Ocean circulation and shelf processes in the Arctic Mediterranean traced by radiogenic

172 Pages·2017·12.72 MB·English

by  Georgi Laukert

Ocean circulation and shelf processes in the Arctic
Mediterranean traced by radiogenic neodymium isotopes,
rare earth elements and stable oxygen isotopes
Georgi Laukert
Dissertation
Kiel, 2017
Ocean circulation and shelf processes in the Arctic
Mediterranean traced by radiogenic neodymium
isotopes, rare earth elements and stable oxygen
isotopes

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades
Dr. rer. nat.

der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

vorgelegt von
Georgi Laukert

Kiel, 2017
Gutachter

1. Gutachter und Betreuer: Prof. Dr. Martin Frank
2. Gutachter: Prof. Dr. Don Porcelli

Eingereicht am: 26. Januar 2017
Tag der Disputation: 20. Februar 2017
Zum Druck genehmigt: 20. Februar 2017

Gez. Prof. Dr. Natascha Oppelt, Dekanin

Gutachter

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Erklärung

Erklärung
Hiermit erkläre ich an Eides statt, dass ich die vorliegende Abhandlung,
abgesehen von der Beratung durch meinen Betreuer, nach Inhalt und Form
selbstständig erarbeitet habe und keine anderen, als die von mir aufgeführten
Quellen und Hilfsmittel, verwendet wurden.

Diese Arbeit ist unter Einhaltung der Regeln guter wissenschaftlicher Praxis der
Deutschen Forschungsgemeinschaft entstanden und wurde weder in Auszügen
noch in ganzer Form an einer anderen Stelle im Rahmen eines
Prüfungsverfahrens eingereicht.

Teile dieser Arbeit sind bereits in einer Fachzeitschrift veröffentlicht, wurden zur
Veröffentlichung eingereicht oder sind in Vorbereitung eingereicht zu werden.

Kiel, den 26. Januar 2017

Georgi Laukert

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CONTENTS

CONTENTS
ABSTRACT ....................................................................................................................1
KURZFASSUNG ........................................................................................................... 3
1. INTRODUCTION...................................................................................................... 6
1.1 The changing Arctic Mediterranean ................................................................................ 6
1.2 Bathymetry, hydrography and ocean circulation in the Arctic Mediterranean..............7
1.3 Annual hydrographic variability of the Siberian shelf seas............................................ 10
1.4 Principles and application of neodymium isotopes as water mass tracer ..................... 11
1.5 Principles and application of REEs in seawater ............................................................. 14
1.6 REE sources in the Arctic Mediterranean and their ε signatures............................... 17
Nd
1.7 Stable oxygen isotope systematics and source-defined components ............................ 21
1.8 Objectives and outline of the thesis and contributions to the chapters ...................... 22
2. METHODS ............................................................................................................. 25
2.1 Sample collection and pre-concentration ..................................................................... 25
2.2 Chemical procedures including chromatographic purification .................................. 26
2.3 Neodymium isotope and ID concentration measurements via MC-ICP-MS .............. 28
2.4 Rare earth element concentration measurements ....................................................... 28
2.5 Oxygen isotope, nutrient and sample salinity measurements ..................................... 29
2.6 Binary and ternary mixing based on salinity, Nd isotopes and [Nd]........................... 29
3. PUBLICATION AND MANUSCRIPTS ..................................................................... 31
CHAPTER I: Ocean circulation and freshwater pathways in the Arctic Mediterranean
based on a combined Nd isotope, REE and oxygen isotope section across Fram Strait .... 31
CHAPTER II: Transport and transformation of riverine Nd isotope and rare earth
element signatures in high latitude estuaries: A case study from the Laptev Sea ........... 63
CHAPTER III: Propagation of Greenland freshwater in the western Fram Strait -
Evidence from dissolved Nd isotopes and REEs ............................................................ 89
4. SUMMARY, CONCLUSIONS AND OUTLOOK .................................................... 100
4.1 Summary and Conclusions ...........................................................................................100
4.2 Outlook ......................................................................................................................... 103
DANKSAGUNG .........................................................................................................1 05
REFERENCES ........................................................................................................... 106
DATA TABLES ........................................................................................................... 127

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ABSTRACT

ABSTRACT
The warming of the Arctic region in the recent past has proceeded at rates double that of
the global average and has been accompanied by rapid sea ice retreat and increased heat
and freshwater fluxes to the Arctic Mediterranean (i.e. the Arctic Ocean and the Nordic
Seas, AM). Further warming will have strong impacts on ocean circulation, freshwater
pathways, and marine ecosystems in the AM. Disentangling the sources, distribution and
mixing of water masses involved in the transport and transfer of heat and freshwater is
therefore critical for the understanding of present and future hydrological changes in the
high-latitude and polar regions and their consequences. This study refines the
knowledge of water mass circulation and mixing in the AM and provides new insights
into the processes occurring on the Arctic shelves and in high-latitude estuaries. A
multi-proxy approach is used combining dissolved radiogenic Nd isotopes (ε ), rare
Nd
earth elements (REEs) and stable oxygen isotopes (δ18O) together with standard
hydrographic tracers.
The sources, distribution and mixing of water masses that circulate in the AM
and pass the Fram Strait are assessed through evaluation of dissolved ε and REE, and
Nd
δ18O data obtained from samples recovered in 2012 along a full water depth section
extending between Svalbard and Greenland at ~79 °N, and through a compilation and
reassessment of literature Nd isotope and concentration data previously reported for
other sites within the AM. The Nd isotope and REE distribution in the central Fram
Strait and the open AM primarily reflects the lateral advection of water masses and their
mixing, whereas seawater-particle interactions exert important control only above the
shelf regions. For example, on the NE Greenland Shelf, remineralization of biogenic
and/or release from detrital particles is recorded in bottom waters. Advection of warm
Atlantic Water (AW) in the upper water column of the eastern and central Fram Strait is
clearly reflected by an ε signature of -11.7 and a Nd concentration ([Nd]) of 16 pmol/kg.
Nd
Freshening and cooling of the AW on its way through the AM are accompanied by a
continuous change towards more radiogenic Nd isotope compositions (e.g. -10.4 of
dense Arctic Atlantic Water). This change results from mixing with intermediate waters
but also mirrors the admixture of dense Kara Sea waters and Pacific-derived waters.
Exchange with basaltic formations of Iceland and southeastern Greenland is suggested to
impart the intermediate and deep waters of the AM with more radiogenic ε signatures,
Nd
which reach -9.5 in the Fram Strait. Significant inputs of Nd from Svalbard are not
observed and surface waters and Nd on the western Svalbard Shelf originate in the
Barents Sea. Shallow (< 200 m) waters of Arctic origin form the core of the East
Greenland Current above the Greenland slope and have relatively radiogenic ε
Nd
(reaching -8.8) and elevated [Nd] (21-29 pmol/kg), which together with δ18O and
standard hydrographic tracers are used to determine the proportions of Pacific-derived
(< 30 % based on Nd isotopes) and Atlantic-derived seawater, as well as of river waters (<
8 %). A change in the Nd isotope compositions to less radiogenic values (-12.4) and an
increase in [Nd] (38 pmol/kg) are observed at water depths above 100 m near the
Greenland coast documenting addition of Greenland-sourced freshwater (GFW). The
- 1 -
ABSTRACT

amount of GFW contained in the upper water column on the NE Greenland Shelf
reached 6 % in 2012. Data obtained for the years 2014 and 2015 for the northern and
southern NE Greenland Shelf suggest similar fractions of GFW for shallow waters in the
Norske Trough and east of Ob Bank, indicating southward and northward propagation
of GFW along the Greenland coast assuming that the NE Greenland Ice Stream is the
freshwater source. The Nd isotope compositions of Arctic-derived waters (ε ~ -9) and
Nd
other water masses were essentially constant over the time period 2012-2015, which
provides a solid basis for quantitative estimates of GFW admixture. The GFW
distribution suggests that future increased GFW supply forced by global warming will
lead to additional freshening of shallow Arctic waters, which, once these waters have
traversed the Nordic Seas, may ultimately affect overturning strength in the northern
Labrador Sea. Overall, the results obtained from the Fram Strait demonstrate that the
pronounced gradients in ε and REE contents in the upper water column provide a
Nd
reliable basis for assessments of short-term shallow hydrological changes within the AM.
New insights into the processes occurring in high latitude estuaries are provided
by dissolved Nd isotope and REE compositions together with δ18O data for the Laptev
Sea based on filtered samples collected during two summers (2013 + 2014) and one
winter (2012). The Laptev Sea is a Siberian Shelf sea characterized by extensive river-
runoff, sea-ice production and ice transport into the Arctic Ocean. The broad range in
ε (-6 to -17), REE concentrations (16 to 600 pmol/kg for Nd) and REE patterns found in
Nd
the frame of this study is attributed to freshwater supply from the Siberian rivers and
advection of open ocean Arctic Atlantic Water. Strikingly and contrary to expectations,
there is no evidence for significant release of Nd from particulate phases and Nd isotopes
can thus be used to assess water mass mixing together with the salinity after correction
for variations in the salinity caused by sea-ice formation and melting. High fractions of
riverine contributions from the Lena River (up to 75 %) are determined for the surface
layer of the eastern Laptev Sea with significant interannual variations, while the less
variable advection of Yenisei and Ob freshwater (up to ~20 %) is restricted to the
western Laptev Sea. Essentially all Laptev shelf waters are depleted in light (L)REEs,
while the distribution of the heavy (H)REEs shows a deficiency at the surface and an
excess in the bottom layer. A combination of REE removal through coagulation of
nanoparticles and colloids and REE redistribution within the water column through
formation and melting of sea ice and river ice is suggested to account for the distribution
of all REEs. Estuarine removal of riverine REEs starts at salinities close to 10 and after a
drop of all REEs by about 30 % transfers into preferential LREE removal, which for Nd
reaches 75 % at salinities near 34. Although the delayed onset of dissolved REE removal
contrasts with observations from most other estuarine environments, the distributions
coincide remarkably well with results from recent experiments simulating estuarine
mixing with organic-rich river waters. The melting and formation of sea ice and river ice
lead to further REE depletion at the surface and enrichments in the bottom water layer
as a function of ice melting and brine transfer, respectively. The ice-related processes
contribute to the redistribution of other elements and may also affect macronutrient
distribution and primary productivity in high latitude estuaries.
- 2 -
KURZFASSUNG

KURZFASSUNG
In der jüngsten Vergangenheit erwärmte sich die arktischen Region doppelt so schnell
wie der Rest der Erde, was von einem schnellen Rückgang des Meereises sowie von
erhöhten Süßwasser- und Wärmeflüssen in das arktische Mittelmeer (AM) begleitet
wurde (dies umfasst das Nordpolarmeer, das Europäische Nordmeer sowie die
Grönlandsee und die Islandsee). Die fortschreitende Erderwärmung wird starke
Auswirkungen auf die Ozeanzirkulation, die Süßwassertransportwege und die
Meeresökosysteme im AM haben. Die Bestimmung der Herkunft, Verteilung und
Mischung von Wassermassen, die an der Lieferung und Transformation von Wärme und
Süßwasser im AM beteiligt sind, ist für das Verständnis der gegenwärtigen und
zukünftigen hydrologischen Veränderungen im AM und den damit verbundenen
Konsequenzen daher von entscheidender Bedeutung. Diese Studie vertieft das Wissen
über die Wassermassenzirkulation und -mischung im AM und liefert neue Einblicke in
Prozesse, die in den arktischen Schelfmeeren und in den Flussmündungen der hohen
nördlichen Breiten ablaufen. Hierzu wurde eine kombinierte Untersuchung gelöster
radiogener Neodymisotope (ε ), gelöster Seltenerdelemente (REEs), stabiler
Nd
Sauerstoffisotope (δ18O) und herkömmlicher hydrographischer Tracer angewandt.
Die Herkunft, Verteilung und Mischung von Wassermassen, die Teil der
Zirkulation innerhalb des AM sind und die Framstraße passieren, wird durch die
Auswertung der oben genannten Parameter an Proben bestimmt, die in der gesamten
Wassersäule im Jahr 2012 entlang eines 79°N-Schnittes zwischen Svalbard und Grönland
entnommen wurden. Eine Zusammenstellung und Neubewertung von Literaturdaten,
die Nd-Isotopensignaturen und Nd-Konzentrationen aus anderen Gebieten innerhalb
des AM einschließen, wird ebenfalls herangezogen. Die Verteilung von gelösten Nd-
Isotopensignaturen und REE-Konzentrationen in der zentralen Framstraße und im
offenen AM spiegelt primär die laterale Advektion von Wassermassen und deren
Mischung wider, wohingegen Meerwasser-Partikel-Wechselwirkungen nur auf den
arktischen Schelfen eine wichtige Rolle spielen. So ist auf dem nordöstlichen (NE)
Grönland-Schelf die Freisetzung von Nd durch Remineralisation von biogenen und/oder
Auflösung von detritischen Partikeln im bodennahen Bereich zu beobachten. Die
Advektion des warmen atlantischen Wassers (AW) innerhalb der oberen Wassersäule
der östlichen und zentralen Framstraße wird deutlich durch eine ε -Signatur von -11.7
Nd
und eine Nd-Konzentration ([Nd]) von 16 pmol/kg angezeigt. Während der Zirkulation
von AW innerhalb des AM wird dessen Abkühlung und Abnahme des Salzgehaltes durch
eine kontinuierliche Veränderung hin zu radiogeneren Nd-Isotopensignaturen begleitet
(beispielsweise hat dichtes Arktisches Atlantisches Wasser eine Signatur von -10.4).
Diese Veränderung resultiert einerseits aus der Mischung mit tieferen Wassermassen,
aber auch aus der Beimischung von dichtem Schelfwasser aus der Karasee und
Meerwasser pazifischen Ursprungs. Die radiogeneren ε -Signaturen von Zwischen- und
Nd
Tiefenwässern (bis zu -9.5) werden durch den Austausch mit basaltischen Formationen
von Island und Südostgrönland erklärt. Signifikante Einträge von Nd aus Svalbard
werden nicht beobachtet und Oberflächenwasser und Nd auf dem westlichen Svalbard-
- 3 -
KURZFASSUNG

Schelf stammen aus der Barentssee. Oberflächennahe (< 200 m) Wässer arktischen
Ursprungs bilden den Kern des Ostgrönlandstroms über dem Kontinentalrand
Grönlands und haben ebenfalls relativ radiogene ε -Signaturen (bis zu -8,8) und
Nd
erhöhte [Nd] (21-29 pmol/kg), die zusammen mit δ18O und herkömmlichen
hydrographischen Tracern verwendet werden, um die Anteile von Wässern pazifischen
(< 30 % basierend auf Nd-Isotopen) und atlantischen Ursprungs sowie von Flusswasser
(< 8 %) zu bestimmen. Eine Änderung hin zu niedrigeren ε -Werten (-12.4) und eine
Nd
Zunahme von [Nd] (bis zu 38 pmol/kg) zur Grönländischen Küste hin wird in
Wassertiefen bis 100 m beobachtet und dokumentiert die Zumischung von Süßwasser
grönländischen Ursprungs (GFW). Die in der oberen Wassersäule auf dem NE
Grönlandschelf enthaltene Menge an GFW erreichte im Jahr 2012 ca. 6 %. Die Daten für
die Jahre 2014 und 2015 deuten auf ähnliche Anteile von GFW für die oberflächennahen
Wasserschichten im untermeerischen Norske-Tal (südliche Teil des NE Grönlandschelfs)
und östlich der Ob Bank (nördlicher Teil des NE Grönlandschelfs) hin, was die südliche
und nördliche Ausbreitung von GFW entlang der Küste Grönlands dokumentiert,
vorausgesetzt dass die Herkunft des GFW der NE-Grönland-Eisstrom ist. Die Nd-
Isotopenzusammensetzungen von oberflächennahen Wässern arktischen Ursprungs (ε
Nd
~ -9) und anderen Wassermassen im AM waren im Zeitraum 2012-2015 im Wesentlichen
konstant, was eine solide Grundlage für die quantitative Bestimmung der GFW-
Zumischung zur oberen Wassersäule darstellt. Die GFW-Verteilung legt nahe, dass der
durch die globale Erderwärmung künftig erhöhte GFW-Eintrag in den Ozean zu einer
zusätzlichen Aussüßung der oberflächennahen arktischen Wässer führen wird und nach
ihrer Advektion in den Nordatlantik die Tiefenkonvektion im der nördlichen
Labradorsee beeinflussen könnte. Die Ergebnisse aus der Framstraße zeigen insgesamt,
dass die ausgeprägten Gradienten der ε -Signaturen und REE-Konzentrationen in der
Nd
oberen Wassersäule eine zuverlässige Grundlage für die Beurteilung kurzfristiger
oberflächennaher hydrologischer Veränderungen innerhalb des AM liefern.
Neue Einblicke in die Prozesse, die innerhalb von Flussmündungen der hohen
nördlichen Breiten vorherrschen, liefern gelöste Nd-Isotopensignaturen und REE-
Zusammensetzungen sowie δ18O-Daten aus der Laptewsee, die an gefilterten
Wasserproben bestimmt wurden, die während zweier arktischer Sommer (2013 + 2014)
und eines Winters (2012) genommen wurden. Die Laptewsee ist eines der sibirischen
Schelfmeere, das durch einen sehr hohen Flusswassereintrag, sowie durch starke
Meereisproduktion und den Export von Meereis in den Arktischen Ozean
gekennzeichnet ist. Die im Rahmen dieser Studie gefundenen große Variabilität in ε -
Nd
Signaturen (-6 bis -17), REE-Konzentrationen (16 bis 600 pmol/kg für Nd) und REE-
Muster werden der Süßwasserzufuhr aus den verschiedenen sibirischen Flüssen sowie
der Advektion von modifiziertem AW zugeschrieben. Bemerkenswerterweise, und
entgegen den Erwartungen, gibt es keinen Nachweis für eine signifikante Freisetzung
von Nd aus partikulärem Material und die Nd-Isotopensignaturen können somit
zusammen mit dem Salzgehalt verwendet werden um die Wassermassenmischung zu
bestimmen. Dieser wurde auf Änderungen korrigiert, die durch den Salztransfer
während der Bildung und Schmelze des Meereises verursacht wurden. Für die
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KURZFASSUNG

Oberflächenwässer der östlichen Laptewsee werden hohe Anteile von Flusswasser der
Lena (bis zu 75 %) bestimmt, wobei signifikante zwischenjährliche Variationen der
Flusswasser-Verteilung innerhalb der Laptewsee beobachtet wurden. Die Advektion von
Süßwasser des Jenissej und Ob (bis zu 20 %) hingegen zeigt eine geringere
zwischenjährliche Variabilität und deren Vorkommen beschränkt sich auf die westliche
Laptewsee. Alle Schelfwässer in der Laptewsee sind generell abgereichert an leichten
(L)REEs, während die Verteilung der schweren (H)REEs ein Defizit an der Oberfläche
und einen Überschuss in Bodennähe zeigt. Als Erklärung für diese REE Verteilung wird
eine Kombination aus zwei Prozessen vorgeschlagen: Einerseits findet eine Ausfällung
gelöster REEs durch Koagulation von REE-reichen und durch Flüsse eingetragene
Nanopartikel und Kolloide statt und andererseits werden die REEs innerhalb der
Wassersäule durch die Bildung und das Schmelzen von Meereis und Flusseis umverteilt.
Die Ausfällung aller eingetragenen REEs innerhalb der Lenamündung um etwa 30 %
beginnt bei Salzgehalten nahe 10 und wird gefolgt von einer bevorzugten LREE-
Ausfällung, die für Nd mindestens 75 % beträgt und bis zu Salzgehalten von 34 anhält.
Der verzögerte Beginn der Ausfällung steht im Widerspruch zu bisherigen
Beobachtungen aus anderen Flussmündungsgebieten, stimmt jedoch bemerkenswert gut
überein mit neueren Experimenten, die die Mischung von Meerwasser und Flusswasser,
das reich an organischen Verbindungen ist, simulieren. Das Schmelzen und die Bildung
von Meereis und Flusseis führen zu einem weiteren Defizit der REEs in der
oberflächennahen Wasserschicht und zu Anreicherungen in der Bodenwasserschicht als
Funktion des Eisschmelzens durch Verdünnung bzw. der Eisbildung und der dadurch
verursachten Laugenbildung. Die Eisprozesse haben auch Auswirkungen auf die
Verteilung von anderen Metallen und von Nährsoffen, und damit auch auf die
Primärproduktivität in eisbeeinflussten Regionen.

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