Mediterranean-type climate in the South Aegean (Eastern Mediterranean) during the Late Miocene: Evidence from isotope and element proxies

The present-day climate in the Mediterranean region is characterized by mild, wet winters and hot, dry summers. There is contradictory evidence as to whether the present-day conditions (“Mediterranean climate”) already existed in the Late Miocene. This thesis presents seasonally-resolved isotope and element proxy data obtained from Late Miocene reef corals from Crete (Southern Aegean, Eastern Mediterranean) in order to illustrate climate conditions in the Mediterranean region during this time. There was a transition from greenhouse to icehouse conditions without a Greenland ice sheet during the Late Miocene. Since the Greenland ice sheet is predicted to melt fully within the next millennia, Late Miocene climate mechanisms can be considered as useful analogues in evaluating models of Northern Hemispheric climate conditions in the future. So far, high resolution chemical proxy data on Late Miocene environments are limited. In order to enlarge the proxy database for this time span, coral genus Tarbellastraea was evaluated as a new proxy archive, and proved reliable based on consistent oxygen isotope records of Tarbellastraea and the established paleoenvironmental archive of coral genus Porites. In combination with lithostratigraphic data, global 87Sr/86Sr seawater chronostratigraphy was used to constrain the numerical age of the coral sites, assuming the Mediterranean Sea to be equilibrated with global open ocean water. 87Sr/86Sr ratios of Tarbellastraea and Porites from eight stratigraphically different sampling sites were measured by thermal ionization mass spectrometry. The ratios range from 0.708900 to 0.708958 corresponding to ages of 10 to 7 Ma (Tortonian to Early Messinian). Spectral analyses of multi-decadal time-series yield interannual δ18O variability with periods of ~2 and ~5 years, similar to that of modern records, indicating that pressure field systems comparable to those controlling the seasonality of present-day Mediterranean climate existed, at least intermittently, already during the Late Miocene. In addition to sea surface temperature (SST), δ18O composition of coral aragonite is controlled by other parameters such as local seawater composition which as a result of precipitation and evaporation, influences sea surface salinity (SSS). The Sr/Ca ratio is considered to be independent of salinity, and was used, therefore, as an additional proxy to estimate seasonality in SST. Major and trace element concentrations in coral aragonite determined by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry yield significant variations along a transect perpendicular to coral growth increments, and record varying environmental conditions. The comparison between the average SST seasonality of 7°C and 9°C, derived from average annual δ18O (1.1‰) and Sr/Ca (0.579 mmol/mol) amplitudes, respectively, indicates that the δ18O-derived SST seasonality is biased by seawater composition, reducing the δ18O amplitude by 0.3‰. This value is equivalent to a seasonal SSS variation of 1‰, as observed under present-day Aegean Sea conditions. Concentration patterns of non-lattice bound major and trace elements, related to trapped particles within the coral skeleton, reflect seasonal input of suspended load into the reef environment. δ18O, Sr/Ca and non-lattice bound element proxy records, as well as geochemical compositions of the trapped particles, provide evidence for intense precipitation in the Eastern Mediterranean during winters. Winter rain caused freshwater discharge and transport of weathering products from the hinterland into the reef environment. There is a trend in coral δ18O data to more positive mean δ18O values (–2.7‰ to –1.7‰) coupled with decreased seasonal δ18O amplitudes (1.1‰ to 0.7‰) from 10 to 7 Ma. This relationship is most easily explained in terms of more positive summer δ18O. Since coral diversity and annual growth rates indicate more or less constant average SST for the Mediterranean from the Tortonian to the Early Messinian, more positive mean and summer δ18O indicate increasing aridity during the Late Miocene, and more pronounced during summers. The analytical results implicate that winter rainfall and summer drought, the main characteristics of the present-day Mediterranean climate, were already present in the Mediterranean region during the Late Miocene. Some models have argued that the Mediterranean climate did not exist in this region prior to the Pliocene. However, the data presented here show that conditions comparable to those of the present-day existed either intermittently or permanently since at least about 10 Ma.Milde, feuchte Winter und heiße, trockene Sommer sind kennzeichnend für das heutige Klima im Mittelmeerraum. Ob dieses „Mittelmeerklima“ bereits im späten Miozän vorherrschend war, wird konträr diskutiert. In der vorliegenden Arbeit werden an spätmiozänen Riffkorallen Kretas (südliche Ägäis, östliches Mittelmeer) gemessene, saisonal aufgelöste Isotopen- und Elementdaten vorgestellt, die Rückschlüsse auf die klimatischen Bedingungen im Mittelmeerraum während dieser Zeit erlauben. Diese Fragestellung ist für Modellierungen zukünftiger Klimaentwicklungen relevant, da während des späten Miozäns ein Übergang von „Treibhaus“- zu „Eishaus“-Bedingungen stattfand, wobei die Eisbedeckung Grönlands noch nicht ausgebildet war. Da für den heutigen Grönländischen Eisschild ein Abschmelzen innerhalb der nächsten Jahrtausende vorhergesagt wird, kann das Verständnis spätmiozäner Klimamechanismen dazu dienen, Simulationen des zukünftigen Klimas der Nordhemisphäre zu überprüfen. Hochaufgelöste chemische Proxydaten, die Aussagen über Umweltbedingungen im späten Miozän erlauben, standen bisher nur in geringem Maße zur Verfügung. Um diese Datenbasis zu erweitern, wurde mit der Korallengattung Tarbellastraea ein neues Proxyarchiv erschlossen. Die geologische Signifikanz der Proxydaten des neuen Archivs wurde durch konsistente δ18O-Datensätze von Tarbellastraea und Porites Korallen nachgewiesen, die ein etabliertes Umweltarchiv darstellen. Lithostratigraphische Daten und globale 87Sr/86Sr-Meerwasserchronostratigraphie erlauben eine numerische Kalibrierung der stratigraphischen Position der Fundstellen der Korallen. Die 87Sr/86Sr-Verhältnisse der Gattungen Tarbellastraea und Porites aus acht stratigraphisch unterschiedlichen Fundstellen wurden mittels Thermionen-Massenspektrometrie gemessen und variieren zwischen 0,708900 und 0,708958. Dies entspricht einem Altersbereich von 10-7 Ma (Torton bis frühes Messin). Spektralanalysen von multidekadischen δ18O-Zeitreihen liefern interannuelle Variabilitäten mit Perioden von ~2 und ~5 Jahren. Die Vergleichbarkeit mit rezenten spektralen Mustern interannueller δ18O-Variabilität deutet darauf hin, dass während des späten Miozäns zumindest zeitweise Luftdruckkonfigurationen bestanden, die denen entsprechen, die die Saisonalität des heutigen Mittelmeerklimas kontrollieren. Da die δ18O-Zusammensetzung des Korallenaragonits nicht ausschließlich von der Meeresoberflächentemperatur (SST), sondern auch von anderen Faktoren mit Auswirkungen auf die Salinität des Oberflächenwassers (SSS) gesteuert wird, wurde zusätzlich das Sr/Ca-Verhältnis als SSS-unabhängiger Parameter zur Bestimmung der SST-Saisonalität gemessen. Analysen mittels Laserablation-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma als Ionenquelle zeigen signifikante Konzentrationsvariationen in Haupt- und Spurenelementen entlang der Wachstumsrichtung der Korallenskelette, verursacht durch variierende Umweltbedingungen. Der Vergleich der SST-Saisonalitäten von 7°C und 9°C, ermittelt jeweils anhand der durchschnittlichen jährlichen δ18O- und Sr/Ca-Amplituden von 1,1‰ beziehungsweise 0,579 mmol/mol, weist daraufhin, dass die δ18O-basierte SST-Saisonalität durch Variationen der Meerwasserzusammensetzung beeinflusst ist. Die daraus resultierende Verringerung der δ18O-Amplituden des Korallenaragonits um 0,3‰ entspricht einer saisonalen SSS-Variation von 1‰, vergleichbar mit heutigen Verhältnissen in der Ägäis. Konzentrationsmuster von nicht im Aragonitgitter gebundenen Elementen, die durch eingeschlossene mineralische Partikel verursacht sind, weisen auf saisonalen Partikeltransport in den Riffbereich hin. δ18O, Sr/Ca und Elementkonzentrationsmuster, sowie die chemische Zusammensetzung der Partikel zeigen, dass im spätmiozänen östlichen Mittelmeer Starkregenereignisse während der Wintermonate auftraten, die Verwitterungsprodukte aus dem Hinterland in den Riffbereich verfrachtet haben. Zwischen 10 und 7 Ma ändert sich die δ18O-Zusammensetzung der kretischen Korallen, wobei die Mittelwerte von –2,7‰ auf –1,7‰, bei einer gleichzeitigen Abnahme der jährlichen Amplitude von 1,1‰ auf 0,7‰, ansteigen. Dieser Trend lässt sich im Wesentlichen durch zunehmend positivere Sommer-Werte erklären. Da Korallendiversität und jährliche Wachstumsraten darauf hinweisen, dass im Mittelmeer die SST im Verlauf des späten Miozäns weitestgehend konstant war, impliziert die δ18O-Änderung zunehmend aride Bedingungen vor allem während des Sommers. Die Ergebnisse zeigen, dass Winterregen und Sommertrockenheit, Merkmale des heutigen Mittelmeerklimas, bereits im späten Miozän im Mittelmeerraum auftraten. Im Gegensatz zum Modell einer pliozänen Entwicklung des heutige Mittelmeerklimas, ist von mit heutigen Verhältnissen vergleichbaren Bedingungen auszugehen, die entweder kontinuierlich oder episodisch seit mindestens etwa 10 Ma existieren