Impact of middle to late Miocene global cooling on Indo-Pacific climate evolution and ocean circulation
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Impact of middle to late Miocene global cooling on Indo-
Pacific climate evolution and ocean circulation
Dissertation
In fulfillment of the requirements for the degree “Dr. rer. nat.”
of the Faculty of Mathematics and Natural Sciences
at Kiel University
Submitted by
Julia Anne-Elise Lübbers
Kiel, 2021Referent: Prof. Dr. Wolfgang Kuhnt
Koreferent: Prof. Dr. Miriam Pfeiffer
Tag der Disputation: 08.07.2021
Zum Druck genehmigt:
Der Dekan: Prof. Dr. Frank Kempken
Eidesstattliche Erklärung
iiHiermit erkläre ich an Eides statt, dass die vorliegende Dissertation mit dem Titel „Impact of
middle to late Miocene global cooling on Indo-Pacific climate evolution and ocean circulation“,
abgesehen von der Beratung durch meine akademischen Lehrer, in Inhalt und Form meine
eigene Arbeit darstellt.
Ich habe diese Arbeit, ganz oder zum Teil, an keiner anderen Stelle im Rahmen eines
Prüfungsverfahrens vorgelegt. Teile dieser Arbeit wurden zur Veröffentlichung in
Fachzeitschriften eingereicht oder sind in Vorbereitung eingereicht zu werden.
Diese Arbeit ist unter Einhaltung der Regeln guter wissenschaftlicher Praxis der Deutschen
Forschungsgemeinschaft (DFG) entstanden.
Kiel, den 20.05.2021
____________________________
Julia Anne-Elise Lübbers
iiiiv
Abstract
The Miocene Epoch (23 to 5.3 Ma) is an interval of major interest in Earth’s climate
history, as it was marked by a fundamental transition from a warmer-than-modern climate
phase to a much cooler mode with permanent ice sheets on Antarctica. The Miocene Climatic
Optimum (MCO), which started at ~16.9 Ma, represents the warmest climate phase of the
Neogene. This warmer phase characterized by high amplitude climate variability, ended with
stepwise expansion of the Antarctic Ice sheet between ~14.7 and 13.8 Ma during the Middle
Miocene Climate Transition (MMCT). Climate cooling continued during the late Miocene and
was accompanied by reorganization of the ocean-atmosphere circulation and by major
changes in terrestrial and marine ecosystems. Todate, the lack of continuous Miocene
sedimentary archives in strategic ocean locations has, however, limited the understanding of
middle to late Miocene climatic and oceanographic evolution. This thesis presents high-
resolution multi-proxy records from newly drilled International Ocean Discovery Program
(IODP) sites from the equatorial Indian Ocean (U1443) and the equatorial Western Pacific
Ocean (U1490) and from Ocean Drilling Program (ODP) Site 1146 in the South China Sea. The
principal objectives of this work are: (1) to tease out the relationships between climate, ocean
circulation and carbonate accumulation during the middle to late Miocene, (2) to advance
understanding of climate-carbon cycle dynamics on a warmer Miocene Earth, (3) to
investigate the detailed evolution of the Southeast Asian Monsoon during the late Miocene
and (4) to reconstruct the characteristics and orbital-scale variability of intermediate and deep
water masses in the Indian and Pacific Oceans through the MCO, MMCT and late Miocene
cooling.
New benthic foraminiferal stable isotope records (d13C and d18O) spanning the late
early to late Miocene (17.9 to 8.2 Ma) at Site U1443 in the Indian Ocean closely track the onset
vand evolution of the MCO and the transition towards colder climate conditions during the
MMCT and the early late Miocene. In combination with X-ray fluorescence scanner elemental
data from the same site, these records show that hyperthermal-like features developed and
bottom waters became suboxic at eccentricity maxima on an almost ice-free Earth during the
MCO. The Sr, Nd, and Pb isotope records from terrigenous clays at Site U1443 additionally
indicate a change in erosion regime at ~13.5 Ma attributed to a shift in the locus of Indian
Monsoon rainfall following global climate cooling.
After the MCO, the Indian Ocean Site U1443 d18O record exhibits stepwise increases at
~14.7 and ~13.8 Ma indicating expansion of the Antarctic Ice Sheet and a fundamental change
in deep water circulation is recorded by the d13C record, signaling improved oxygenation after
13.5 Ma. Following the MMCT, prolonged episodes of reduced carbonate deposition occurred
between ~13.2 and 8.7 Ma, which coincided with the timing of the Carbonate Crash, originally
identified in the equatorial Pacific Ocean and the Caribbean Sea. This new record of the
Carbonate Crash in the equatorial Indian Ocean demonstrates the global extent of this event.
Comparison of carbonate mass accumulation rates in different ocean basins revealed that the
most intense phase of carbonate impoverishment occurred between ~11.5 and 10 Ma. At Site
U1443, the end of the Carbonate Crash corresponds to a gradual change in sediment color
from red to green and an increase in Log(Ba/Ti) at ~11.2 Ma, which signal a rise in organic
export flux associated with the regional onset of the Biogenic Bloom. The increase in biological
productivity, which marked the end of the Carbonate Crash, may have been associated with
changes in the intensity and seasonality of the Indian Monsoon.
The variability of the Indian monsoon system during the subsequent late Miocene
cooling was investigated at IODP Sites U1447 and U1448 (Andaman Sea) in the eastern part
of the Bay of Bengal. Benthic foraminiferal stable isotope records combined with spectral
vigamma ray core-logging data show a long-term decrease in chemical weathering and increase
in physical weathering and erosion between ~7 and 5.5 Ma during a period of global cooling.
A transient return of intensified summer monsoon precipitation associated with warming and
freshening of the Andaman Sea occurred after 5.5 Ma. The pattern of late Miocene climate
change and re-organization of the carbon cycle in the Andaman Sea shows close similarities
to planktic and benthic stable isotope and mixed layer temperature records from ODP Site
1146 in the subtropical northwestern Pacific South China Sea. The coinciding changes at both
locations suggest that global climate entered a colder state with bipolar ice caps, leading to
an intensification of the South and East Asian Monsoon dry winter monsoons.
Highly resolved benthic stable isotope records were used to reconstruct the evolution
of intermediate and deep water mass properties over the middle to late Miocene (13.7 to 8.6
Ma) at IODP Site U1490 in the western equatorial Pacific Ocean. This site was influenced by
intermediate to deep waters originating from the North Pacific Ocean or from the Antarctic
circumpolar region after the expansion of the Antarctic Ice sheet at ~13.9 and ~13.1 Ma. The
benthic stable isotope record at Site U1490 captures the climate shift during the MMCT as
well as the gradual establishment of a cooler climate mode during the late middle to late
Miocene. Intermediate to deep water masses at this western equatorial Pacific location were
intermittently influenced by pulses of well-ventilated (high d13C) southern sourced Antarctic
intermediate water and upper circumpolar deep waters that replaced North Pacific
intermediate water (low d13C). Site U1490 (2341 m water depth) shows no evidence of
carbonate dissolution during the Carbonate Crash interval.
viiZusammenfassung
Das Miozän (23 bis 5.3 Ma) ist eine wichtige Zeitperiode der Erdgeschichte, da es als
mögliche Paläo-Analogie für zukünftige Klimaentwicklungen dienen kann. Es markiert den
Übergang von einem warmen Klima hin zu global kühleren Bedingungen mit permanenten
Eischilden in der Antarktis. Dabei repräsentiert das Miozäne Klimaoptimum (eng. Miocene
Climate Optimum; MCO), welches um 16.9 Ma begann, die wärmste Klimaphase des Neogens.
Das MCO ist gekennzeichnet durch eine hohe Klimavariabilität und endet mit der
schrittweisen Ausdehnung des Antarktischen Eisschildes, zwischen ~14.7 und 13.8 Ma,
während des Mittelmiozänen Klimawandels (eng. Middle Miocene Climate Transition;
MMCT). Der Übergang zu einem global kälteren Klima setzte sich bis zum späten Miozän fort
und ging mit einer Neuorganisation der ozeanischen und atmosphärischen Zirkulation und
bedeutenden Änderungen in terrestrischen und marinen Ökosystemen einher. Allerdings
limitiert das Fehlen kontinuierlicher Sedimentarchive an strategisch wichtigen Lokationen in
den verschieden Ozeanbecken das Verständnis der klimatischen und ozeanografischen
Entwicklung während des mittleren und späten Miozäns. Diese Arbeit präsentiert daher
hochauflösende multi-Proxy-Daten neu erbohrter Sedimentkerne der International Ocean
Discovery Program (IODP) Lokalitäten U1443 aus dem Indischen Ozean und U1490 aus dem
äquatorialen westlichen Pazifik, sowie der Ocean Drilling Program (ODP) Lokalität 1146 aus
dem Südchinesischen Meer. Dabei sind die Hauptziele dieser Arbeit: (1) die Zusammengänge
zwischen Klima, Ozeanzirkulation und Karbonatakkumulation während des mittleren und
späten Miozäns zu untersuchen, (2) das Verständnis der Dynamiken des Klima-Kohlenstoff-
Kreislaufes während des global wärmeren Klimas des Miozän zu vertiefen, (3) die detaillierte
Entwicklung des südostasiatischen Monsuns während des späten Miozäns zu rekonstruieren
und (4) die Charakteristiken und Variabilitäten der mittleren und tiefen Wassermassen des
viiiIndischen und Pazifischen Ozeans während des MCO, des MMCT und der Spätmiozänen
Klimaabkühlung auf Zeitskalen der Milanković Orbitalzyklen zu untersuchen.
Neue, an benthischen Foraminiferen gemessene, stabile Isotopendaten (d13C und
d18O) des frühen bis späten Miozäns (17.7 bis 8.2 Ma) aus dem Indischen Ozean (IODP Lokalität
U1443) spiegeln die klimatische Entwicklung des MCO, sowie die folgende Übergangsphase
der globalen Abkühlung vom MMCT hin zum späten Miozän wieder. Die Isotopendaten der
Lokalität U1443 in Kombination mit der mittels Röntgenfluoreszenzanalyse rekonstruierten
Element-Zusammensetzung der Sedimente zeigen, dass während der fast Eisschild-freien
Exzentrizitätsmaxima des MCO ozeanische Bodenwässer suboxisch wurden und sich
Charakteristika, typisch für erdgeschichtliche Treibhausperioden, ausbildeten. An terrigene
Tonen gemessene Sr-, Nd-, und Pb-Isotopenverhältnisse zeigen, dass sich ab ~13.5 Ma das
Erosionsregime änderte, was auf eine Verschiebung des Hauptniederschlagsgebietes des
Indischen Monsuns infolge globaler Abkühlung zurückzuführen ist.
Das Ende des MCO ist geprägt durch eine schrittweise Ausdehnung des Antarktischen
Eisschildes um ~14.7 und ~13.8 Ma (schwerere d18O-Werte), was eine grundlegende Änderung
der ozeanischen Tiefenwasserzirkulation mit verbesserter Sauerstoffsättigung (rekonstruiert
anhand von d13C Variationen) ab ~13.5 Ma nach sich zog. Der globalen Abkühlung des MMCT
folgt eine Periode reduzierter Karbonatablagerung im Indischen Ozean (IODP Lokalität U1443)
zwischen ~13.2 und 8.7 Ma, welche zeitgleich zum „Carbonate Crash“ ist. Diese Koinzidenz mit
dem ursprünglich im äquatorialen Pazifik und in der Karibik rekonstruierten Event zeigt die
globalen Ausmaße des Carbonate Crashs auf. Ein Vergleich der Karbonatakkumulationsraten
verschiedener Ozeane zeigt, dass die Phase der intensivsten Verarmung an
Karbonatsedimenten in allen Ozeanen zwischen ~11.5 und 10 Ma auftrat. Das Ende des
Carbonate Crashs im Indischen Ozean ist gekennzeichnet durch eine allmähliche Änderung
ixder Sedimentfarbe von rötlich nach grünlich und eine Zunahme von Log(Bi/Ti) um ~11.2 Ma,
was auf einen Anstieg der organischen Exportproduktion zurückzuführen ist. Diese Zunahme
der biologischen Produktivität steht in Zusammenhang mit dem regionalen Beginn der
biogenen Hochproduktivitätsperiode des „Biogenic Bloom“, welche mit Änderungen in der
Intensität und Saisonalität des indischen Monsuns verbunden gewesen sein könnte.
Im östlichen Teil des Golf von Bengalen wurden an den IODP Lokalitäten U1447 und
U1448 (Andamanensee) die Variabilität des indischen Monsunsystems während der globalem
Abkühlungsphase des späten Miozäns untersucht. An benthischen Foraminiferen gemessene,
stabile Isotopenverhältnisse und spektrale Gammastrahlen-Bohrloch-Log-Daten zeigen eine
langfristige Abnahme der chemischen Verwitterung und eine Zunahme der physikalischen
Verwitterung, sowie zunehmende Erosion während einer Zeit globaler Abkühlung zwischen
~7 und 5.5 Ma. Ab 5.5 Ma traten vorübergehend erneut verstärkte Niederschläge des
Sommermonsuns auf, welche mit Erwärmung und einem erhöhten Frischwasser-Eintrag in die
Andamanensee einher gingen. Dieses Muster von spätmiozänen Klimaänderungen und
Reorganisationen des Kohlenstoffkreislaufes in der Andamanensee weist große Ähnlichkeiten
zu Änderungen des winddurchmischten, ozeanischen Oberflächenwassers im subtropischen
nordwestpazifischen Südchinesischen Meer (ODP Lokalität 1146) auf. Diese Rekonstruktion
basieren auf an planktonischen und benthischen Foraminiferen vorgenommenen stabilen
Isotopen- und Temperaturrekonstruktionen. Die simultanen Veränderungen an beiden
Lokalitäten deuten darauf hin, dass das globale Klima in eine kühlere Phase mit bipolaren
Eiskappen übergeht, was zu einer Intensivierung des trockenen süd- und ostasiatischen
Wintermonsuns führte.
Die Entwicklung der marinen Zwischen- und Tiefenwassermassen während des
mittleren und späten Miozäns (13.7 bis 8.6 Ma) im westlichen äquatorialen Pazifik (U1490)
xwurde anhand von hochauflösenden, an benthischen Foraminiferen gemessenen, stabilen
Isotopen rekonstruiert. Die Lokalität U1490 wurde stark beeinflusst von Wassermassen aus
dem nördlichen Pazifik oder, nach der Ausdehnung der Antarktischen Eisschilde um ~13.9 und
13.1 Ma, aus der Antarktischen Zirkumpolarregion. Die benthischen Isotopendaten der
Lokalität U1490 spiegeln ebenfalls den globalen Klimawandel während der MMCT, sowie die
allmähliche Etablierung eines global kälteren Klimas des späten mittleren bis hin zum späten
Miozän wieder. Das nordpazifische Zwischen- bis Tiefenwasser (niedrige d13C-Werte) im
westlichen äquatorialen Pazifik an der Lokation U1490 wurde zeitweise durch den Zustrom
von gut belüftetem (hohe d13C-Werte), südlichem antarktischem Zwischenwasser und oberem
zirkumpolaren Tiefenwasser ersetzt und zeigten auch während des Zeitintervalls des
Carbonate Crashs keine Anzeichen von Karbonatlösung.
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