Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-3301
Authors: Marali-Djame-Khiabani, Soraya
Title: Evaluating growth patterns and element-to-calcium ratios of "Arctica islandica" (Bivalvia) shells as environmental proxies
Online publication date: 24-Feb-2017
Language: english
Abstract: Long-term, coherent, multi-regional records of environmental parameters are needed to quantify the rapidity, persistence and geographic extent of climatic phenomena and/or (extreme) weather events. The aragonitic shell of the long-lived marine bivalve mollusk Arctica islandica records past environmental conditions in the climate-sensitive, extra-tropical North Atlantic Ocean over decades to centuries at an annual or even higher resolution. Due to synchronous shell growth, individual growth records can be stacked together to form so-called composite chronologies. These chronologies provide uninterrupted annual to sub-annual environmental proxy data over several centuries or even millennia. Although previous studies demonstrated that A. islandica shells are reliable paleoclimate archives, there are still research questions. The present study addresses the following issues: (1) Are shells from shallow water specimens also suitable to construct stacked chronologies? (2) Can chronology construction be facilitated and increment-based crossdating be tested by means of geochemical properties? (3) Are environmental factors driving the growth and trace element-to-calcium ratios of A. islandica shells? In the first manuscript of this thesis, it has been demonstrated that the shell growth patterns of A. islandica from shallow (ca. 9 – 23 m), unpolluted waters off northeastern Iceland (1) grew synchronously over discrete time intervals and (2) shell growth responded to the local oceanographic conditions. (3) The degree to which the environmental signals are expressed in the chronology (i.e. the degree of growth synchrony between the specimens) is high, when the environmental year-to-year variability reaches a critical level, the strength of which needs to be determined in future studies. The second and third manuscript explored the trace element-to-calcium ratios of A. islandica shells by means of laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS) in line scan mode. The second article focused on shell barium-to-calcium (Ba/Ca) ratios of specimens from four distinct habitats (Iceland, Faroe Islands, Isle of Man, Gulf of Maine), showing that (4) shell Ba/Ca ratios were highly synchronous among coeval specimens from the same habitat and (5) may be related to marked increases in oceanic primary productivity. (6) The synchrony in shell Ba/Ca time-series was not influenced by changes in increment widths (as long as the sampling resolution is adequate, e.g., increment widths are not below the laser spot-size). Therefore, (7) shell Ba/Ca time-series can be used to double-check the temporal alignment of contemporaneous shells from the same locality. The last article examined additional means for assessing the reliability of shell element-to-calcium ratios as proxies of environmental parameters. To do so, the reproducibility of trace element time-series was tested within specimens and between coeval shells from the same site. (8) Na/Ca time-series of this species were largely irreproducible and therefore likely contained no environmental information. (9) Sr/Ca and Mg/Ca time-series were well-reproducible within specimens and were synchronous among coeval A. islandica as long as shell growth patterns were similar. Thus, these ratios may function as growth line tracers (when studied with the techniques applied in the present article). (10) The degree to which Mn/Ca time-series were reproducible within each specimen were potentially lowered, because the Mn/Ca ratios of the shells were close to detection limits. Still, Mn/Ca time-series were running synchronous among coeval specimens from the same site over certain time intervals, which may indicate that shell Mn/Ca ratios are potentially influenced by environmental parameters. (11) Shell Ba/Ca ratios were the most reproducible both within and between specimens and thus probably contain a strong environmental signal.
Zusammenfassung Lange, kontinuierliche, überregionale Zeitreihen von Umweltparametern sind wichtig, um die Geschwindigkeit, die Dauer und die geographische Dimension von klimatischen Phänomenen und/oder (extremen) Wettereignissen zu quantifizieren. Die aragonitische Schale der langlebigen marinen Muschel Arctica islandica zeichnet die Umweltbedingungen vergangener Zeiten im klima-sensitiven, außertropischen Nordatlantischen Ozean über mehrere Jahrzehnte bis Jahrhunderte mit einer jährlichen oder höheren zeitlichen Auflösung auf. Aufgrund des synchronisierten Schalenwachstums, können die Wachstumsmuster verschiedener Individuen zu sogenannten zusammengesetzten Chronologien kombiniert werden. Diese Chronologien liefern über mehrere Jahrhunderte oder sogar Jahrtausende annuell bis sub-annuell aufgelöste Proxy-Daten für die Rekonstruktion von Umweltparametern. Obwohl frühere Studien gezeigt haben, dass die Schalen von A. islandica verlässliche Paläo-Umwelt-Archive darstellen, sind noch immer Forschungsfragen offen, von denen die Folgenden in der vorliegenden Studie behandelt werden: (1) Sind die Schalen von Exemplaren aus dem Flachwasser ebenfalls geeignet um Chronologien zu erstellen? (2) Kann der Aufbau einer Chronologie erleichtert, sowie das Inkrement-basierte Crossdating durch geochemische Methoden getestet werden? (3) Steuern Umweltfaktoren das Wachstum und die Spurenelemente-zu-Kalzium-Verhältnisse von A. islandica Schalen? Im ersten Manuskript dieser Dissertation wurde gezeigt, dass die Wachstumsmuster von A. islandica Schalen aus flachem (ca. 9 – 23 m), nicht verunreinigtem Meerwasser nordöstlich vor Island (1) über bestimmte Zeitabschnitte synchron zueinander wuchsen und (2) dass das Wachstum von den lokalen ozeanographischen Bedingungen gesteuert wurde. (3) Das Ausmaß zu dem Umweltsignale in der Chronologie enthalten sind (d.h., der Grad zu welchem das Schalenwachstum zwischen Individuen synchronisiert ist) war hoch, wenn die inter-annuelle Variabilität von Umweltparametern ein bestimmtes Level erreicht, dessen Höhe in kommenden Studien bestimmt werden muss. Das zweite und dritte Manuskript befassten sich mit den Spurenelement-zu-Kalzium Verhältnissen von A. islandica Schalen, welche mittels Linien-Messungen der Laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS) bestimmt wurden. Der zweite Artikel behandelte die Barium-zu-Kalzium (Ba/Ca) Verhältnissen in den Schalen von Exemplaren, welche von vier unterschiedlichen Habitaten stammen (Island, den Färöer Inseln, der Insel Man und dem Golf von Maine). Die Studie zeigte, dass die (4) Ba/Ca Verhältnisse in den Schalen der Muscheln, welche zeitgleich und im selben Habitat lebten, hochgradig synchron verliefen und (5) eventuell mit ausgeprägten Anstiegen der ozeanischen Primärproduktion in Zusammenhang stehen. (6) Die Synchronität zwischen den Ba/Ca Zeitreihen der Schalen wurde nicht durch Änderungen in den Inkrementbreiten beeinflusst (jedenfalls nicht, solange die räumliche Auflösung während der Messung angemessen war, also z.B. die Inkrementbreite nicht unterhalb der Breite eines Laser-Punktes lag). (7) Deshalb können die Ba/Ca Zeitreihen von Schalen verwendet werden, um zu testen, ob die zeitliche Anordnung von gleichzeitig lebenden Proben aus der gleichen Lokalität korrekt war. Der letzte Forschungsartikel ermittelte zusätzliche Methoden, um festzustellen, ob bestimmte Element-zu-Kalzium Verhältnisse der Muschelschalen, welche mittels Linien-Messungen der Laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS) bestimmt wurden, als Umweltanzeiger geeignet sind. Dafür wurde die Reproduzierbarkeit von Spurenelement-Zeitreihen innerhalb von Proben, sowie zwischen zeitgleich existierenden Schalen erforscht, welche von der gleichen Lokation stammten. (8) Die Na/Ca Zeitreihen dieser Spezies konnten größtenteils nicht reproduziert werden und enthalten daher wahrscheinlich keine Umwelt-Information. (9) Die Sr/Ca und Mg/Ca waren innerhalb jeder Probe gut reproduzierbar und verliefen synchron zwischen gleichzeitig lebenden A. islandica, solange deren Schalen ähnliche Wachstumsmuster aufwiesen. Demzufolge könnten die Sr/Ca und Mg/Ca Elementverhältnisse vorwiegend als Indikatoren für Wachstumslinien fungieren (wenn sie mit denselben Techniken ermittelt werden, die auch im Artikel verwendet worden sind). (10) Das Ausmaß zu welchem sich Mn/Ca Zeitreihen innerhalb von Proben reproduzieren ließen wurde wahrscheinlich dadurch verringert, dass die Mn/Ca Verhältnisse der Schalen nahe der Nachweisgrenze waren. Trotz dessen verliefen Mn/Ca Zeitreihen verschiedener Individuen derselben Population in bestimmten Zeitabschnitten synchron zueinander, was darauf hinweisen kann, dass die Mn/Ca Verhältnisse der Schalen durch Umweltparameter beeinflusst sein könnten. (11) Die Ba/Ca Zeitreihen der Schalen waren sowohl innerhalb als auch zwischen Proben exzellent reproduzierbar und spiegeln daher höchstwahrscheinlich Umweltsignale wieder.
DDC: 560 Paläontologie
560 Paleontology
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3301
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000010152
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: XVIII, 186 Seiten
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