oxygen

    signals in the planktonic foraminifera Globigerinoides ruber (white) and Globigerina bulloides.

    The early and middle Holocene period (between 9.6 and 5.5 kyr BP) is characterized by

    particularly low seasonal contrasts and by the establishment of humid conditions on Mallorca

    Island. This resulted in a freshening of the surface mixed layer, enhanced nutrient fluxes from

    the island and a related eutrophication of the near-coastal marine ecosystems. This

    hydrological change is reflected by drops in the stable carbon isotope values of G. ruber

    (white) and the endobenthic Bulimina aculeata as well as in the appearances of the gastropod

    Turritella communis and the endobenthic foraminifer Rectuvigerina phlegeri. This humid period

    is nearly contemporaneous to the sapropel S1 formation in the eastern Mediterranean Sea.

    This demonstrates for the first time that the early Holocene warm and humid phase in the

    Mediterranean Sea has also affected the near-coastal ecosystems in the western part.

    The detailed systematic documentation of benthic foraminiferal taxa from shallow-water

    carbonate environments of the western Mediterranean Sea provides a solid taxonomic base

    for further ecological and paleoenvironmental applications and adds significantly to already

    existing systematic descriptions from other areas of the Mediterranean Sea.

  • Kurzfassung

    Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden rezente und holozäne benthische Foraminiferen

    aus drei Karbonatschelfgebieten im westlichen Mittelmeer (Alboran-Plattform, Bucht von Oran

    und der Schelf von Mallorca) auf ihre Zusammensetzung, ihre Abhängigkeit von

    Umweltbedingungen sowie auf ihr zeitliches Auftreten hin untersucht. Wesentliches Ziel der

    Arbeit ist die Entwicklung von Transferfunktionen für quantitative Meeresspiegel-

    Rekonstruktionen und die Dokumentation von regionalen Auswirkungen der holozänen

    Klimadynamik auf flachmarine Ökosysteme im westlichen Mittelmeer.

    Die Lebendgemeinschaftten zeichnen sich durch eine relativ geringe Diversität und

    schwankende Siedlungsdichten aus, was auf eine saisonal bedingte Populationsdynamik

    hinweist. In der Bucht von Oran werden die Lebendgemeinschaften von infaunalen

    Foraminiferen dominiert, was auf eine anthropogen verursa

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