High-resolution reconstruction of Holocene climate variability and environmental changes in the North Pacific using bivalve shells

Bivalve mollusk shells are useful tools for multi-species and multi-proxy paleoenvironmental reconstructions with a high temporal and spatial resolution. Past environmental conditions can be reconstructed from shell growth and stable oxygen and carbon isotope ratios, which present an archive for temperature, freshwater fluxes and primary productivity. The purpose of this thesis is the reconstruction of Holocene climate and environmental variations in the North Pacific with a high spatial and temporal resolution using marine bivalve shells. This thesis focuses on several different Holocene time periods and multiple regions in the North Pacific, including: Japan, Alaska (AK), British Columbia (BC) and Washington State, which are affected by the monsoon, Pacific Decadal Oscillation (PDO) and El Niño/Southern Oscillation (ENSO). Such high-resolution proxy data from the marine realm of mid- and high-latitudes are still rare. Therefore, this study contributes to the optimization and verification of climate models. However, before using bivalves for environmental reconstructions and seasonality studies, life history traits must be well studied to temporally align and interpret the geochemical record. These calibration studies are essential to ascertain the usefulness of selected bivalve species as paleoclimate proxy archives. This work focuses on two bivalve species, the short-lived Saxidomus gigantea and the long-lived Panopea abrupta. Sclerochronology and oxygen isotope ratios of different shell layers of P. abrupta were studied in order to test the reliability of this species as a climate archive. The annual increments are clearly discernable in umbonal shell portions and the increments widths should be measured in these shell portions. A reliable reconstruction of paleotemperatures may only be achieved by exclusively sampling the outer shell layer of multiple contemporaneous specimens. Life history traits (e.g., timing of growth line formation, duration of the growing season and growth rates) and stable isotope ratios of recent S. gigantea from AK and BC were analyzed in detail. Furthermore, a growth-temperature model based on S. gigantea shells from Alaska was established, which provides a better understanding of the hydrological changes related to the Alaska Coastal Current (ACC). This approach allows the independent measurement of water temperature and salinity from variations in the width of lunar daily growth increments of S. gigantea. Temperature explains 70% of the variability in shell growth. The model was calibrated and tested with modern shells and then applied to archaeological specimens. The time period between 988 and 1447 cal yrs BP was characterized by colder (~1-2°C) and much drier (2-5 PSU) summers, and a likely much slower flowing ACC than at present. In contrast, the summers during the time interval of 599-1014 cal yrs BP were colder (up to 3°C) and fresher (1-2 PSU) than today. The Aleutian Low may have been stronger and the ACC was probably flowing faster during this time.Muschelschalen eignen sich hervorragend für raumzeitlich hochaufgelöste Paläoumweltrekonstruktionen. Umweltbedingungen der Vergangenheit können aus dem Schalenzuwachs und den stabilen Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopenverhältnissen rekonstruiert werden, welche Archive für Temperatur, Süßwassereintrag und Primärproduktivität darstellen. Das Ziel dieser Doktorarbeit besteht darin, holozäne Klima- und Umweltschwankungen im nordpazifischen Sektor mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung mittels Muschelschalen zu rekonstruieren. Diese Arbeit fokussiert sich dabei auf verschiedene holozäne Zeitabschnitte und mehrere Regionen im Nordpazifik, darunter Japan, Alaska (AK), Britisch-Kolumbien (BC) und Washington, welche vom Monsun, der Pazifischen Dekadischen Oszillation (PDO) und der El Niño/Southern Oscillation (ENSO) beeinflusst werden. Derartig hochauflösende Proxydaten aus dem marinen Bereich der mittleren und hohen Breiten sind jedoch selten. Somit trägt diese Arbeit zur Optimierung und Verifikation von Klimamodellen bei. Bevor Muschelschalen allerdings zur Umweltrekonstruktion und in Studien zur Saisonalität verwendet werden können, müssen life-history-Eigenschaften untersucht werden, um die geochemischen Daten zeitlich anzuordnen und zu interpretieren. Solche Kalibrierungsstudien sind notwendig, um die Nutzbarkeit ausgewählter Muschelarten als Paläoklimaarchive zu untersuchen. Im Fokus dieser Arbeit stehen zwei Muschelarten: die kurzlebige Buttermuschel Saxidomus gigantea und die langlebige Elefantenrüsselmuschel Panopea abrupta. Verschiedene Schalenlagen von P. abrupta wurden sklerochronologisch und sauerstoffisotopisch untersucht, um die Eignung dieser Art als Klimaarchiv zu prüfen. Die jährlichen Inkrementbreiten sind im Schalenwirbel klar erkennbar und sollten dort gemessen werden. Eine verlässliche Rekonstruktion von Paläotemperaturen kann nur durch die ausschließliche Beprobung der äußeren Schalenlage von mehreren kontemporären Muschelschalen erreicht werden. Eine detaillierte Untersuchung der life-history-Eigenschaften (z.B. Timing der Wachstumslinien, Dauer der Wachstumssaison und Wachstumsraten) und der stabilen Isotopenverhältnisse erfolgte für rezente S. gigantea Schalen aus AK und BC. Des Weiteren wurde ein Wachstums-Temperatur-Modell basierend auf S. gigantea Schalen aus AK aufgestellt, welches ein besseres Verständnis der hydrologischen Veränderungen der Strömung entlang der Küste Alaskas (Alaska Coastal Current, ACC) bietet. Dieser Ansatz erlaubt die unabhängige Messung von Wassertemperatur und Salinität aus Variationen in der Breite der Tagesinkremente in S. gigantea. Der Schalenzuwachs ist bis zu 70% temperaturgesteuert. Das Modell wurde mit rezenten Muschelschalen kalibriert und getestet und dann auf archäologische Schalen angewandt. Die Sommer in der Zeit zwischen 988 und 1447 Jahren vor heute waren kälter (~1-2°C) und viel trockener (2-5 PSU) und der ACC floss wahrscheinlich viel langsamer als heute. Im Gegensatz dazu waren die Sommer zwischen 599-1014 Jahren vor heute kälter (bis zu 3°C) und frischer (1-2 PSU) als heute. Das Aleutentief war wahrscheinlich stärker zu dieser Zeit und der ACC floss voraussichtlich schneller