Refining the climate, glacier, and volcanic history of Iceland during the Holocene

Iceland’s position at the confluence of major oceanic and atmospheric fronts results in a highly sensitive climate evident in both instrumental and paleo records. However, open questions still remain regarding the pre-instrumental evolution of climate, glacier, and volcanic activity at this hemispherically relevant location. This dissertation capitalizes on and merges a range of analytical techniques in an effort to refine our understanding of Icelandic climate variability, glacier extent, and tephrochronology during the Holocene epoch, with a focus on Northwest Iceland. In order to provide robust age control in our records, this research required the development of a tephrochronological framework for West Iceland, a region that lacks the otherwise widely-dispersed rhyolitic marker tephras. Glacier proxies (threshold lake sediment records and emerging dead vegetation from receding ice margins) provide firm constraints on the Holocene activity of Drangajökull, an ice cap in northwest Iceland, and high-resolution lake sediment proxy records (TOC, δ13C, C/N and biogenic silica) collected adjacent to the glacier elucidate the concomitant climate. Furthermore, we explore two lipid biomarker paleothermometers (alkenones and branched glycerol dialkyl glycerol tetraether, GDGTs) in one of these lakes and its catchment soils for the first time in Iceland to quantify the evolution of Holocene summer temperature. Similar to other Icelandic ice cap histories, our records collectively illustrate that a warm early Holocene (2 to 5 oC above modern) likely resulted in the complete demise of Drangajökull shortly after 9 ka. Subsequent to peak early Holocene summer warmth, lake sediment climate proxies indicate punctuated declines in algal productivity and increases in soil erosion alongside steadily decreasing northern hemisphere (NH) summer insolation. As summers continued to cool, Drangajökull re-nucleated by ~2.3 ka and episodically expanded to its maximum dimension during the Little Ice Age (0.7-0.1 ka), when summer temperatures are estimated to be ~1 oC below modern. Triggers for cold anomalies are linked to variable combinations of freshwater pulses from waning Pleistocene ice sheets, low total solar irradiance, explosive and effusive volcanism, and internal modes of climate variability, with cooling likely sustained by ocean/sea-ice feedbacks. In addition to the lake record, GDGTs were also applied in two other settings: a Holocene soil archive in central Iceland and in the marine realm along the North Iceland Shelf. For the latter, we also developed an Icelandic GDGT-temperature calibration based on marine surface sediment that highlights the reduced uncertainty (± 0.4 oC) achievable for local rather than global calibrations (e.g., ± 4.0 oC). Local calibrations are particularly important for areas where the temperature relationship of GDGTs deviates from the overall linear correlation observed in global calibrations (i.e., cold and warm regions), such as Iceland. Although clearly reflected in the maximum dimensions of Drangajökull, the Little Ice Age cooling is obscured in all lake, soil and marine organic geochemical records investigated in this dissertation. For the former two, the erosion of older soils, nutrients and relic GDGTs likely compromise the records and imply warmth. On the other hand, the development of thick sea ice inferred from highly branched isoprenoid biomarkers on the North Iceland Shelf insulated the subsurface waters during the peak Little Ice Age, likely preventing the ventilation of heat from below the surface layer to the atmosphere. This dissertation provides critical and nuanced observations necessary for evaluating modeling simulations aiming to forecast the poorly constrained climate of the coming century.Næmni Íslands fyrir veðurfarsbreytingum kemur fram í samfelldum veðurathugunum og veðurvísum og skýrist að einhverju leyti af stöðu landsins á skilum kaldra og tempraðra sjávar- og loftmassa, sem færast í takt við umhverfisbreytingar á Norður Atlantshafi. Samspil og þróun loftslags, jökla og eldvirkni fyrir tíma samfelldra mælinga er margslungið og margt er enn á huldu um hvernig orsakasamhengi er háttað. Mikilvægt er að rýna betur í þessa ferla til að unnt verði að bæta spár um komandi umhverfis- og veðurfarsbreytingar. Þessi ritgerð greinir frá rannsóknum þar sem fjölþættum greiningaraðferðum er beitt í því skyni að betrumbæta skilning okkar á loftslagsbreytingum, útbreiðslu jökla og myndun gjóskulaga á Íslandi á Nútíma, með áherslu á Vestfirði og Drangajökul. Nákvæm greining á gjóskulögum, sem er að finna í seti vatna sem liggja að Drangajökli, var gerð til að ná fram áreiðanlegum aldursgreiningum á vatnasetinu og veðurvísum sem í því finnast, en þetta svæði hefur skort nákvæmt gjóskutímatal hingað til. Vitnisburður jökulframrása (stöðuvatnaset og aldursgreiningar á gróðri sem hefur komið í ljós undan hörfandi jökli) hafa að geyma nákvæm gögn um virkni Drangajökuls á Nútíma, studdur af veðurvísum (TOC, δ13C, C/N og lífrænn kísill) sem finnast í seti stöðuvatnanna. Að auki var með þessu verkefni í fyrsta skipti á Íslandi beitt rannsóknum á tveimur hitastigs- og rakanæmum lífmerkjum (alkenones and branched glycerol dialkyl glycerol tetraether, GDGTs) í seti eins stöðuvatnsins og í jarðvegssniði sem er að finna á upptakasvæði þess, í þeim tilgangi að ná fram þróun magnbundins sumarhita á Nútíma. Svipað og rannsóknir á sögu og þróun annarra íslenskra jökla gefa til kynna, benda niðurstöður okkar til þess að hlýindi árla á Nútíma (á bilinu 2° til 5 °C yfir meðaltali síðustu áratuga) hafi leitt til hörfunar á forvera Drangajökuls. Fljótlega eftir að hámarki hlýnunar var náð, snemma á Nútíma, sýna veðurvísar í stöðuvatnaseti stigvaxandi hnignun í framleiðni vatnaþörunga og aukningu í jarðvegsrofi, sem svörun við hægfara lækkun sumarinngeislunar á norðurhveli jarðar. Drangajökull myndaðist á ný fyrir um 2300 árum, samhliða því að sumur tóku að kólna, og náði jökullinn hámarksútbreiðslu á litlu ísöldinni (fyrir 0,7-0,1 þúsund árum) þegar hitastig sumars er talið hafa verið ~1 °C undir meðalhita síðustu áratuga. Ástæður kaldra frávika á þessu tímabili eru tengdar minni sólarvirkni, aukinni eldvirkni (bæði sprengigosa og hraungosa) og innri breytileika veðurkerfa þar sem kólnun var viðhaldið af svörun hafs og hafíss. Hitastigs- og rakanæma lífmerkið GDGT var að auki rannsakað í tveimur öðrum umhverfum; í jarðvegssniði frá Nútíma á hálendi Íslands, og í sjávarsetkjarna sem tekinn var af landgrunninu fyrir norðan Ísland. Fyrir sjávarsetskjarnann var að auki þróaður íslenskur GDGT-hitastigskvarði, sem byggir á yfirborðssýnum teknum af sjávarbotninum og sýna niðurstöður möguleika á að ná fram minni óvissu (±0,4 °C) með slíkri staðbundinni kvörðun samanborið við hnattræna kvörðun (±4,0 °C). Staðbundin kvörðun er sérstaklega mikilvæg fyrir svæði eins og Ísland, þar sem hitastigstengsl GDGT víkur frá heildar línulegri fylgni hnattrænna kvarða (þ.e. köld og heit svæði). Þó kólnun á litlu ísöldinni endurspeglist greinilega í hámarksstærð Drangajökuls og eðlisrænum veðurvísum, kemur kólnun Litlu ísaldarinnar ekki skýrt fram í hitastigsnæma lífmerkinu (GDGT) í þeim þremur umhverfum sem hér eru til umfjöllunar (vatnaseti, jarðvegi og sjávarseti). Í fyrstu tveim tilfellunum, (þ.e. vatnaseti og jarðvegssniði), er líklegasta ástæðan rof á eldri jarðvegi frá hlýrri tíma (þ.e eldri jarðvegur hefur fokið yfir yngri jarðveg og í stöðuvatnið á hámarki litlu ísaldar), næringarefni og GDGT hafa blandast yngra efni að einhverju leyti og gefa því til kynna hlýrra hitastig en var í raun á litlu ísöldinni. Í sjávarsetinu benda lífmerkin til þess að þykkur og samfelldur hafís hafi myndast á hámarki litlu ísaldarinnar og náð að einangra sjó undir yfirborðinu og þannig komið í veg fyrir hitastreymi frá undirlögum sjávar til andrúmsloftsins. Þessi ritgerð bætir við nýjum og ítarlegum niðurstöðum sem eru mikilvægar fyrir gerð líkana sem miða að því að spá fyrir um þróun loftslags og hugsanlegar breytingar á næstu öldum.RANNIS, University of Iceland, University of Colorado Boulder, Lamont-Doherty Earth Observator