Bachelor Thesis Holocene milieureconstructie van het Tatos meer, Mauritius, met de nadruk op het 4.2 cal ka BP megadroogte event, Door middel van geochemische analyse Anouk Vlug Studentnummer: 5909546
[email protected] Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics (IBED)
Hoofdbegeleiders: Dr. Kenneth F. Rijsdijk, UvA Dr. Gert Jan Reichart, UU
2
Abstract Op Mauritius is een massagraf van vertebraten gevonden dat gedateerd is rond 4.2 cal ka BP. Dit valt gelijk met een megadroogte klimaat event dat 4200 jaar BP plaatsvond. In deze periode heerste er droogte in de subtropische en gematigde gebieden. Deze massasterfte onder fauna is mogelijk veroorzaakt door droogte. Het is van belang om klimaatgebeurtenissen zoals het 4.2 cal ka BP megadroogte event beter te gaan begrijpen, omdat deze desastreuze gevolgen kunnen hebben voor zowel ecosystemen als mensen. Om er achter te komen of er daadwerkelijk een megadroogte plaatsvond op Mauritius zijn er geochemische analyses op een sedimentkern van het Tatos meer verricht om een milieu/klimaatreconstructie van het verleden te kunnen maken. Hierbij is gefocust op de periode rond 4.2 cal ka BP. Aan de hand van PCA analyse van de XRF data van deze kern is gebleken dat calcium een belangrijk variatie bepalend element is in het klastische sediment dat gerelateerd kan worden aan droogte. Het calcium kan echter van verschillende bronnen afkomstig zijn en kan hierdoor onder verschillende condities gevormd zijn. Door middel van sequentiële extractie is onderscheid gemaakt tussen de calcium in complexvorm, carbonaat en oxide. Tezamen met de resultaten van stabiele isotopen analyse van de calciumcarbonaten is een reconstructie gemaakt van onder wat voor een condities deze gevormd zijn. Tot 4600 cal ka BP zijn koraalzand en schelpfragmenten de dominante calcium bron. In de periode hierna is dit grondwater. Hierbij zijn nieuwe aanwijzingen gevonden voor droogte op Mauritius rond 4.2 cal ka BP, een zeer natte periode hiervoor en een natte periode daarna.
3
Inhoudsopgave 1. Inleiding ........................................................................................................................ 5 2. Theoretisch kader ......................................................................................................... 6 2.1 Tatos ....................................................................................................................... 6 2.2 Klimaat .................................................................................................................... 7 2.3 De sedimentkern .................................................................................................... 8 3. Methode ..................................................................................................................... 10 3.1 Stabiele isotopen analyse ..................................................................................... 10 3.2 Sequentiële extractie ............................................................................................ 11 3.3 XRD analyse .......................................................................................................... 11 4. Resultaten ................................................................................................................... 11 4.1 Isotopen ................................................................................................................ 11 4.2 Verbindingen ........................................................................................................ 12 4.3 XRD ....................................................................................................................... 12 4.4 Relaties tussen de proxies .................................................................................... 12 5. Discussie ..................................................................................................................... 15 5.1 Tatos ..................................................................................................................... 15 5.2 Mare aux Songes .................................................................................................. 18 6. Conclusie ..................................................................................................................... 18 7. Vervolg onderzoek ...................................................................................................... 19 8. Referenties.................................................................................................................. 20
4
1. Inleiding Op Mauritius is een massagraf van vertebraten gevonden dat gedateerd is rond 4.2 cal ka BP (Rijsdijk et al., 2009). Dit valt gelijk met een megadroogte klimaat event dat 4.2 cal ka BP plaats vond. In deze periode heerste er droogte in de subtropische en gematigde gebieden. Deze massasterfte onder fauna is mogelijk veroorzaakt door droogte (Rijsdijk et al., 2011). Tijdens dit onderzoek is er nagegaan of het Tatos bekken ook een droogte registreerde rond 4.2 cal ka BP. Om er achter te komen of er daadwerkelijk een megadroogte plaats vond op Mauritius zijn er geochemische analyses op een sedimentkern van het Tatos meer verricht om een milieu/klimaatreconstructie van het verleden te kunnen maken. Aan de hand van PCA analyse van de XRF data van deze kern is gebleken dat calcium een belangrijk variatie bepalend element is in het klastische sediment. Het calcium kan echter van verschillende bronnen afkomstig zijn en kan daardoor onder verschillende condities gevormd zijn. Geochemisch onderzoek naar de verbindingen waar calcium zich in bevindt moet hier duidelijkheid in verschaffen. De centrale vraag van dit onderzoek is dan ook “Welke omstandigheden heerste er in Tatos tijdens de opvulling van het kratermeer en is er bewijs voor een droogte rond 4.2 cal ka BP?”. Hierbij is geprobeerd de volgende deelvragen te beantwoorden: - Welke verbindingen met calcium bestaan er in het sediment en hoe varieren deze door de tijd? Hierbij is onderscheid gemaakt tussen calcium in complexvormen, carbonaten en oxides. Onder welke paleomilieucondities hebben zich de verschillende verbindingen met calcium kunnen vormen? En wat betekent dit voor de condities die er door de tijd heen in en rondom Tatos heerste? Calciumcarbonaat kan door verschillende bronnen gevormd zijn. De volgende deelvraag luidt daarom: - Wat is de oorsprong van de calciumcarbonaten door de tijd heen, in het sediment? En wat betekent dit voor de condities die er door de tijd heen in en rondom Tatos heerste? Klimaat gebeurtenissen, zoals het 4.2 cal ka BP megadroogte event, kunnen desastreuze gevolgen hebben voor zowel het ecosystemen als mensen. Het is van belang om te weten te komen of deze massasterfte door droogte is veroorzaakt om een indicatie te krijgen wat voor desastreuze gevolgen een dergelijke gebeurtenis in de toekomst op een eiland kan hebben. Daarnaast is het van belang om dit soort klimaat gebeurtenissen beter te gaan begrijpen om ze vervolgens op de toekomst te kunnen projecteren. Het doel van het onderzoek is om een bijdrage te leveren aan het inzicht of en in welke mate het 4.2 ka BP event effecten heeft gehad in Mauritius en hiermee een bij te dragen aan de klimaatreconstructie van Mauritius. De resultaten van dit
5
onderzoek zijn van belang voor het promotieonderzoek van E. de Boer die een reconstructie maakt van de vegetatiedynamiek in response van klimaatverandering op Mauritius.
Figuur 1. Mauritius. Bron: van der Plas et al. ( 2011)
2. Theoretisch kader 2.1 Tatos Mauritius is een vulkanisch eiland dat 855 km ten oosten van Madagaskar ligt (Figuur 1). Het eiland is tussen de 7.8 en 6.8 miljoen jaar geleden gevormd door een hotspot (van der Plas et al., 2012 naar McDougall & Chamalaun, 1969). De afgelopen 25 ka is er geen vulkanische activiteit meer op het eiland geweest. Op Mauritius vond tussen 4235 en 4100 cal ka BP een massale sterfte van gewervelde fauna plaats (Rijsdijk et al., 2009 & 2011). In de Mare aux Songes is een massagraf gevonden, met daarin micro en macro fossielen, dat gedateerd is tussen 4235 en 4100 cal jaar BP (Rijsdijk et al., 2009). Dit valt gelijk met het 4.2 cal ka BP megadroogte event. Tijdens deze anomalische klimaat gebeurtenis heerste er 1 á 2 eeuwen een droogte in de equatoriale gebieden (Booth et al., 2005). Een verklaring voor deze massasterfte zouden perioden van extreme droogte kunnen zijn (Rijsdijk et al., 2011). Het is mogelijk dat in het Holoceen de Mare aux Songes en andere meren in Mauritius als gevolg van droogtes en een hiermee gepaarde verlaagde grondwaterspiegel meerdere malen zijn opgedroogd. Een hypothese is dat als gevolg van dergelijke extreme droogtes er geen voldoende drinkwater meer voor de fauna was, waarop meerdere malen massasterfte volgde in de Mare aux Songes (Rijsdijk et al., 2011).
6
Figuur 2. Schematische tekening van Tatos, met de mogelijke bronnen van calciumcarbonaat. Calciumcarbonaat kan gevormd zijn uit zowel zoet, brak als zout grondwater; het kan in situ gevormd zijn door biogene productie; en het kan ingewaaid zijn in de vorm van schelpfragmenten en koraalzand.
In de laag gelegen gebieden op Mauritius is de neerslag gemiddeld lager dan in de hoog gelegen gebieden. In het centrale hoogland is er een neerslag overschot en in kust gebieden een neerslag tekort (Rijsdijk et al., 2011 naar Padya, 1989). Het eiland is 828 m hoog en is opgebouwd uit basalten, die zeer poreus zijn. Door de aanvoer van zoet water uit de hogere gebieden via aquifers ontstaan er in depressies in de lager gelegen gebieden zoetwatermeren (Figuur 2). Dit is ook in Tatos gebeurd. Tatos is een zeven meter diep kratermeer vlak bij de kust. Dit kratermeer is gedurende het Holoceen opgevuld met organische en klastische sedimenten als gevolg van zeespiegelstijging. Op relatief kleine eilanden zoals Mauritius is er voor soorten geen mogelijkheid om ergens anders heen te migreren op het moment dat de “Goldilocks” omstandigheden niet meer juist zijn voor een soort. Het Goldilocks principe staat er voor dat alle omstandigheden juist moeten zijn om een vorm van complexiteit in stand te houden, leven is een vorm van complexiteit (Spier, 2011). Bij een plotselinge klimaatsverandering kan een soort zich daar niet altijd aan aanpassen en bestaat er het risico op massasterfte of zelfs het uitsterven van soorten. Het lijkt voor de hand liggend dat er een relatie bestaat tussen de 4.2 cal ka BP megadroogte event en de massasterfte. 2.2 Klimaat Het begin van het Holoceen duidt het einde van een glaciale periode aan. Gedurende het Holoceen hebben er warmere en koudere perioden plaatsgevonden. Het Holoceen Thermal Maxium (HTM) is een warme periode tussen 6.000 en 4.000 BP. Dit wordt gevolgd door het Neoglaciaal. Abrupte klimaatveranderingen gedurende laatste ijstijd
7
en het begin van het Holoceen werden veroorzaakt door glaciale dynamiek en de effecten daarvan op de oceaanstromingen (Booth et al., 2005). Van 10 ka BP t/m 7.5 ka BP steeg de zeespiegel met ongeveer 0,6 m per eeuw, waarna dit afnam tot 0,1 m per eeuw (Camoin, Montaggioni & Braitwaite, 2004). Rond 2 ka BP bereikte de zeespiegel haar huidige stand. Rond 4.2 cal ka BP vond er een anomalische klimaatsomslag plaats. Deze gebeurtenis wordt ook wel het 4.2 cal ka BP megadroogte event genoemd. Het is een RCC (rapid climate change), een gebeurtenis waarbij gedurende een korte tijd een klimaat verandering plaatsvindt (Mayewski et al., 2004). Deze gebeurtenis zorgde voor grote droogte in Noord-Amerika, het Middelandse zee gebied (Booth et al., 2005), West Azië, het tropisch deel van Afrika, het Midden Oosten (Thompson et al., 2002) en het tropisch deel van de Andes (Davis & Thompson, 2006). Volgens Marchant en Hooghiemstra (2004) was er in het tropische deel van Zuid Amerika juist een omslag naar een korter droog seizoen of naar meer neerslag. Deze anomalische klimaat gebeurtenis is niet veroorzaakt door dynamiek in de ijskappen (Booth et al., 2005). Recent onderzoek suggereert dat er een verband bestaat tussen de oppervlaktetemperatuur van oceanen en droogte. Het is aannemelijk dat koude periodes in de Noordelijke deel van de Atlantische oceaan samen gaan met een zwakke moesson, aldus Gupta et al. (2003). Hierdoor zou er minder neerslag vallen en dit zou ten grondslag kunnen liggen aan het 4.2 ka BP droogte. Het mechanisme dat het 4.2 klimaat event heeft veroorzaakt is echter nog niet bekend (Booth et al., 2009). Niet alle proxies zijn even gevoelig voor droogte. Daarnaast is het 4.2 cal ka BP megadroogte event een relatief kortdurende gebeurtenis van 1 á 2 eeuwen (Booth et al., 2005). Deze factoren maken het mogelijk dat er in paleoarchieven over dit event heen gekeken wordt (Booth et al., 2005). Het is van belang om gebeurtenissen als het 4.2 cal ka BP megadroogte event beter te gaan begrijpen zodat we kunnen nagaan of ze in de toekomst mogelijk weer kunnen optreden. 2.3 De sedimentkern In potentie kan een kratermeer een van de beste sediment records voor milieu veranderingen bevatten mits er geen vulkanische activiteit is (Lamb et al., 2000 naar Williams et al., 1993). Dit is het geval op Mauritius (van der Plas et al., 2012 naar Camoin et al., 2004). In 2010 is er een sedimentkern van Tatos genomen die een compleet profiel van de afgelopen 8000 jaar bevat. Op deze kern is een multi-proxi analyse toegepast. De kern is gedateerd doormiddel van 14C. Uit deze datering is gebleken dat de periode waarin het 4.2 cal ka BP megadroogte event plaatsvond, wordt vertegenwoordigd door het sediment dat tussen de 270 cm en 240 cm diep in de kern ligt. Dit interval is groter dan het sediment dat daadwerkelijk ten tijde van het 8
4.2 cal ka BP megadroogte event is afgezet. Dit komt omdat de 14C metingen een afwijking naar boven of naar beneden kunnen hebben. Aan de hand van de datering is de sedimentatie ratio door de tijd heen bepaald (Figuur 3).
14
Figuur 3 De onderste curve van de ouderdom van de bodem gebaseerd op C datering over de diepte van de kern. Met in het blauw aangeven binnen welke dieptes het 4.2 cal ka BP event geregistreerd 14 zou kunnen zijn. De bovenste curve is de sedimentatie ratio die gemaakt is aan de hand van de C datering.
Er is een XRF (X-ray Fluorescence) core scan gemaakt om, op een non-destructieve manier, te bepalen wat de elementensamenstelling van deze kern is. De scanner data geeft informatie over de variatie van anorganische elementen in de vorm van intensiteiten in “count rates”. Ratios van elementen kunnen worden gebruikt om de relatieve variaties van de concentraties van verschillende elementen weer te geven. Vervolgens zijn de “count rates” van de elementen door middel van PCA geclusterd. Hier zijn 2 clusters uit verkregen. Een cluster, dat overeenkomt met een veen afzetting en één die overeenkomt met het klastische sediment. Er is gekeken welke elementen de variatie het best verklaarde. In de veenafzetting was dit Br en S en in de klastische sedimenten Sr/Ca en Ti (Figuur 4). De sedimentkern is rond 4.2 cal ka BP vooral rijk aan klastisch sediment. Het basaltische erosiemateriaal is de bron van Ti. Aangenomen is dat Ti daar in een kleine maar constante hoeveelheid in aanwezig is. Het calcium in de Tatos sedimentkern kan
9
echter van drie verschillende bronnen afkomstig zijn: 1) Mineraalvorming van Ca 2+ uit zoet grondwater en uit zeewater dat via het grondwater het bekken instroomt, 2) Biogene productie in het Tatos meer (ostracoden, diatomeeën bloei), 3) Ingeblazen strandzand dat voornamelijk bestaat uit koraalzand en schelpfragmenten. Deze drie bronnen vormen onder verschillende omstandigheden calciumcarbonaat. Hierdoor kan de Ca/Ti-curve op verschillende manieren geïnterpreteerd worden. Door middel van stabiele isotopen analyse van de calciumcarbonaten, sequentiële extractie en XRD analyse is achterhaald van welke bron het calcium afkomstig is. Met deze kennis is vervolgens een reconstructie gemaakt van de condities die er heerste ten tijden van de opvulling van het Tatos bekken. 4
Ca/Ti
3 2 1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
5
6
7
8
5
6
7
8
Cal Age (kyr BP) 0.0
Sr/Ca
-0.5 -1.0 -1.5 -2.8 -3.0 0
1
2
3
4
Cal Age (kyr BP)
2
Br/S
0
-2
-4 0
1
2
3
4
Cal Age (kyr BP)
Figuur 4 Ratios van de ‘count rates’ van de variatie bepalende elementen in het klastische en het organische sediment. Deze data zijn afkomstig van de XRF analyse.
3. Methode 3.1 Stabiele isotopen analyse Isotopen analyse is toegepast om te bepalen van welke bron de calciumcarbonaten afkomstig zijn. Voor deze analyse is een massaspectrometer gebruikt. Deze techniek is
10
op 32 monsters toegepast, waarbij 11 monsters verspreid over de gehele kern genomen zijn en 21 monster rondom het 4.2 ka BP event. Hierbij is IAEA-CO-1 marmer en NaSOOS marmer gebruikt, met een bekende Δ13C en Δ18O, om mee te kalibreren. 3.2 Sequentiële extractie Sequentiële extractie is op 10 monsters toegepast. Bij deze methode worden verschillende vormen van calcium van elkaar gescheiden door middel van verschillende oplosmiddelen (Tabel 1). Hierbij zijn complexvormen, carbonaten, oxides en het residu van elkaar gescheiden. Vervolgens is de hoeveelheid calcium in de verschillende monsters met een ICP-AES bepaald. Bij het bepalen van de monsters is rekening gehouden met de al bekende gegevens van het paleoarchief. De 10 monsters die geanalyseerd zijn, zijn van over de gehele kern afkomstig, wel is er met een hogere resolutie rond het 4.2 ka BP gewerkt. Tabel 1 Extractie schema Binding
Extractie stof
Extractietijd
Complex vorm
10 ml 1 M MgCl2 pH 7 (Tessier, 1979)
1 uur (Maher, 1984)
Carbonaat
10 ml 1 M NaOAc pH 5 aangestuurd met HOAc (Tessier, 1979 & Gleyzes, 2002)
5 uur (Tessier, 1979 & Maher, 1984)
Oxide
10 ml 0,35 M sodium acetate/ 0,2 M sodium citrate pH 4.8 met 0,5 gram sodium dithionite (Kosta & Luther et al., 1993)
16 uur (Rutten et al., 1993)
3.3 XRD analyse Voor het geval dat er iets mis zou gaan met de sequentiële extractie is er ook een x-ray diffraction (XRD) analyse gedaan. XRD is een non-destructieve kwalitatieve methode die doormiddel van röntgenstraling informatie over de kristalstructuren genereert. Deze analyse is met de Bruker 2D phaser verricht. Er is met een stapgrootte van 0.026⁰ gemeten met een hoek van 5⁰ t/m 85⁰. Aan de hand van de gegevens die hieruit kwamen is, door middel van een database in het computer programma EVA bepaald in welke structuren calcium zich bevindt. Als een stof niet met de XRD analyse wordt gevonden, betekent dat overigens niet dat deze er niet in zit. 4. Resultaten 4.1 Isotopen Op 32 monsters is isotopen analyse toegepast (Figuur .4). In 11 van de monsters was te weinig calciumcarbonaat aanwezig om het isotopen signaal te kunnen meten. Over alle
11
metingen waar resultaat uit gekomen is, lijken het 18O en 13C signaal aan elkaar gecorreleerd, behalve tussen de 280,5 en 265,5 cm diep. In dit interval lijkt er een anticorrelatie te zijn. Onder de 290 cm variëren beide waarden minder sterk dan boven 290 cm. Boven de 296 cm diep ligt het Δ13C signaal lager dan daar onder het geval is. 4.2 Verbindingen De sequentiële extractie is op 10 monsters toegepast tussen de 640 en 90 cm diep (Figuur .3). In de dithionite oplossing met het monster van 296 cm diep is materiaal neergeslagen, mogelijk zit hier meer calcium in dan is gemeten. In de oxidefractie zit dus mogelijk meer calcium dan gemeten is in dit monster. Calcium in de carbonaatfractie lijkt de meest dominante calciumbron. Er zit in deze fractie meer calcium dan in de fractie van de complexvormen en oxides. De hoeveelheid calcium in het residu is echter nog niet gemeten. Er is te zien dat de hoeveelheid calcium in de carbonaatfractie en in de oxidefractie dezelfde trend volgen. Er zit ongeveer 10 keer minder calcium in de oxidefractie als in de carbonaatfractie. Dit is ongeveer het deel van de oplossing die er achter is gebleven in de geinder bij het af pipetteren. Het grootste deel van de hoeveelheid gemeten calcium in de oxidefractie behoort dus eigenlijk tot de carbonaten fractie. Om deze reden zal het resultaat van de oxidefractie niet verder geanalyseerd worden. In (Figuur .2) zijn alleen de Ca/Ti resultaten van de XRF core scan te zien die op dezelfde diepte zijn gemeten als de monsters genomen zijn. Hierbij valt op dat hoeveelheid calcium in de carbonaatfractie dezelfde trend volgt als de Ca/Ti, behalve op een diepte van 240 cm. Als van diep naar ondiep gekeken wordt, is er een stijgende trend in de hoeveelheid calcium die zich in de carbonaat fractie bevindt zichtbaar tot 296 cm diep, waarbij wel een sterke dip op 310 cm diep zichtbaar is. Hierboven daalt de hoeveelheid calcium in de carbonaatfractie waarna deze relatief laag blijft. 4.3 XRD XRD analyse is op dezelfde 10 monsters toegepast als de sequentiële extractie (Figuur 5: Van links naar rechts 5.5). In alle monsters is pyriet (FeS2) gevonden. Van 470 cm t/m 296 cm diep is in alle monsters calcium magnesiumcarbonaat (CaMgCO3) teruggevonden. Van 540 cm t/m 240 cm is in elk monster gips (CaSO4) teruggevonden. Op 640 cm, 310 cm en 90 cm diep is geen calciumcarbonaat (CaCO3) in de monsters teruggevonden, in de andere monsters is dit wel gevonden. 4.4 Relaties tussen de proxies De eerste duidelijke verandering in verschillende proxies, in de sedimentkern, ligt rond de 540 cm diep. Dit is een langzame overgang naar minder organisch materiaal en een 12
langzamere accumulatiesnelheid in het meer. Tegelijkertijd wordt de Ca/Ti, het calcium in de carbonatenfractie hoger. Ook wordt op dit punt voor het eerst CaCO 3 en CaSO4 bij de XRD scan gevonden. Vanaf het monster punt daarboven ook CaMgCO3. Er vindt een tweede duidelijke omslag plaats in de verschillende proxies rond 296 cm diep in de kern. Boven dit punt wordt er geen CaMgCO3 meer in de monsters gevonden. Vanaf dit punt wordt het 13C signaal negatief. Daarnaast neemt de hoeveelheid calcium in de carbonaatfractie na dit punt sterk af.
13
Figuur 5: Van links naar rechts 5.1 t/m 5.6. 1) De Ca/Ti ratios van de ‘count rates’ van de XRF data. 2) De Ca/Ti ratio van de ‘count rates’ alleen op de punten waar monsters voor de sequentiele extractie en XRD genomen. 3) De calcium die in de verschillende fractie bij de sequentiële extractie gevonden is. 4) Het stabiele isotopen signaal van de calciumcarbonaten, waarbij ‘geen data’ staat voor de monster punten waar te weinig calciumcarbonaat in aanwezig was om het isotopen signaal te kunnen meten. 5) De verschillende verbindingen die bij de XRD analyse gevonden zijn. 6) Een foto van de sediment kern. Er staat op drie dieptes een doorgetrokken lijn. De drie lijnen vertegenwoordigen de scheidingen tussen de vier belangrijkste clusters van diatomeeen (de Boer et al., in prep.).
14
5. Discussie 5.1 Tatos In het diepste deel van de sedimentkern, tot 540 cm diep, is veel organische stof aanwezig. Dit is een aanwijzing voor een moerassig milieu. Rond dit punt is een omslag te zien van een moerassig milieu naar een milieu waar meer klastisch materiaal afgezet is. Uit de geclusterde data van de Boer et al. (in prep.) blijkt dat er ook een omslag in diatomeeën plaatsvindt (Figuur ). Daarbij komen er meer mariene soorten boven dan onder dit punt voor (de Boer et al., in prep.). Boven de 540 cm diep, na 6.9 cal ka BP, is in alle monsters CaSO4 teruggevonden. Een afname in de gips/calcium ratio kan staan voor een droger klimaat (Hodell, Curtis & Brenner, 1995). Aan de hand van XRD analyse valt alleen af te leiden welke stoffen er in een monster zitten, maar niet de hoeveelheid ervan. Het voorkomen van gips op zich kan een indicator zijn voor laagstaand water en veel evaporatie, mits de kristallen in situ zijn gevormd (Covich & Stuiver, 1974). Dat tussen 540 cm en de 240 cm gips gevonden wordt, kan erop duiden dat gedurende deze periode, 6.9 cal ka BP t/m 4.0 cal ka BP, voordurend droge perioden waren. Bijvoorbeeld in de vorm van een jaarlijks terugkerende droogte. Gips kan in sommige gevallen ook gevormd worden als zoet water in contact komt met zout water als gevolg van een zeewater intrusie in een kust milieu (Gomis-Yaqües, Boluda-Botella & Ruiz-Beviá, 1999). Het is echter niet duidelijk welk proces er voor de vorming van gips heeft gezorgd. De calciumcarbonaten kunnen door verschillende bronnen gevormd worden. Het is zeer waarschijnlijk dat het isotopensignaal een mengsignaal is. Als gevolg hiervan worden alleen de grote trends besproken, omdat de kleine fluctuatie vele verschillende oorzaken kunnen hebben. Met grote trends wordt een verandering van Δ18O van meer dan 1,0 ‰ en bij Δ13C van meer dan 2,0 ‰ bedoeld. Biogene calciumcarbonaat productie is over het algemeen relatief klein (pers. comm. Reichart 2012) en zal dus ook weinig invloed hebben op het isotopen signaal. Deze factor zal hierom tijdens het interpreteren niet worden mee genomen. Het zeewater heeft een Δ13C van ongeveer 0 ‰ en het grondwater een negatieve waarde van tussen de -10 ‰ en -20 ‰ (pers. comm. Reichart, 2012). Zeewater heeft een Δ18O van ongeveer 0 ‰ (White, 2011). Tussen de 360,5 cm en 285,5 cm diep, 5.2 cal ka BP t/m 4.6 cal ka BP, variëren Δ18O en Δ13C signaal licht rond de 0 ‰. Dit duidt er op dat de calciumcarbonaten die hier in het sediment worden teruggevonden eigenlijk in zee gevormd zijn. Het calciumcarbonaat in dit deel van de sedimentkern bestaat dus voornamelijk uit koraalzand en kleine schelpdeeltjes. De dominante bron die het isotopen signaal genereert is dus extern gevormd. Het isotopen signaal van de calciumcarbonaten die, in deze periode, mogelijk in Tatos zelf zijn gevormd, worden 15
hierdoor overschaduwd. Aan de hand van dit isotopen signaal valt dus niks te concluderen over de omstandigheden die er in Tatos hebben geheerst. Een aanwijzing, voor een verandering in het milieu, is dat er boven 296 cm diep, na 4.7 cal ka BP, geen CaMgCO3 meer gevonden wordt met de XRD analyse. Ook ligt er op dit punt een grens tussen twee grote diatomeeën clusters (Figuur 5: Van links naar rechts 5). Vanaf 290 cm daalt de Δ13C. Fractienatie van stabiele koolstof isotopen wordt primair veroorzaakt door biogene processen (White, 2011). Dit is dan ook de oorzaak van een lage Δ13C in grondwater. De Δ13C in calciumcarbonaat dat uit grondwater gevormd is, hangt af van de Δ13C TDIC (total dissolved inorganic carbon) in het grondwater waaruit het calciumcarbonaat gemineraliseerd is (Gasse et al., 1987). Dit betekent dat vanaf dit moment het dominante isotopen signaal afkomstig is van calciumcarbonaat dat gevormd is door grondwater toevoer. De afname in groeisnelheid van het koraalrif rond 5 ka BP van 0,47 m per eeuw naar 0,26 m per eeuw, waarbij de groei van het rif in een ‘catch-up mode’ kwam (Camoin et al., 2004), is een mogelijke verklaring voor de afname van calciumcarbonaat invoer van mariene oorsprong en de extreme afname van de totale hoeveelheid calciumcarbonaat. Maar ook andere dingen die in het kustmilieu zijn veranderd, kunnen, mogelijk mede als gevolg van de afname in stijgsnelheid van de zeespiegel, hebben gezorgd voor een extreme afname van de hoeveelheid koraalzand en kleine schelpfragmenten, die in Tatos konden waaien. Er wordt vanuit gegaan dat de schommelingen in temperatuur gedurende het Holoceen zo klein zijn in de tropen dat deze geen invloed hebben op Δ 18O waarden (Rosenmeier, 2002). In de tropen treedt er als gevolg van neerslag nauwelijks fractienatie op van de stabiele zuurstof isotopen (White, 2011). Neerslag in de tropen heeft dus een Δ18O van ongeveer 0 ‰. In gebieden met een droog seizoen wordt een relatieve toename van 18O veroorzaakt door verdamping van het grondwater (Gasse et al., 1990). 16O is lichter dan 18O en verdampt hierdoor sneller (Covich & Stuiver, 1974). Als gevolg hiervan kan de 18O/16O ratio dalen op het moment dat er meer neerslag of meer water in de vorm van runoff is of als er minder verdamping plaatsvindt (Rosemeier, 2002). In de tegenovergestelde situatie kan de 18O/16O ratio ook toenemen. De evaporatie/precipitatie (E/P) ratio is niet het enige dat invloed heeft op de 18O/16O. De verhouding tussen grondwater toevoer en water dat als gevolg van runoff het meer in komt stromen, kunnen ook invloed hebben op de 18O/16O ratio (Rosemeier, 2002). Een dergelijke verschuiving kan worden veroorzaakt door een verandering in vegetatie (Rosemeier, 2002). Naast dat de 18O/16O ratio kan afnemen als gevolg van evaporatie, kan als gevolg van evaporatie ook de saliniteit van het water toenemen. Tussen de toename van saliniteit en de afname van de 18O/16O ratio zit geen lineair verband (Gasse et al., 1987 naar Gilath & Gonfiantini, 1983 & Gonfiantini,
16
1986). Variatie in de 18O/16O ratio kan dan ook niet direct gebruikt worden als indicator voor de paleosaliniteit (Gasse et al., 1987). Vanaf 290 cm daalt Δ18O tot een dieptepunt op 270 cm. Dit is een aanwijzing voor een lage E/P ratio en dus een natte periode. Vervolgens stijgt de Δ18O abrupt, tot 265,5 cm diep, dit is een aanwijzing voor een veel hogere E/P een dus een veel drogere periode. Dit patroon in Δ18O wordt op veel plaatsen in Afrika gevonden waar gedurende het 4.2 cal ka BP megadroogte event een droog klimaat heerste (Lamb et al., 2000). De 3 punten in de 15 centimeter boven de Δ18O piek bevatten te weinig calciumcarbonaat om het isotopen signaal te kunnen meten. Het zou dus kunnen dat de Δ18O daar dezelfde waarde houdt of nog verder doorstijgt. Op 260 cm diep in de sedimentkern is de hoeveelheid calcium in de carbonaatfractie tot een dieptepunt sinds ongeveer 4000 jaar gedaald. Dit is een andere aanwijzing voor een extreme droogte. Hodell, Curtis en Brenner (1995) hebben een hoge hoeveelheid calciumcarbonaat als indicator voor een lage E/P, een natte periode, gebruikt in hun onderzoek. In een natte periode is er veel grondwater invoer in het Tatos meer. Calcium slaat dan neer omdat de pCO2 afneemt op het moment dat het grondwater het meer in stroomt, omdat de CO2 hier gemakkelijk kan ontsnappen. Calciumcarbonaat kan echter ook neerslaan als gevolg van droogte als er heel veel evaporatie plaatsvindt door oververzadiging. Een toename van calciumcarbonaat in het sediment kan dus zowel betekenen dat het droger als natter wordt. Hierna daalt de Δ18O weer, dit indiceert dat het weer natter wordt. Op dat moment stijgt de hoeveelheid calcium in de carbonaat fractie. Het lijkt erop dat de mineralisatie van calciumcarbonaat wordt veroorzaakt als gevolg van grondwater instroom. Op het moment dat Δ18O zijn dieptepunt bereikt, is de Δ13C tijdelijk hoger. Dit kan bijvoorbeeld het gevolg zijn van biogene processen in het meer. Aquatische planten zorgen voor een relatieve toename van 13C (Lamb et al., 2000). Als gevolg van fotosynthese wordt door middel van CO2 dat hierbij ontstaat 12C aan het water onttrokken. Dit resulteert in een hogere Δ13C. Maar ook andere processen kunnen dit veroorzaakt hebben. Op een diepte van 180 cm, 2.5 cal ka BP, ligt het Δ13C signaal onder de 0 ‰ en het Δ18O signaal ligt rond de 0 ‰. Hierdoor is het onduidelijk onder welke omstandigheden de precipitatie van calcium uit de carbonaatfractie heeft plaatsgevonden. Er zijn hier geen aanwijzingen voor extreme omstandigheden. Tot 540 cm, 6.9 cal ka BP, was Tatos een moeras. Waarna er een situatie is ontstaan waarin koraalzand en schelpfragmenten door de wind zijn afgezet in Tatos, dit is mogelijk een gevolg van de zeespiegelstijging. Vervolgens is er een sterke afname in depositie van koraalzand en schelpfragmenten rond 4.7 cal ka BP, dit is mogelijk het 17
gevolg van de afname in groeisnelheid van het koraalrif rond 5 ka BP (Camoin et al. 2004). Hierdoor werd het isotopen signaal van de calciumcarbonaten die in Tatos zijn gevormd zichtbaar. De Δ13C is vanaf hier negatief, hetgeen duidt op calciumcarbonaatvorming als gevolg van grondwater instroom (pers. comm. Reichart, 2012). Een lage Δ18O en een relatief grote hoeveelheid CaCO3 duiden op een natte periode (Rosemeier, 2002 & Hodell, Curtis en Brenner, 1995). Hieruit blijkt dat rond 4.5 cal ka BP een hele natte periode was en rond 4.2 cal ka BP een hele droge periode. Deze werd gevolgd door een natte periode rond 4.0 cal ka BP. Door de vele factoren die invloed kunnen hebben op het stabiele isotopen signaal en op de vorming van calciumcarbonaat valt dit signaal op meerdere manieren te interpreteren. Deze data op zich is dan ook geen bewijs voor een zeer natte periode, gevolgd door een droge periode, met daarna weer een natte periode. Maar dat in die periode het Δ18O signaal hetzelfde patroon vertoont als op andere plaatsen in Afrika waar droogte geregistreerd is (Lamb et al., 2000), maakt het wel waarschijnlijker. 5.2 Mare aux Songes De Mare aux Songes is een kust-nabij-meersysteem dat sterk lijkt op dat van Tatos. Daarnaast liggen de meren beide aan de oostelijke kant het eiland Mauritius waar het zelfde microklimaat heerst. Hierom wordt aangenomen dat er in het verleden vergelijkbare klimaatsomstandigheden in Tatos hebben geheerst als in de Mare aux Songens. Het lijkt erop dat met deze geochemische analyses van de Tatoskern nieuw onafhankelijk bewijs wordt aangedragen voor een extreme periode van droogte die in de Mare aux Songens rond 4.2 cal ka BP de oorzaak was van een massale sterfte van fauna (Rijsdijk et al., 2011). Wel moet hierbij worden opgemerkt dat er vlak voor het 4.2 cal ka BP megadroogte event Tatos waarschijnlijk tijdelijk een zeer nat klimaat registreerde. Dit is een situatie waarbij het eiland mogelijk ook de capaciteit had om veel meer flora en fauna te huisvesten. Mogelijk is dit mede de oorzaak van de omvang van het massagraf. 6. Conclusie In de monsters waar aan sequentiële extractie is verricht, is zichtbaar dat de grootste hoeveelheid calcium zich in de carbonaatfractie bevindt. De hoeveelheid calcium is in onder in de sedimentkern, 700 cm t/m 540 cm, heel laag. Waarna het stijgt tot 290 cm diep, +/- 4.6 cal ka BP. De grootste bron van calcium is tot die tijd marien. Het isotopen signaal van het in Tatos gevormde calciumcarbonaat wordt in die periode overschaduwd door het mariene signaal van schelpjes en koraalzand die daar door de wind zijn gedepositioneerd. Hierdoor kan uit deze gegevens niet worden afgeleid wat voor omstandigheden er in Tatos heerste. Na deze periode wordt het stabiele isotopen signaal gedomineerd door calciumcarbonaat dat in Tatos zelf is gevormd.
18
Waarschijnlijk is er dan minder invloed van calciumcarbonaten van mariene afkomst, omdat het koraalrif vanaf die periode minder hard groeide. De stabiele isotopen suggereren dat er eerst een extreem natte periode, rond 4.5 cal ka BP, 270 cm diep, plaatsvond, en daarna een extreme droogte, rond 4.2 cal ka BP, 265,5 cm diep, waarna er weer een natter klimaat ontstond, rond 4.0 cal ka BP, 245,5 cm diep. Alle proxies die tijdens dit onderzoek zijn onderzocht, zijn op meerdere manieren te interpreteren doordat er zoveel factoren van invloed zijn. Door de combinatie van aanwijzingen zowel uit dit als uit voorgaand onderzoek lijkt het waarschijnlijk dat er rond 4.2 cal ka BP een grote droogte op Mauritius heeft plaatsgevonden. Hetgeen een verklaring is voor de massasterfte in de Mare aux Songes. 7. Vervolg onderzoek Oxidatieprofielen zijn een goede indicator voor laag water (Talbot & Livingstone, 1989). Hier zou aan de hand van de gegevens die tijdens dit onderzoek zijn gegenereerd, analyse aan gedaan kunnen worden om meer duidelijkheid te krijgen over de omstandigheden die er heerste ten tijde van de opvulling van Tatos. Ook zouden de tijdens dit onderzoek gegenereerde data en van de diatomeeën data van de Boer et al. (in prep.) beter met elkaar vergeleken kunnen worden. Verder zou er isotopen analyse op hoger resolutie rond het 4.2 cal ka BP megadroogte event kunnen worden gedaan om een beter inzicht te krijgen in hoe het 4.2 cal ka BP megadroogte event is verlopen. Daarnaast zouden foraminiferen, mits deze zich in de sedimentkern bevinden, een ander proxie zijn die interessant is om te onderzoeken, omdat deze veel kunnen vertellen over het paleomilieu.
19
8. Referenties Booth, R. K., Jackson, S. T., Forman, S. L., Kutzbach, J. E., Bettis, E. A., Kreigs, J., Wright, D. K. (2004). A severe centennial-scale drought in mid-continental North America 4200 years ago and apparent global linkages. The Holocene 15, 321-328. De Boer, E., et al. (in prep.). Sea-level rise, climatic change and extreme events from a 8 kyr hydrological model constrained multiproxy record from Mauritius’ coastal wetland. Camoin. G. F., Montaggioni, L F., Braithwaite, C. J. R. (2004). Late glacial to last glacial sea levels in the Western Indian Ocean. Marine geology 205, 119-146. Covich, A., Stuiver, M. (1974). Changes in oxygen 18 as a mearsure of long-term fluctuations in tropical lake levels and molluscan populations. Limnology and Oceanography 19, 682- 691. Davis, M. E., Thompson, L.S. (2006). An Andean ice-core record of a Middle Holocene megadrought in North Africa and Asia. Annals of Glaciology 43, 34-41. Gasse, F., Fontes, J. C., Plaziat, J. C., Carbonel, P., Kaczmarska, I., de Deckker, P., SouliéMarsche, I., Callot, Y., Dupeuble, P. A. (1987). Biological remains, geochemistry and stable isotope for the reconstruction of environmental and hydrological changes in the Holocene lakes from North Sahara. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 60, 1-46. Gasse, F. Téhet, R., Durand, A., Bibert, E. Fontes, J. C. (1990). The arid-humid transition in the Sahara and the Sahel during the last deglaciation. Nature 346, 141- 146. Gupta, A. K., Anderson, D. M., Overpeck, J. T. (2003). Abrupt changes in the Asian southwest monsoon during the Holocene and their links to the North Atlantic Ocean. Nature 421, 354-356. Gleyzes, C., Tellier, S., Astruc, M. (2002). Fractionation studies of trace elements in contaminated soils and sediments: a review of sequential extraction procedures. Elsevier: Trends in analytical chemistry 21, 451-467. Gomis-Yaqües, V., Boluda-Botella, N., Ruiz-Beviá, F. (1999). Gypsum precipitation/ dissolution as an explanation of the decrease of sulphate concentration during seawater intrusion. Elsevier: Journal of Hydrology 228, 48-55. Hodell, D. A., Curtis, J. H., Brenner, M. (1995). Possible role of climate in the collapse of Classic Maya civilization. Nature 375, 391-394. Kostka, J. E., Luther, G. W. (1994). Partitioning and speciation of solid phase iron in saltmarsh sediments. Elsevier: Geochimica Acta 58, 1701-1710. Lamb, A. L., Leng, M. J., Lamb, H. F., Umer Mohammed, M. (2000). A 9000-year oxygen and carbon isotope record of hydrological change in a small Ethiopian crater lake. The Holocene 10, 167-177. Maher, W. A. (1984). Evaluation of a sequential extraction scheme to study associations of trace elements in estuarine and oceanic sediments. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology 32, 339-344.
20
Marchant, R., Hooghiemstra, H. (2003) Rapid environmetal change in African and South American tropics around 4000 years before present: a review. Earth-Science Reviews 66, 217260. Mayewski, P.A., Rohling., E. E., Stager J. C., Karlén., W., Maash, K. A., Meeker, L. D., Meyerson, E. A., et al. (2004). Holocene climate variability. Quaternary Reschearch 62, 243255. van der Plas, G. W., de Boer, E. J., Hoogmienstra, H., Florens, F. B. V., Baider, C., van der Plicht, J. (2011). Mauritius since the last glacial: environmetal and climatic reconstruction of the last 38 000 years from Kanaka Crater. Journal of Quarternary Science 27, 159-168. Rijsdijk, K. F., Hume, J.P., Bunnik, F., Florens, F. B. V., Baider, C., Shapiro, B., et al. (2008). Mid-Holocene vertebrate bone Concentration-Lagerstätte on oceanic island Mauritius provides a window into the ocesystem of the dodo (Raphus cucullatus). Quartenary Science Reviews 28, 14-24. Rijsdijk, K. F., Zinke, J., de Louw, P. G. B., Hume, J. P., van der Plicht, H, J. Hooghiemstra, H., Meijer, H. J. M. et al. (2011). Mid Holocene (4200 kyr BP) mass mortalities in Mauritius (Mascarenes): Insular vertebrates resilient to climatic extremes but vulnerable to human impact. The Holocene 21, 1179-1194. Rosemeier, M. F., Hodell, D. A., Brenner, M., Curtis, J. H., Martin, J. B., Anselmetti, F. S., Arztegui, D., Guilderson, T. P. (2002). Influence of vegetation change on watershed hydrology: implications for paleoclimatic interpretation of lacustrine Δ18O records. Journal of Paleolimnology 27, 117-131. Rutten, A., de Lange, G. J. (2002). Sequential extraction of iron, magnese and related elements in S1 sapropel sediment, eastern Mediterranean. Palaeo 190, 79-101. Scintag (1999). Chapter 7: Basics of x-ray diffraction. Cupertino: Scintag. 1- 25. Spier, F. (2011). Big history and the future of humanity. West Sussex: Wiley-Blackwell. 36-40. Talbot, M. R., Livingstone, D. A. (1989). Hydrogen index and carbon isotope of lacustrine organic matter as lake level indicator. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 70, 121-137. Tessier, A., Campbell, P. G. C., Bisson, M. (1979). Sequential extraction procedure for the speciation of particulair trace metals. Analytical Chemistry 51, 844-851. Thompson, L. G., Mosley-Thompson, E., Davis, M. E., Henderson, K. A., Brecher, H. H., Zagorodnov, V. S., Mashiotta, T. A. et al. (2002). Kilimanjaro Ice Core Records: Evidence of Holocene Climate Change in Tropical Africa. Science 298, 589-593. White, W. M. (2011). Geochemistry. http://www.imwa.info/white-geochemistry.html (geraadpleegd 26-06-2012)
21
