Bestimmung von Meeresspiegel- Schwankungen mit fossilen Korallen (Bodo Werner)

1. Bestimmung von Meeresspiegel- Schwankungen mit fossilen Korallen (Bodo Werner)

2. Gliederung Inhalt: • Motivation • 18O-Methode • Milankovitch-Theorie • Fossile Korallen • Ergebnisse / Ausblick 3.1 Th / U - Methode 3.2 Barbados 3.3 Aqaba (Jordanien) Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

3. 1. Motivation Warum Paläoklimarekonstruktion? • Schmelzen der Polkappen • Globale Erwärmung • Anthropogener Klimawandel • Klimakatastrophen • … Ziele: • Überprüfung von Klimamodellen • Erstellen von Randbedingungen für Modellrechnungen • Einschätzung des anthropogenen Faktors auf das Klima •  natürliche Klima-Schwankungen müssen bekannt sein Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

4. 1. Motivation Wodurch wird der Meeresspiegel beeinflusst? Warmzeiten: Meeresspiegel hoch Meeresspiegel als globaler Klimaindikator Kaltzeiten: Meeresspiegel tief Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

5. 2. d18O-Methode • Stabile Isotope des Sauerstoffs: • 16O = „normaler“ Sauerstoff (99.8 %) • 18O = „schwerer“ Sauerstoff (0.2%) • „schwere“ Isotope • mehr Energie nötig • haben höhere Bindungsenergien • Beispiel Wasser (H2O): • H216O verdampft leichter als H218O • H218O kondensiert leichter als H216O Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

6. d18O [‰] 2. d18O-Methode 18O-Variationen werden in den Calciumcarbonat(CaCO3)- Schalen von Foraminiferen gespeichert  MIS: Marines Isotopen Stadium Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

7. Die Insolationskurve bei 65° Nord 2.1 Milankovitch - Theorie Kühlere Sommertemperaturen in hohen nördlichen Breiten führen zum Wachstum kontinentaler Eisschilde. Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

8. 2.1 Milankovitch - Theorie Milankovitch-Theorie: Kühlere Sommertemperaturen in hohen nördlichen Breiten führen zum Wachstum kontinentaler Eisschilde. Datierung von Tiefseebohrkernen basiert hauptsächlich auf der Milankovitch-Theorie.  „Matchen“ der Maxima („orbital/astronomical tuning“) Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

9. 2. d18O-Methode Veröffentlichungen: Sehr große Unterschiede! Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

10. 2. d18O-Methode Achtung: • - d18O-Gehalt in Foraminiferen wird auch von der Temperatur • beeinflusst (-0.23‰ / °C) • Datierung basiert rein auf der Milankovitch-Theorie • (‚orbital tuning‘) •  Kritik an Milankovitch-Theorie: nicht ausreichend • - Nur relative Meeresspiegelhöhe • Isotopenverhältnis im Ozean nicht unbedingt homogen Absolute Messmethoden notwendig (z.B. fossile Korallen) … vor allem zum Testen der Milankovitch-Theorie Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

11. Fossiles Korallenriff 3. Fossile Korallen Lebendes Korallenriff Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

12. 3. Fossile Korallen • Korallenwachstum hängt • ab von: • Lichteinfall • Wellenenergie • Wassertemperatur Acropora palmata:  ~5m unter Wasseroberfläche sehr gut geeignet zur Meeresspiegelbestimmung Schellmann & Radtke, 2004 Riffentwicklung bei stabilen tektonischen Verhältnissen Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

13. 3. Fossile Korallen Mit tektonischer Hebung: L = E – R x T L: Paläo-Meeresspiegel [m] E. aktuelle Höhe der Terrasse [m] R: mittlere Hebungsrate [m/kyr] T: Alter der Terrasse [kyr] Bei Barbados (West Indies) schiebt sich die Nordamerikanische Platte unter die Atlantische Platte Clermont Nose Traverse, Barbados (nach Mesolella, 1968) Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

14. Daraus resultierende DGLs: Ni: Anzahl der Atome li= ln 2 / T1/2: Zerfallskonstante [1/y] 3.1 Th/U- Datierungsmethode Vereinfacht: • Annahmen/Voraussetzungen: • - Uran: unter natürlichen Bedingungen wasserlöslich • Thorium: sehr partikelreaktiv und daher wasserunlöslich •  Bei Bildung der Koralle wird nur Uran eingelagert, • d.h. Anfangsbedingung: Kein Thorium zum Zeitpunkt N(230Th(t=0))=0 • Koralle ist ein geschlossenes System für Uran und Thorium Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

15. Zwei „Uhren“: mit 230Th(t=0) = 0 und l234 bzw. l230 >> l238 3.1 Th/U- Datierungsmethode Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

16. Entwicklung der Aktivitätsverhältnisse mit (234U / 238U)0 = 1.15 3.2 Fossile Korallen Barbados Meerwasser und rezente Korallen: (234U/238U) = 1 .15 seawater evolution curve Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

17. Korallen stellen kein geschlossenes System für Uran und Thorium dar. 3.2 Fossile Korallen Barbados • Mögliche Ursache: • (234U / 238U) des Meerwassers hat sich signifikant geändert • Modellrechnungen: starke und langanhaltende Variationen des (234U / 238U) der großen Flüsse notwendig • Th/U-Datierung mariner Sedimente: • (234U / 238U)0 = 1.15 ± 0.015 während der letzten 360 ka • Korallen von einer Terrasse sollten den gleichen Wert ergeben Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

18. Die Effekte, die erhöhte initiale (234U/238U) Aktivitätsverhältnisse produzieren sind unbekannt. 3.2 Fossile Korallen Barbados • Lösungsansätze: • Identifikation gestörter Korallen mit mineralogischen Kriterien. • Auch scheinbar ungestörte Korallen zeigen erhöhte initiale • (234U/238U) Aktivitätsverhältnisse. • Entwicklung von Modellszenarien. • Bisheriges Verfahren: • Nur Alter mit (234U/238U)0 = 1.15 ± 0.005 werden als glaubwürdig angesehen Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

19. Geografische Lage der Proben 3.3 Fossile Korallen Aqaba (Jordanien) Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

20. Terrasse 1: 4 – 5 m über Meeresspiegel Terrasse 2: 7 –10 m über Meeresspiegel 3.3 Fossile Korallen Aqaba (Jordanien) Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

21. Th/U-Alter: 113.7 – 151.6 ka 3.3 Fossile Korallen Aqaba (Jordanien) Messergebnisse Nach bisherigen Kriterien wäre keines dieser Alter glaubwürdig! Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

22. 3.3 Fossile Korallen Aqaba (Jordanien) Alter verschiedener Stücke einer Koralle stark linear korreliert (R>0,99)! Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

23. ‘wahres‘ Alter ? 3.3 Fossile Korallen Aqaba (Jordanien) Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

24. 3.3 Fossile Korallen Aqaba (Jordanien) Szenario mit Kombination aus nachträglicher Uranaufnahme und –verlust: • Das während dem Wachstum eingelagerte Uran verhält sich wie in einem geschlossenem System • Alle Korallenteile lagern nachträglich Uran mit hohem d234U–Wert (>1.15) ein • d234U gleich für verschiedene Teile einer Koralle • Verschiedene Teile einer Koralle lagern nachträglich unterschiedlich viel Uran ein • Ein Teil des nachträglich aufgenommen Urans geht wieder verloren; proportional zum jeweils aufg. Uran • Thorium, das durch Uran-Zerfall entsteht, geht nicht verloren • Thorium wird während der ganzen Zeit nicht mobilisiert (weder noch )  Isochronengleichung Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

25. Isochronengleichung: 3.3 Fossile Korallen Aqaba (Jordanien) Vergleich Modell  Daten Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

26. 121.9 ± 3 ka 4. Ergebnisse • Datierungs-Strategie • Messungen an verschiedenen Stücken einer Koralle • Aufstellen der Isochrone • Berechnung des Alters aus Schnittpunkt • Berechnung des Fehlers mit Konfidenzbändern Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

27. AQB 1H AQB 1K AQB 1A AQB 7G 4. Ergebnisse Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

28. Zusammenfassung der Alter Koralle Terrasse Isochronenalter AQB 3A 7 –10 m asl 121.9 ± 3 AQB 7G 7 –10 m asl 121 ± 2.1 AQB 1K 4 – 5 m asl 106.4 ± 3.1 AQB 1A 4 – 5 m asl 114.8 ± 4.1 AQB 1H 4 – 5 m asl 117.1 ± 6.5 4. Ergebnisse • Allerdings bestehen die Terrassen in Aqaba aus Porites-Korallen: • Vorkommen bis ca. 53m Wassertiefe, daher ungeeignet zur Meeresspiegelrekonstruktion Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

29. 4. Ergebnisse / Zusammenfassung - Korallen sind wichtige Paläoklimaarchive - Viele Korallen zeigen erhöhte initiale (234U/238U) Aktivitätsverhältnisse kein geschlossenes System - Genauigkeit der Datierung ist durch diagenetische Prozesse begrenzt, nicht durch die Messpräzision - Korallen aus Aqaba haben stark erhöhte initiale (234U/238U) Aktivitätsverhältnisse - Aktivitätsverhältnisse verschiedener Stücke einer sind stark linear korreliert (Isochronen) - Isochronen können durch Uranaufnahme und späteren –verlust erklärt werden -„Wahres“ Alter kann durch Schneiden der Isochrone mit der seawater evolution curve berechnet werden Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

30. 4. Ergebnisse / Zusammenfassung Verlauf des Meeresspiegel (Bestimmung anhand fossiler Korallen) Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

31. 4. Ergebnisse / Ausblick • Ausblick: • Weitere Untersuchungen zu den diagenetischen Prozessen (sind die Korallen aus Aqaba repräsentativ ?) • Anwendung der Isochronendatierung auf andere Korallenarten (Acropora Palmata, Vorkommen ~5m unter Meeresspiegel) • Verbesserung der Datenlage Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode

32. Danke fürs Zuhören! Th / U Methode Barbados Aqaba Motivation Ergebnisse Fossile Korallen 18O- Methode