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Potentials and limitations of multi-proxy records in speleothem research - Case studies in complex climate systems

Warken, geb. Winterhalder, Sophie Friederike

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Abstract

The central goal of this dissertation is assessing the benefits and limitations of multi-proxy approaches in speleothem research with respect to paleo climate reconstruction. Hence, the aims were evaluating the environmental controls of speleothem proxies such as stable isotopes or trace elements, and the application to samples from locations affected by complex climate interactions. Thus, this thesis provides an important contribution to the recent scientific discussion in speleothem and climate research. The presented case studies comprise a Holocene stalagmite from southwestern Romania, and two speleothems from the Caribbean realm covering major parts of the last Glacial cycle. All records are based on high-precision dating methods, such as 230Th/U dating, lamina counting or radiocarbon dating. The analysis of stable isotope δ18O and δ13C composition together with trace elemental signatures enables a broad survey of past environmental changes comprising temperature and rainfall variability as well as soil and vegetation dynamics. The studies presented in this thesis demonstrate the strong benefits of the combination of several proxies in speleothems and in the investigated regions, they provide the first speleothem derived climate reconstructions, respectively, combining successfully both stable isotopes and elemental proxies. In tropical locations, the δ18O values in speleothems may be reliable recorders of past rainfall changes. However, a number of processes such as temperature variability, source effects and disequilibrium fractionation affecting the oxygen isotopic composition have to be carefully evaluated. Under certain circumstances, trace elements such as magnesium and strontium are found to constitute valuable tracers of hydrological variability, whereas phosphorus is most commonly associated with soil and vegetation dynamics. However, the interpretation of P/Ca is found to be diverse in the three case studies. To explain the non-conventional P systematics in the Cuban sample, a mechanism was devised which previously has received little attention. Stalagmite C09-2 from southwestern Romania emerged as one of the unique samples appropriate for quantitative reconstruction of past climate variability. The Mg/Ca ratio was found to be strongly connected with past winter rainfall, and the reconstructed precipitation estimates for the last 3.6 ka are in agreement with other local and supra-regional records. The δ18O record from stalagmite PR-LA-1 is one of the first speleothem derived long-term reconstructions of rainfall variability from the western tropical Atlantic realm which demonstrates the imprint of both the Heinrich stadials as well as the Dansgaard/Oeschger cycles on Puerto Rico during the last Glacial. In addition, stalagmite CM from western Cuba provides one of the longest speleothem records from the Caribbean region, and the geochemical evidence from the stable isotope and trace element signatures gives a comprehensive picture of past environmental variability over a long time interval of the last Glacial.

Translation of abstract (German)

Das Hauptthema dieser Dissertation ist die Beurteilung der Vor- und Nachteile der Anwendung von mehreren Spurenstoffen in der Speläothemforschung im Hinblick auf die Rekonstruktion der Klimavariabilität in der Vergangenheit. Die Ziele waren daher die Herausarbeitung der relevanten Umwelteinflüsse auf die angewandten Proxies, wie zum Beispiel stabile Isotopenverhältnisse oder Spurenelemente, und deren Anwendung an Hand von Fallstudien aus Regionen, welche von komplexen Klimawechselwirkungen beeinflusst werden. Die präsentierte Arbeit stellt damit einen wichtigen Beitrag zur aktuellen wissenschaftlichen Diskussion in der Speläothem- und Klimaforschung dar. Die gezeigten Fallstudien umfassen einen holozänen Stalagmit aus dem Südwesten Rumäniens, sowie zwei Speläotheme aus der Karibik, welche wesentliche Abschnitte des letzten Glazialen Zyklus abdecken. Die erstellten Zeitreihen basieren auf hochpräzisen Datierungstechniken, wie der 230Th/U-Methode, Lagenzählung oder der Radiokarbonmethode. Die Auswertung der stabilen Isotopenverhältnisse δ18O and δ13C zusammen mit bestimmten Spurenelementgehalten ermöglicht einen breiten Überblick über vergangene Umweltveränderungen wie zum Beispiel Temperatur- und Niederschlagsvariabilität oder Boden- und Vegetationsdynamik. In den jeweiligen Gegenden sind die Studien in dieser Arbeit mit die ersten Speläothemzeitreihen, in denen die genannten Proxies erfolgreich kombiniert werden und stellen daher den großen Nutzen der Anwendung mehrerer Indikatoren in Speläothemen dar. In den Tropen können δ18O Werte in Speläothemen ein verlässlicher Indikator für die Niederschlagsvariabilität in der Vergangenheit sein. Jedoch beeinflussen eine Reihe von weiteren Prozessen die isotopische Zusammensetzung des Sauerstoffs, wie zum Beispiel Temperaturschwankungen, Qelleneffekte oder Ungleichgewichtsfraktionierung. Spurenelemente wie Magnesium oder Strontium können unter bestimmten Umständen wertvolle Indizien auf hydrologische Prozesse in Höhlensystemen liefern. Dagegen wird der Phosphorgehalt in Speläothemen meist mit Boden- und Vegetationsdynamik assoziiert. Interessanterweise unterscheiden sich jedoch in den drei Fallstudien die Interpretationen des P/Ca Verhältnisses. Um die unkonventionelle P Systematik im kubanischen Stalagmiten zu erklären, wurde ein bislang wenig beachteter Mechanismus neu beleuchtet. Der Stalagmit C09-2 aus dem Südwesten Rumäniens hebt sich als eine der wenigen Proben hervor, welche sich für quantitative Klimarekonstruktion eignen. Es stellte sich heraus, dass das Mg/Ca Verhältnis stark mit dem regionalen Winterniederschlag korreliert. Die daraus abgeleitete Niederschlagszeitreihe für die letzten 3,6 ka stimmt in vielen Bereichen mit anderen lokalen und überregionalen Rekonstruktionen überein. Die δ18O Zeitreihe der Probe PR-LA-1 aus Puerto Rico ist eine der ersten Niederschlagsrekonstruktionen aus dem westlichen, tropischen Atlantik, die sowohl den Einfluss der Heinrich Kaltphasen als auch der Dansgaard/Oeschger Zyklen während dem letzten Glazial zeigt. Stalagmit CM aus West-Kuba bietet eine der längsten Speläothemzeitreihen aus der Karibik. Auch hier ergeben die geochemischen Hinweise aus den stabilen Isotopenverhältnissen und Spurenelementen ein zusammenhängendes Bild der Umweltveränderungen der Vergangenheit.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Mangini, Prof. Dr. Augusto
Date of thesis defense: 19 April 2017
Date Deposited: 18 May 2017 09:45
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
550 Earth sciences
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