Sclerochronological δ18O and δ13C patterns in shells of the aquatic gastropod Radix sp. as a new climatic and hydrologic archive for the Tibetan Plateau in sub-seasonal resolution

Abstract

The Tibetan Plateau (TP) is the largest elevated land mass on earth with a mean elevation of 4500 m a.s.l. The uplift started about 50 million years ago with the collision of the Indian and Eurasian plates. The TP has become a major focus of palaeoclimatic and palaeoenvironmental research during the last two decades because it influences not only the atmospheric circulation in Asia but also on a global scale. During the north hemispheric summer the TP heats up causing a low-pressure area over central Asia. It is generally accepted that this process results in a big land-ocean-circulation, the Indian and East Asian monsoon, which transports moist air masses from the Indian and Pacific Ocean to the Asian mainland. However, these triggering factors have recently come under scientific discussion again. Moreover, the TP is a barrier for the westerly wind circulation, which is split into a northern and a southern branch at the western margin of the TP. Open research questions concern the chronology of single uplift processes of the TP and how they affect monsoon intensity, moisture transport pathways and global circulation patterns. The TP is sometimes called the “water tower” of Asia because it is the source area of major Asian rivers such as the Indus, Brahmaputra, Mekong, Yangtze and Yellow rivers on which billions of people depend. The water regimen primarily depends on monsoon precipitation and glacier dynamics. Thus, an understanding of the atmospheric and hydrologic patterns and processes in this region is essential for evaluating future climate predictions, particularly with emphasis on “Global Change” that implicates the anthopogenic factor. Of importance is not only a deeper understanding of modern climate and environmental dynamics. Reconstructing former climate events and trends is an important tool to comprehend the entire spectrum of interactions, dynamics and scales. For this purpose, temporal high-resolution climate archives are essential because they mirror both general long-term trends and short-term (extreme) events. Suitable archives are tree rings with a resolution of one year, varves and ice cores with a seasonal resolution. However, the application of these archives to the TP is limited because most of the plateau area is treeless, most lakes do not have varves and glaciated areas are difficult to access and limited to high mountain ranges. In the doctoral thesis presented here, aragonitic shells of the aquatic gastropod Radix were investigated in order to test whether they represent a suitable high-resolution archive for climatic and hydrologic patterns on the TP. 18O and 13C ratios of the shells are in equilibrium with the ambient lake waters and therefore allow conclusions about climatic and ecological conditions. In order to obtain the highest temporal resolution, the shells were sampled in equal distance along the ontogenetic order of the whorls. Using this method, up to 31 sub-samples per shell could be measured for oxygen and carbon isotope compositions. The doctoral thesis is structured in three consecutive sections. The study started with the question if sclerochronological δ18O and δ13C values of modern Radix shells mirror modern climatic and hydrologic conditions on the TP and if it is therefore a promising archive for palaeoclimate reconstructions. Shells from three different localities at two lakes which are influenced by the monsoon system were isotopically analysed. The second step was a regional enlargement of the study in order to test if the isotope values of recent shells represent different lake settings within the atmospheric circulation. To answer this question, shells from seven lakes were analysed. Some of the lakes are located in the monsoon region, some are influenced by the westerly wind system and some are located in their transition zone. The application to fossil shells was the final step of this study. A limnological multi-proxy study on a sediment core from Lake Karakul in Tajikistan (Mischke et al., 2010) provided first results of climate and environmental conditions in the lake catchments for the last 4200 cal yr BP. 21 fossil Radix shells from the core were isotopically analysed and the results were compared to δ18O values of authigenic aragonite and ostracod calcite in order to test whether lake level changes were mainly triggered by glacial meltwater as was previously suggested by Mischke et al., (2010). The results of these three working steps are published in two international peer-reviewed journals. A third manuscript has been submitted. The sclerochronological isotope patterns indicate seasonal changes of temperature, precipitation, evaporation, biological productivity within the lakes, exchange with the atmosphere and input of allochthonous CO2 from the catchment. Furthermore, it is possible to distinguish between precipitation and meltwater fluxes. Isotopic bulk values allow conclusions about lake setting characteristics and long-term trends. The study results have shown that 1) modern δ18O and δ13C compositions of the shells mirror modern climate and hydrologic conditions on the TP and are thus a promising tool for palaeoclimatic reconstructions, 2) shells from lakes which are influenced by the monsoon system show a distinct monsoon signal in the sclerochronological patterns, 3) modern δ18O and δ13C compositions of the shells mirror different lake settings within the atmospheric circulation, independent of the lake character and, 4) late Holocene δ18O and δ13C compositions of fossil shells from Lake Karakul in Tajikistan indicate changes of temperature and meltwater flux since 4200 cal yr BP. The results of this doctoral thesis contribute to a better understanding and evaluation of atmospheric circulation patterns and hydrologic conditions on the TP. The aquatic gastropod Radix is a further suitable archive for palaeoclimatic and palaeoenvironmental studies which differs from the already existing archives by its particularly high resolution. With the aid of the sclerochronological approach it is possible to distinguish between precipitation and meltwater. Open research questions exist concerning the dynamic and the evolution of the palaeo-monsoon on the TP and in surrounding regions as well as the uplift history of the TP which can also be highlighted by using fossil Radix shells.

Das Tibetplateau (TP) ist die höchstgelegene zusammenhängende Landmasse der Erde. Die Hebung des Plateaus begann vor ungefähr 50 Millionen Jahren durch die Kollision der Indischen mit der Eurasischen Platte. Aufgrund des großen Einflusses auf die asiatischen und globalen atmosphärischen Zirkulationsmuster war das TP innerhalb der letzten Jahrzehnte zunehmend im Fokus paläoklimatischer Studien. Durch die Höhe des Plateaus, die durchschnittlich ca. 4500 m ü.M. beträgt, wirkt es im nordhemisphärischen Sommer wie eine Heizfläche, was das Tiefdruckgebiet über Zentralasien verstärkt. Es ist allgemein anerkannt, dass dieser Vorgang zu einer großen Land-Seewind- Zirkulation führt, die feuchte Luftmassen vom Indischen und Pazifischen Ozean auf das asiatische Festland transportiert (Indischer und Ostasiatischer Monsun), obwohl es jüngst erneute Diskussionen über die auslösenden Faktoren gibt. Zudem stellt das TP eine Barriere für die globale Westwindzirkulation dar, die im Bereich des westlichen Plateaus in einen nördlichen und einen südlichen Zweig gesplittet wird. Offene Forschungsfragen bestehen hinsichtlich der zeitlichen Abfolge der einzelnen Hebungsprozesse des Plateaus und wie diese sich auf Monsunintensität, Feuchtigkeitstransportwege und globale Zirkulationsmuster ausgewirkt haben. Das TP ist Quellgebiet einiger großer asiatische Flüsse wie beispielsweise Indus, Brahmaputra, Mekong, Yangze und Gelber Fluss, deren Wasserführung wesentlich von Monsunniederschlägen und Gletscherdynamik abhängen und die das Leben von mehr als einer Milliarde Menschen beeinflussen. Das TP wird deshalb auch der „Water Tower“ Asiens genannt. Das Verständnis von atmosphärischen und hydrologischen Mustern und Prozessen in dieser Region ist folglich essentiell, um zukünftige Klimaprognosen zu bewerten, insbesondere unter dem Aspekt von „Global Change“, was den anthropogenen Faktor mit einbezieht. Dabei ist jedoch nicht nur das Prozessverständnis moderner Klima- und Umweltdynamiken von Bedeutung. Auch die Rekonstruktion von Klimaereignissen und –trends in der Vergangenheit sind ein wichtiges Werkzeug um die ganze Bandbreite von Wechselwirkungen, Dynamiken und Größenordnungen zu erfassen und zu verstehen, und um diese Erkenntnisse in zukünftige Prognosen mit einfließen zu lassen. Dafür sind zeitlich hochaufgelöste Archive wichtig, die nicht nur generelle Trends abbilden sondern auch relativ kurzfristige (extreme) Klimaereignisse widerspiegeln. Geeignete Archive sind Baumringe mit einer Auflösung von einem Jahr, Warven mit einer saisonalen Auflösung oder Eisbohrkerne mit einer bestenfalls saisonalen Auflösung. Die Verwendung dieser Archive ist auf dem TP jedoch nur eingeschränkt möglich, da der größte Teil des Plateaus baumlos ist, die meisten Seen keine Warven aufweisen und sich Vergletscherungen auf einige wenige Gebiete beschränken. Zudem sind weite Teile des Plateaus nur unter erschwerten Bedingungen zugänglich. In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, ob die aragonitischen Gehäuse der aquatischen Gastropode Radix solch ein geeignetes Archiv für hochauflösende klimatische und hydrologische Muster auf dem TP darstellen. Als Klima- und Umweltproxy wurden 18O und 13C Verhältnisse analysiert, da sich die Isotopenwerte der Gehäuse im Gleichgewicht mit den Habitaten innerhalb der Seen befinden und somit Rückschlüsse auf die klimatischen und ökologischen Gegebenheiten erlauben. Um eine besonders hohe zeitliche Auflösung zu erreichen, wurden die Gehäuse in einem gleichmäßigen Abstand entlang der ontogenetischen Wachstumsspirale beprobt. Mit dieser Methode konnten bis zu 31 Einzelproben pro Gehäuse gewonnen werden, die isotopisch analysiert wurden. Die Dissertation ist in drei thematisch aufeinander aufbauende Abschnitte strukturiert. Am Anfang stand die Frage, ob sclerochronologische δ18O und δ13C Muster rezenter Radixgehäuse die rezenten klimatischen und hydrologischen Gegebenheiten widerspiegeln und somit ein vielversprechendes Archiv für paläoklimatische Rekonstruktionen darstellen. Dafür wurden je zwei Gehäuse an drei unterschiedlichen Lokalitäten zweier Seen die sich im Monsuneinfluss befinden, isotopisch analysiert. Der folgende Arbeitsschritt bestand aus einer regionalen Ausdehnung der Untersuchungen um herauszufinden, ob die Isotopenmuster in rezenten Gehäusen auch die unterschiedlichen klimatischen Gegebenheiten der Seen widerspiegeln die sich aufgrund verschiedener Positionen innerhalb der atmosphärischen Zirkulation ergeben. Hierfür wurden insgesamt jeweils zwei Gehäuse von sieben Seen beprobt, die teils dem Monsuneinfluss, teils dem Einfluss des Westwindsystems und teils keinem von beiden Systemen exakt zugeordnet werden können. Der abschließende Schritt bestand aus der Beprobung von 21 fossilen Radixgehäusen aus einem Bohrkern der im östlichen Becken des Lake Karakul in Tajikistan geborgen wurde, welcher die letzten 4200 Jahre vor heute abdeckt. Unter diesen drei Aspekten sind drei Manuskripte entstanden, die bereits zum überwiegenden Teil in international peer-reviewed Zeitschriften veröffentlicht wurden. Diese sclerochronologischen Isotopenmuster geben Hinweise auf saisonale Änderungen von Temperatur, Niederschlägen, Evaporation, biologischen Aktivität innerhalb des Sees, Austausch mit der Atmosphäre und Eintrag von allochthonem CO2 aus der Umgebung. Darüber hinaus ist es möglich, Niederschläge von Schmelzwassereinträgen zu unterscheiden. Aber auch die isotopischen Durchschnittswerte erlauben Rückschlüsse auf die Lage des Sees innerhalb der atmosphärischen Zirkulation, den Seentyp (offenes oder geschlossenes System) und klimatische Langzeitrends. Die Untersuchungsergebnisse haben gezeigt, dass 1) die modernen δ18O und δ13C Zusammensetzungen der Gehäuse die modernen klimatischen und hydrologischen Gegebenheiten auf dem TP widerspiegeln und somit ein vielversprechendes Werkzeug für paläoklimatische Studien darstellen, 2) die Gehäuse die aus Seen stammen die im Monsuneinfluss liegen, ein deutlich ausgeprägtes Monsunsignal in ihren sclerochronologischen Mustern aufweisen, das aus einem abrupten Anstieg der δ18O Werte und einem anschließenden graduellen Abfallen der Werte besteht, 3) die Isotopenmuster der rezenten Gehäuse die Lage der Seen innerhalb der atmosphärischen Zirkulation zeigen, unabhängig vom Charakter des Sees und 4) dass die spätholozänen δ18O und δ13C Zusammensetzungen der Gehäuse aus dem Lake Karakul-Bohrkern sowohl Änderungen der Temperatur als auch der Schmelzwassereinträge anzeigen und somit Rückschlüsse auf das Klima und die Gletscherentwicklung im Einzugsgebiet für die letzten 4200 Jahre vor heute erlauben. Die Studienergebnisse die im Rahmen der vorliegenden Dissertation entstanden sind tragen dazu bei, die atmosphärischen Zirkulationsmuster und die hydrologischen Gegebenheiten auf dem TP besser zu verstehen und zu bewerten. Mit der aquatischen Gastropode Radix ist ein weiteres geeignetes Archiv für paläoklimatische Studien entstanden, das sich von den vielen bereits vorhandenen Archiven auf dem TP durch seine besonders hohe zeitliche Auflösung unterscheidet. Zudem ist es mithilfe der sclerochronologischen δ18O und δ13C Muster möglich, unterschiedliche Klima- und Umweltparameter voneinander zu unterscheiden. Hier sei insbesondere die Möglichkeit der Unterscheidung von Schmelzwasser und Niederschlag betont. Offene Forschungsfragen betreffen vor allem Dynamik und Verlauf des Paläo-Monsuns auf dem TP und den umliegenden Regionen sowie die Hebungsgeschichte des TP, die ebenfalls mithilfe fossiler Radixgehäuse beleuchtet werden kann.