Application of Sr-Nd-Pb isotopes to the late quaternary paleoceanography of the Atlantic Ocean

Abstract

The Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) plays a crucial role in distributing heat around the globe and impacts strongly on Earth’s climate. The long-lived radiogenic systems Sm-Nd, Rb-Sr and Th-U-Pb have been developed and used extensively in oceanography as robust tracers of water mass provenance and water mass mixing, in particular, in relation to variability in the AMOC and its correlation with climate change and glacial-interglacial cycles. These applications of the Sr-Nd-Pb radiogenic isotope systems to paleoceanography are explored here by analyzing hydrogenetic components and terrigenous phases from Atlantic deep-sea sediment cores. The reconstruction of paleocurrents has long been a subject of paleoceanographic research. Many of these studies have focused on documenting variations in North Atlantic Deep Water (NADW) intensity on millennial and glacial-interglacial timescales. Changes in AMOC strength and formation of NADW during the Last Glacial Maximum (LGM) still remain very uncertain despite being discussed and argued about in many studies. Here, we present Sr and Nd radiogenic isotope records of Fe-Mn oxide leachates of bulk sediment - which reflect the composition of deep water - from cores located in the South Atlantic, to reconstruct past variability in NADW circulation over the last glacial cycle. The Fe-Mn leachate ƐNd records show a coherent decreasing trend from glacial radiogenic values towards less radiogenic values during the Holocene. Our results, along with published multi-proxy records, suggest that (a) a shallower Southern Component Water penetration northwards during the LGM, (b) there was continuous production and export of Northern Component Water over the last 24 kyr, and (c) the AMOC was reinvigorated progressively to its full strength today over the Holocene period. A second study presented here uses the radiogenic isotopic compositions of Sr, Nd and Pb hosted in detrital minerals extracted from ocean sedimentary cores to infer the provenance of air-borne dust deposited into the equatorial Atlantic, and to discuss these data in relation to glacial-interglacial climate forcing. The down-core Sr-Nd-Pb isotopes in the detrital fraction from a core located on the Sierra Leone Rise (SLR), in the eastern tropical Atlantic, imply that the predominant dust sources are located in Mauritania, Northern Mali and the Bodélé Depression. The eolian inputs from the Mali and Bodélé sources are present in roughly equal proportions throughout the past 180 kyr. However, more Mauritanian dust input, having a more radiogenic Pb isotopic composition, is found during African Humid Periods, when vegetation spread northwards and many now-dry lakes were filled, suppressing dust emission from the Mali and Bodélé Depression regions. Dust delivery to the SLR occurs mainly during the boreal winter by wet deposition, and is blocked during the summer monsoon months as the Intertropical Convergence Zone migrates northwards. In the western equatorial Atlantic, we have investigated the detrital fraction of a sediment core located on the Ceara Rise (CR), which reflects suspended load output from the Amazon River plume entering the western Atlantic. Systematic variations are seen in the detrital fraction Sr-Nd-Pb isotope records from this core: these variations correlate extremely well with glacial-interglacial cycles. Within the catchment, terrigenous supply is from the highland Andes (in the west) and the lowland Guiana Shield (in the east), and there is a greater contribution from the highland Andes during glacial versus interglacial periods. Good correlations are observed between isotopic compositions, relative sea level and Northern Hemisphere summer insolation, showing that climate within the Amazon Basin as a whole was strongly modulated over glacial-interglacial cycles, exerting control on the provenance of the suspended load delivered by the Amazon River. In summary, this thesis provides new insights into changes in AMOC strength over the last glacial cycle. Further, it is shown how North African eolian dust blown into the Eastern Atlantic was affected by climate over the past 200 kyr; similarly, we have obtained new insights into how the suspended load off the Amazon River changed in provenance over the past several glacial-interglacial cycles.

Die Atlantik meridionale Umwältzbewegung (AMOC; engl.: Atlantic Meridional Overturning Circulation) spielt eine entscheidende Rolle, Hitze um den Globus zu verteilen und hat starke Auswirkungen auf das Klima der Erde. Die langlebigen radiogenischen Isotopensysteme Sm-Nd, Rb-Sr und Th-U-Pb wurden entwickelt und finden in der Ozeanographie Anwendungen als robuste Tracer von Wassermassen, deren Herkunft und Wassermassenmischungsprozessen, insbesondere in Bezug auf die Variabilität der AMOC und Korrelationen mit Klimawandel und Glazial-Interglazial-Zyklen. Diese Anwendungen der Sr-Nd-Pb Isotopensysteme zu Paläozeanographie werden hier durch Analysen von hydrogenetischen Komponenten und terrestrische Phasen (kontinentaler Detritus) in Atlantik Tiefseesedimentbohrkernen realisiert. Die Rekonstruktion von Paläoströmen ist ein zentrales Thema der paläozeanographischen Forschung. Viele dieser Studien konzentrierten sich auf die Erforschung von Schwankungen der Nord-Atlantik-Tiefwasser (NADW; engl.: North Atlantic Deep Water) Strömungsintensität auf tausendjährigen und glazial-interglazialen Zeitskalen. Änderungen in AMOC Stärke und ob die Bildung von NADW während des letzten glazialen Maximums (LGM) stattgefunden hat, bleiben immerhin trotz heftige Diskussion und Argumentation aus vielen Studien relativ ungewiss. Wir präsentieren Sr- und Nd-Radiogen-Isotopendaten für Fe-Mn-Oxid-Phasen, die die Zusammensetzung von tiefem Wasser wiederspiegeln, aus Sedimentärablagerungen, die aus Ozeanbohrkernen im Südatlantik gewonnen waren; hier wurde die Variabilität der NADW-Zirkulation durch die letzte Eiszeit rekonstruiert. Die Fe-Mn-Oxid ƐNd-Daten zeigen einen progressiv abnehmenden Trend von glazialen radiogenischen Werten bis zu weniger radiogen während des Holozäns. Veröffentlichte Multi-Proxy-Daten zusammen mit unseren Ergebnissen deuten darauf hin, dass (a) Süd-Komponent Tiefwasser (SCW; engl.: Southern Component Water) drang nach Norden flacher während des LGM ein, (b) es gab kontinuierliche Produktion und Export von Nord-Komponent Tiefwasser (NCW; engl.: Northern Component Water) während der letzten 24 kyr, und (c) die AMOC erreicht ihre volle heutige Stärke nach und nach über die Holozän-Zeit. Eine zweite Studie, die hier präsentiert wird, handelt sich um die radiogene Isotopenzusammensetzung von Sr, Nd und Pb in detritalen Restmineralien, die aus Ozeansedimentkernen westlich vom Nordafrika extrahiert wurden. Dies wurde gemacht, um die Herkunft vom luftgetragenen Staub in den äquatorialen Atlantik stammend aus Nordafrika zu erkunden in Zusammenhang mit glazial-interglazialen Klimaänderungen. Der Bohrkern befindet sich an der Sierra Leone Erhöhung (SLR; engl.: Sierra Leone Rise) im östlichen tropischen Atlantik. Mit der Bohrkerntiefe zeigt die Sr-Nd-Pb-Isotopie der detritalen Fraktionen, dass sich die Hauptquellen für den Staub in Mauretanien, Nord Mali und die Bödele-Tiefe (Chad) befinden. Der eolische Material aus den Quellen von Mali und Bodélé liegen über die vergangenen 180 kyr in etwa gleichen Proportionen vor. Doch mehr Staub aus Mauretanien, der eine noch radiogenischer Pb-Isotopenzusammensetzung aufweist, wird während der afrikanischen Feucht-Perioden (AHP; engl.: African Humid Periods) gefunden. Zu diesen Zeiten wurde die Sahel-Vegetation noch nördlicher ausgebreitet und viele Seen, die heutzutage ausgetrocknet sind, wurden gefüllt. Dies hatte zu Folge, dass die Staubemissionen von den Mali- und Bodélé-Tiefe-Regionen unterdrückt wurden. Staubzufuhr zu die SLR kommt vor allem während des borealen Winters vor, durch Nassabscheidung (Regen), und wird während der Sommer-Monsun-Monate hauptsächlich geblockt, wenn die intertropikalische Konvergenzzone nördlich wandert. Im westlichen äquatorialen Atlantik haben wir die detritale Fraktion eines Ozeansedimentbohrkerns, der sich auf der Ceara Erhöhung (CR; engl.: Ceara Rise) befindet, untersucht. Dies beinhaltet hauptsächlich die Sedimentlast der Amazonas-Fluss-Plume, wenn dies im westlichen Atlantik gelangt. Die radiogenische Sr-Nd-Pb-Isotopenmessungen, die wir im CR-Bohrkern dokumentieren, variieren systematisch und korrelieren extrem gut mit globalen Glazial-Interglazial-Zyklen. Das Sediment aus dem Amazonas-Einzugsgebiet stammt aus zwei Hauptquellen: den Anden Hochland (im Westen) und dem Tiefland Guiana-Schild (im Osten); weiter gibt es ein deutlich größerer Beitrag aus dem Hochland Anden in Eiszeiten gegenüber Warmzeiten. Gute Korrelationen sind eindeutig zwischen Sr-Nd-Pb Isotopenzusammensetzungen, relativem Meeresspiegel und Sommer Einstrahlung in der nördlichen Hemisphäre. Diese Beobachtung zeigt, dass das Klima im Amazonas-Becken im ganzen stark durch die Glazial-Interglazial-Zyklen moduliert und abhängig ist. Dies ubt letztendlich eine entscheidende Kontrolle über die Herkunft der sedimentären Last geliefert durch den Amazonas zum atlantischen Ozean. Zusammenfassend liefert diese Arbeit einen neuen Einblick in Veränderungen der AMOC-Stärke im letzten Eiszeitzyklus. Ferner zeigen wir wie eolischer Nordafrikastaub, der in den Ostatlantik geblasen wird, durch Klimaänderungen in der nordafrikanischen Region in den letzten 200 kyr beeinflusst war. Wir haben auch neue Einblicke ergattert, inwieweit sich die Herkunft des Materials in der Sedimentlast des Amazonas-Flusses während die letzten einigen Glazial-Interglazial-Zyklen verändert hat.