Seasonality and interannual climate variability during the Late Miocene: Testing and tuning climate models using oxygen isotope stratigraphy, growth increment analysis and new ground data

• Applicant: Professor Dr. Thomas Brachert
• Subject Area: Palaeontology
• Term: from 2005 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5455717

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Im Rahmen des vorliegenden Vorhabens wurden detaillierte mikropaläotologische Untersuchungen an Foraminiferen des offenen Ozeans mit geochemischen Daten (δ18O, Sr/Ca und Elementkonzentrationsmuster) aus dem Flachwasserbereich (Korallen, frühdiagenetische Zemente) kombiniert, die eine neue, sehr differenzierte Sicht auf das Ozean – Atmosphäre- System des Miozäns erlauben. Die Untersuchungen an Korallen zeigen, dass im spätmiozänen östlichen Mittelmeer Starkregenereignisse während der Wintermonate auftraten, die Verwitterungsprodukte aus dem Hinterland in den Riffbereich verfrachtet haben. Die δ18O-Zusammensetzung der kretischen Korallen ist über den Zeitraum von 10 bis 7 Ma außerordentlich verschieden. Die Mittelwerte steigen von –2,7 ‰ auf –1,7 ‰, bei einer gleichzeitigen Abnahme der jährlichen Amplitude von 1,1 ‰ auf 0,7 ‰, an. Dieser Trend lässt sich im Wesentlichen durch zunehmend positivere Sommer-Werte erklären. Da Korallendiversität und jährliche Wachstumsraten der Korallen darauf hinweisen, dass im Mittelmeer die Oberflächenwassertemperatur im Verlauf des späten Miozäns langfristig weitgehend konstant war, impliziert die δ18O-Änderung zunehmend aride Bedingungen vor allem während des Sommers. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass Winterregen und Sommertrockenheit, Merkmale wie sie für das heutige Mittelmeerklima charakteristisch sind, bereits im späten Miozän im Mittelmeerraum in wechselnder Intensität auftraten. Im Gegensatz zum Modell einer pliozänen Entwicklung des heutigen Mittelmeerklimas, ist jedoch von mit heutigen Luftdruckverhältnissen prinzipiell vergleichbaren Bedingungen schon mindestens seit 10 Ma auszugehen. Allerdings unterlagen die saisonalen Muster über die geologische Zeit starken Änderungen. Inwieweit diese Änderungen auch mit orbital gesteuerten Insolationsänderungen („Klimatische Präzession“) und infolgedessen den „Sapropelzyklen“ korrespondieren, kann dagegen noch nicht aufgezeigt werden. Die Einschaltung von Halimeda-Biohermen und eigentümlichen „Riffen ohne Riffbildner“ mit der Grünalge Halimeda (hier erstmalig beschrieben) in die Sapropelzyklen, belegt das rhythmische Auftreten von Sauerstoffarmut im Bereich der tieferen photischen Zone („photic zone anoxia“). Die ozeanographischen Änderungen hinter den Sapropelzyklen dürften deswegen in Zusammenhang mit der Bildung von beträchtlichen Abscheidungen mariner Aragonitzemente in diesen Riffsystemen stehen. Dabei dürfte die vertikale Mischung von salinaren Oberflächenwässern mit alkalinen Tiefenwässern eine zentrale Rolle gespielt haben. Diese Schlußfolgerungen ergeben sich aus den Verhältnissen der stabilen Isotope von Sauerstoff und Kohlenstoff (18O, 13C) und Konzentration von Haupt- und Spurenelementen der Zemente.

Publications

• Klimawandel und sedimentäre Fazies im Neogen des Mittelmeerraumes.- Institut für Ostseeforschung, Warnemünde, 9.11.2005
  Brachert TC
  
• (2006) Ca isotope fractionation of inorganic, biologically induced and biologically controlled calcium carbonates.- EGU conference 2006, Wien
  Böhm F, Gussone N, Eisenhauer A, Reynaud S, Paytan A, Bosellini FR, Brachert T, Reitner J, Wörheide G, Dullo W-Chr
  
• (2006) Carbonate saturation changes in Miocene seawater.- International Workshop on the Miocene climate system, RCOM Bremen, 18.-21.6.2006
  Brachert
  
• (2006) Coral growth bands: A new and easy to use palaeothermometer in paleoenvironment analysis and paleoceanography (late Miocene, Greece).- Sediment 2006, Göttingen
  Brachert TC, Reuter M, Kroeger KF, Mertz-Kraus R, Lough JM
  
• (2006) High resolution Sr isotope chronostratigraphy and its application to the reconstruction of Neogene sedimentary basins.- Sediment 2006, Göttingen
  Kroeger KF, Reuter M, Breisig S, Forst MH, Mertz D, Brachert TC
  
• (2006) Miocene sasonality and interannual climate variability.- International Workshop on the Miocene climate system, RCOM Bremen, 18.-21.6.2006
  Brachert TC
  
• (2006) Porites corals from Crete (Greece) open a window into Late Miocene (10 Ma) seasonal and interannual climate variability.- Sediment 2006, Göttingen
  Brachert TC, Reuter M, Felis T, Kroeger KF, Mertz-Kraus R, Lohmann G, Micheels A
  
• (2006) Seasonal and interannual climate variability during the Late Miocene: First stable isotope records from Porites corals (Crete, Greece).- Geologische Vereinigung, Potsdam
  Brachert TC, Reuter M, Felis T, Kroeger KF, Mertz-Kraus R, Lohmann G, Micheels A
  
• (2006) Seasonal d18O and d13C records from Porites: Decreasing seasonality and increasing salinity during the Late Miocene in the Eastern Mediterranean. RCOM Workshop, Bremen
  Mertz-Kraus R, Brachert TC, Reuter M, Felis T, Fassoulas C, Iliopoulos G
  
• (2006) Seasonal 18O records from Porites document decreasing seasonality and increasing salinity during the Late Miocene in the Eastern Mediterranean. International Society for Reef Studies, 6th European Meeting, Bremen
  Mertz-Kraus R, Brachert TC, Reuter M, Felis T, Fassoulas C, Iliopoulos G
  
• (2006) Seasonal 18O records from Porites document decreasing seasonality and increasing salinity during the Late Miocene in the Eastern Mediterranean.- Geologische Vereinigung, Potsdam
  Mertz-Kraus R, Brachert TC, Reuter M, Felis T, Fassoulas C, Iliopoulos G
  
• (2006): Fossil skeletons: archives of past environments and climates. Universität Modena (Italien), April 2006
  Brachert TC
  
• (2007) A Late Miocene climate history – insights based on new proxies, Sediment 07, 12.9.-14.9.2007, Brixen
  Kroeger KF, Brachert TC, Reuter M
  
• (2007) Early Messinian aragonite event reveals high salinity variability as a prelude to the “Messinian Salinity Crisis” in the Mediterranean region.- Geologica Romana, 40, 51-66
  Brachert T, Bosellini FR, Reuter M, Mertz-Kraus R, Vescogni A
  
• (2007) Early Messinian aragonite event reveals high salinity variability prior to the “Messinian Salinity Crisis” (Late Miocene) in the Mediterranean region, EGU-meeting, Wien
  Brachert TC, Bosellini, FR, Reuter M, Vescogni A, Mertz-Kraus R
  
• (2007) Fossil skeletons: Archives of past environments and climates.- Institut für Paläontologie und Botanischer Garten, Universität Modena, Italien, 2007
  Brachert TC
  
• (2007) Increase in evaporation in the Mediterranean during the Late Miocene indicated by 18O records of the reef corals Porites and Tarbellastraea. Jahrestagung der Geologischen Vereinigung, Bremen
  Mertz-Kraus R, Brachert TC, Reuter M
  
• (2007) Mediterranean sea level changes and climate: Inferences from Late Miocene reef corals. ICDP-IODP workshop on sea level changes, Salt Lake City, 5.9.-9.9.2007
  Brachert TC, Mertz-Kraus R, Reuter M, Kroeger KF
  
• (2007) Mediterranean sea-level changes and climate: Inferences from Late Miocene reef corals. “Drilling to Decipher Longterm Sea-level Changes and Effects”, IODP-ICDP workshop, 08.10.-10.10.2007, Salt Lake City
  Brachert TC, Mertz-Kraus R, Reuter M, Kroeger KF
  
• (2007) Seasonal element and Sr isotope ratio variations in Late Miocene corals from Crete, Eastern Mediterranean, Goldschmidt Conference (“Goldschmidt2007”), Köln
  Mertz-Kraus R, Brachert TC, Galer SGJ, Stoll B, Jochum KP
  
• (2007) Stable isotope data from Early Messinian aragonite cements reveal high salinity variability prior to the “Messinian Salinity Crisis” (Late Miocene) in the Mediterranean region. GV International Conference 2007, 01.10.-05.10.2007, Bremen
  Brachert TC, Bosellini FR, Reuter M, Vescogni A, Mertz-Kraus R
  
• (2007) Tarbellastraea: a new archive for paleoenvironmental research. EGU-meeting, Wien
  Mertz-Kraus R, Brachert TC, Reuter M
  
• (2007): Late Miocene freshwater runoff seasonality inferred by LA-ICP-MS and TIMS analyses on Easthern Mediterranean corals. – AGU Fall Meeting 2007, 10.12.-14.12.2007, San Francisco
  Mertz-Kraus R, Brachert TC, Galer G, Stoll B, Juchum KP, Reuter M
  
• (2007): Umweltdynamik im späten Miozän - Möglichkeiten und Limitierungen der Rekonstruktion. Berufungsverfahren „Geologie“ (W2), Universität Leipzig
  Brachert TC
  
• (2008) Coral Proxies in Miocene Palaeoclimatology. EGU 2008, 13.4.-18.4.2008, Wien
  Brachert TC, Mertz-Kraus R, Reuter, M, Fassoulas C, Illiopoulos G
  
• (2008) Coral Proxies in Miocene Palaeoclimatology.- EGU Conference, Vienna, 2008
  Brachert TC
  
• (2008) Early Messinian aragonite event reveals high salinity variability as a prelude to the “Messinian Salinity Crisis” in the Mediterranean region.- IAS Regional Meeting, Bochum
  Brachert TC, Bosellini FR, Reuter M, Mertz-Kraus R, Vescogni A
  
• (2008) Mediterranean-type climate in the South Aegean region during the Late Miocene: Evidence from isotope and element proxies.- IAS Regional Meeting, Bochum
  Mertz-Kraus R, Brachert TC
  
• (2008) Records of climate change and tectonic uplift in intramontane basins: the stable isotope perspective.- Internationales Seminar „Stable oxygen and carbon isotopes in palaeoenvironmental and palaeoelevation studies“, Institut für Geowissenschaften, Universität Potsdam, 2008
  Brachert TC
  
• (2008) Tarbellastraea (Scleractinia): A new stable isotope archive for Late Miocene paleoenvironments in the Mediterranean.- Palaeoecology, Palaeoclimatology, Palaeogeography, 257, 294 - 307
  Mertz-Kraus R, Brachert TC, Reuter M
  
• (2008): Microfacies and palaeoecology of vermetid and Halimeda reefs of the Mediterranean region.- Palaeoecology, Palaeoclimatology, Palaeogeography
  Vescogni A, Bosellini FR, Reuter M, Kroeger KF, Brachert TC
  (See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.palaeo.2008.06.008)
• (2009) Geochemical proxy data from reef systems suggest high salinity variability and stable sea level within the Mediterranean region during the Messinian prior to the MSC.- 13th RCMNS Congress, Napoli (Italy)
  Brachert TC, Vescogni A, Mertz-Kraus R, Bosellini FR, Reuter M
  
• (2009) LA-ICP-MS analyses on coral growth increments reveal heavy winter rain in the Eastern Mediterranean at 9 Ma.- Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 273, 25-40, DOI 10.1016/j.palaeo.2008.11.015
  Mertz-Kraus R, Brachert TC, Jochum KP, Reuter M, Stoll B
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2008.11.015)
• (2009) Late Miocene sea surface salinity variability in the Eastern Mediterranean inferred from coral aragonite d18O (Crete, Greece).- Chemical Geology, 262, 202-216
  Mertz-Kraus R, Brachert TC, Reuter M, Galer SJG, Fassoulas C, Iliopoulos, G.
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2009.01.010)