Planktonic foraminifera transfer function approach to Red Sea paleoceanography

Abstract

This study examines the potential of using the assemblage composition of planktonic foraminifera in the Red Sea as a quantitative proxy for paleoclimate reconstructions. To this end, a new surface sediment sample dataset was generated to evaluate the environmental control on foraminifera assemblages and to serve as the calibration dataset for the subsequent development of planktonic foraminifera transfer functions. Gradient analysis was employed to investigate the effect of temperature, salinity, primary productivity, water column stratification and the properties of the oxygen minimum zone on the foraminifera fauna of the Red Sea. Because of the high mutual correlation among all environmental parameters along the basin axis, no unambiguous identification of the controlling parameter could be achieved by statistical analyses of the calibration dataset alone. A comparison with published studies on the ecology of planktonic foraminifera, however, lead to the working hypothesis that primary productivity determines the distinct gradient in the foraminifera community in the Red Sea. Transfer functions were then generated by four mathematical methods to characterise the relationship between foraminifera assemblages and chlorophyll a concentration as a proxy for productivity. The transfer functions appear highly efficient in capturing the modern productivity gradient in the Red Sea, with an average root mean squared error of prediction of 0.124 mg/m³, corresponding to 10.3% of the observed gradient. The working hypothesis was then tested and on two newly generated Holocene faunal records from the central and northern Red Sea. Apart from the impact of sea level on the hydrography of the Red Sea, these records showed a strong influence of the dominant regional climatic system, the Indian monsoon. The reconstructed chlorophyll a concentrations indicate low productivity for the early Holocene, which can be ascribed to lowered sea level and a strong SW monsoon. An earlier postglacial recovery of the fauna in the northern Red Sea than in the central Red Sea time is explained by a local additional freshwater source. During the Mid-Holocene, environmental conditions in the Red Sea shifted gradually towards higher productivity, reaching a maximum between 3.5 and 2 ka BP. This distinct event can be explained by a strengthened NE monsoon and generally higher aridity, leading to dominant winter circulation mode in the basin. After 2 ka BP, the modern circulation and climatic conditions became established. The developed transfer functions were also applied on existing Red Sea faunal records covering several glacial and interglacial periods. While non-analogue conditions to present day for fauna and environment were to be expected during the glacials, it became apparent that also for large intervals of interglacial periods, the analogy of the fauna and/or the analogy of the relationship between the fauna and the environment was not given. As a consequence, the applicability of the developed transfer functions is limited to portions of the interglacial intervals with high and stable sea level and atmospheric forcing similar to that during the Holocene.

Diese Studie untersucht das Potenzial der Vergesellschaftung planktonischer Foraminiferen im Roten Meer als Proxy für quantitative Paläoklimarekonstruktionen. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Sedimentoberflächendatensatz erstellt, der sowohl der Evaluierung der die Foraminiferen kontrollierenden Umweltparameter als auch später der Kalibration der auf planktonischen Foraminiferen basierenden Transfer-Funktionen dienen sollte. Gradientenanalyse wurde verwandt um die Auswirkungen von Temperatur, Salzgehalt, Primärproduktion, Stratifizierung der Wassersäule und den Eigenschaften der Sauerstoff-Minimum-Zone auf die Foraminiferenfauna des Roten Meeres zu untersuchen. Aufgrund der hohen Korrelation von allen Umweltparametern entlang der Beckenachse war keine eindeutige Identifizierung des kontrollierenden Parameters allein durch statistische Analysen des Kalibrationsdatensatzes möglich. Ein Vergleich mit veröffentlichten Studien über die Ökologie planktonischer Foraminiferen führte jedoch zu der Arbeitshypothese, dass die Primärproduktion die ausgeprägte Zonierung der planktonischen Foraminiferenfauna im Roten Meer bestimmt. Mittels vier verschiedener mathematischer Methoden wurden daraufhin Transfer-Funktionen entwickelt um die Beziehung zwischen Foraminiferengemeinschaften und der Chlorophyll a-Konzentration, als Indikator für Primärproduktion, zu charakterisieren. Die Transfer-Funktionen erwiesen sich als höchst effizient in der Erfassung der modernen Produktivitätsverteilung im Roten Meer; der effektive Vorhersagefehler liegt bei 0,124 mg/m³, was 10,3% des beobachteten Gradienten entspricht. Die Arbeitshypothese wurde an zwei neu erstellten Faunendatensätzen für das Holozän aus dem zentralen und nördlichen Roten Meer getestet. Neben den Auswirkungen von Meeresspiegelveränderungen auf die Hydrographie des Roten Meeres zeigten diese Archive einen starken Einfluss des vorherrschenden regionalen Klimasystems, des indischen Monsun. Die rekonstruierten Chlorophyll a Konzentrationen für das frühe Holozän deuten auf eine niedrige Produktivität hin, die dem abgesenkten Meeresspiegel und einem starken SW Monsun zugeschrieben werden kann. Eine im Norden früher als im zentralen Roten Meer einsetzende postglaziale Erholung der Fauna erklärt sich durch einen lokalen zusätzlichen Frischwassereintrag. Im mittleren Holozän verändern sich die Umweltbedingungen im Roten Meer schrittweise in Richtung höherer Produktivität, bis hin zu einem Produktivitätsmaximum zwischen 3,5 und 2 Tausend Jahren vor Heute. Dieses ausgeprägte Maximum lässt sich durch einen verstärkten Winterzirkulationsmodus im Becken erklären, hervorgerufen durch einen verstärkten NO Monsun und generell höhere Trockenheit in der Region. Seit 2 Tausend Jahren vor Heute, haben sich das moderne Zirkulationssystem und heutige klimatische Bedingungen etabliert. Die entwickelten Transfer-Funktionen wurden auch auf bereits publizierte Faunendatensätze aus dem Roten Meer, die mehrere Eis-und Warmzeiten überspannen, angewandt. Während nicht-analoge Bedingungen zu Heute für Eiszeiten erwartet wurden, ist weiterhin deutlich geworden, dass auch für große Zeiträume innerhalb von Warmzeiten, die Analogie der Fauna und/oder die Analogie der Fauna-Umwelt-Beziehung zu Heute nicht bestand. In Folge dessen, beschränkt sich die Anwendbarkeit der entwickelten Transfer-Funktionen auf Zeitabschnitte mit hohem und stabilem Meerspiegel und atmosphärischen Bedingungen, ähnlich denen des Holozäns.