Rekonstruktion der paläozeanographischen Entwicklung des Marmarameers anhand multipler Analyseverfahren

Abstract

Es wurden spätpleistozäne und holozäne Sedimente aus verschiedenen Sedimentkernen aus unterschiedlichen Ablagerungsräumen im westlichen Marmarameer (Türkei) untersucht. Alle Kerne wurden sedimentologisch, geochemisch und mikropaläontologisch bearbeitet. Die Gesamtheit aller Ergebnisse gab Hinweise auf die Sedimentationsbedingungen und �mechanismen. Mit Hilfe der umfangreichen geochemischen Analysen und der Bestimmung des Karbonat- und organischen Kohlenstoffgehalts ließen sich Rückschlüsse auf Veränderungen in den Ablagerungsbedingungen (Paläoproduktivität, gelöster Sauerstoff im Bodenwasser, sedimentärer Eintrag) über die Zeit ziehen. Zunächst war es essentiell die primäre Sedimentzusammensetzung bestehend aus terrigenen, biogenen und authigenen Signalen von sekundären diagenetischen Signalen zu unterscheiden. Dies wurde vor allem durch die statistische Auswertung erzielt. Außerdem konnten durch Korngrößenanalysen und mineralogische und geochemische Besonderheiten klimatologische Veränderungen festgestellt werden die den Wechsel vom letzten glazialen Maximum (~17000a BP) ins Holozän (~10000a BP) prägten. Mikropaläontologische Analysen benthischer Foraminiferen ermöglichte eine Rekonstruktion der Bodenwasserbedingungen bezüglich des Sauerstoffgehaltes im Marmarameer von 13000a BP bis heute.Durch den Vergleich mit der in der Literatur beschriebenen Lithologie der Sedimente aus dem Schwarzen Meer konnten diese Ereignisse in einen überregionalen Zusammenhang eingebunden werden. Altersdatierungen, sowie die stratigraphische Korrelation durch die Y2-Santorini-Aschenlage ermöglichte die Absteckung der Zeiträume für den Ablauf einzelnen Prozesse und Ablagerungsmechanismen. Das daraus entwickelte paläozeanographische Modell wird in Kapitel 5 ausführlichst dargestellt. Darüberhinaus gibt Tabelle 9 einen Überblick über die erbrachten Ergebnisse im Vergleich zu bereits bestehenden Modellen. Die tiefsten Sedimentschichten in einzelnen Kernen kamen unter dem Einfluß des letzten ausklingenden Weichsel-Glazials zur Ablagerung. Ausgedehnte schwarze, monosulfidreiche Lagen deuten auf eine Sedimentation unter brackischen bzw. lakustrinen sauerstoffreduzierten Bedingungen, nachdem das Marmarameer durch das eustatischen Absinken des globalen Meeresspiegels von den Weltmeeren abgeschnitten wurde. Der geringe Sulphat-Gehalt des Wassers während dieser Phase, zusammen mit den vermutlich geringen Sauerstoffgehalten, führte dazu, dass die gebildeten Monosulfide nur in groben, durch hohe Permeabilität gekennzeichneten Lagen im Verlauf der frühen Diagenese in Pyrit umgewandelt wurden. Anomalien von As in diesen Bereichen deuten möglicherweise auf eine Zirkulation von niedrigthermalen Lösungen. Eine erstmalig durchgeführte geochemische Modellierung konnte einen Prozess beschreiben der für die authigene Fällung von Karbonat aus der Wassersäule verantwortlich ist. Die Fällung dieses Präzipitats konnte eindeutig auch durch isotopengeochemische Kohlenstoff-Analysen einem Mischungsprozess von warmem marinem Mittelmeerwasser mit kaltem lakustrinen Marmarameerwasser unter reduzierenden Bedingungen zugeordnet werden. In einem Zeitraum zwischen 11500a BP und 7800a BP erfolgte die Ablagerung einer sapropelartigen Lage während einer Phase von hoher Bioproduktion im Oberflächenwasser. Durch den Vergleich mit anderen bereits publizierten Daten konnte dieser Vorgang aufsteigendem nährstoffreichen Tiefenmeerwasser und einem gleichzeitig starken fluviatilen Sedimenteintrag während einer sehr humiden, niederschlagsreichen Phase, zugeordnet werden. Beide Prozesse trugen entscheidend zur Anreicherung von Nährstoffen im Oberflächenwasser und einer daraus folgenden Blütephase planktonischen Lebens bei. Erst vor etwa 7000 Jahren entwickelte sich das noch heute existierende Zwei-Schicht System über die Dardanellen und den Bosporus, mit einem nach Westen fließenden niedrig salinaren Oberflächenstrom aus dem Schwarzen Meer und einem marinen nach Osten gerichteten Tiefenwasserstrom aus der Ägäis und dem Marmarameer.

Late Pleistocene and Holocene sediments were analyzed on sediment cores from different sedimentation realms within the western part of the Sea of Marmara (Turkey). All cores were investigated with sedimentological, geochemical and micropaleontological methods. The results from these investigations revealed informations about the sedimentation processes and mechanisms. Extensive geochemical analysis and the determination of the carbonate- and organic carbon-content made it possible to draw conclusions on the variations during the deposition of the sediments through time (paleoproductivity, dissolved oxygen content in the deeper water column, input of sediments). Statistical analysis on the geochemical data made it possible to differ between primary (terrigenous-, biogenous-, and authigenous-signals) and secondary signals (diagenesis). Furthermore, climatic changes after the last glacial maximum (from 17000a �10000a) are responsible for variations in the grain size distribution (coarsening) and mineralogical and geochemical anomalies. The composition of benthic foraminiferas revealed the level of oxygenation in the deep Marmara Sea from 13000a to present. Comparisons of Marmara Sea sediments with sediments from the Black Sea make it clear that both sedimentary basins show distinct coherences. C14-age-determinations and a specific stratigraphic unit (the Santorini Y-2 ash layer) defined the time-periods for the different sedimentary processes. On the basis of theses analysis, a palaeoceanographic model was developed, which is presented in chapter 5. An overview on the results and the comparison to former palaeoceanographic models of the Sea of Marmara are given in Table 9. The deepest sedimentary unit represents sediments which were deposited during the influence of the last glacial period (Weichsel-Stage). These units are characterized by dark, black layers enriched in monosulfides, which were deposited in a lacustrine and oxygen-depleted environment. During this period, the Sea of Marmara was cut of from the Mediterranean and the Black Sea due to the global sea-level low-stand. During the processes of early diagenesis in this sulphate- and oxygen-depleted environment, the Monosulfides were metabolized to Pyrite mainly in layers characterized by higher permeability. As-Anomalies within these layers might be related to the circulation of low-thermal solutions. For the first time, the modelling of a geochemical reaction made it possible to define a process, which is responsible for the precipitation of calcite in the water column. Analysis on the isotopic carbonate composition revealed, that the precipitation can be related to the mixing of warm marine Mediterranean-water with colder and anoxic lacustrine water of the Sea of Marmara. During a period of high bioproductivity in surface waters of the Sea of Marmara, a sapropelic layer was deposited between 11500a BP and 7800a BP. Ascending nutrient-rich deep-sea water masses and the synchronous strong fluvial input of sediments, induced by strong precipitations in a humid climatic period, are responsible for the process of sapropel formation within the Sea of Marmara. Today`s two- layer flow-system at the Dardanelles and the Bosporus was developed 7000a BP. A surface-stream with lower salinity is moving westwards, whereas the deeper high-salinity layer is moving eastwards from the Aegean Sea and the Sea of Marmara to the Black Sea.