Bachelor Thesis

Bachelor Thesis
Holocene milieureconstructie van het Tatos meer, Mauritius, met de
nadruk op het 4.2 cal ka BP megadroogte event,
Door middel van geochemische analyse
Anouk Vlug
Studentnummer: 5909546
[email protected]
Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics (IBED)
Hoofdbegeleiders: Dr. Kenneth F. Rijsdijk, UvA
Dr. Gert Jan Reichart, UU
2
Abstract
Op Mauritius is een massagraf van vertebraten gevonden dat gedateerd is rond 4.2 cal
ka BP. Dit valt gelijk met een megadroogte klimaat event dat 4200 jaar BP plaatsvond.
In deze periode heerste er droogte in de subtropische en gematigde gebieden. Deze
massasterfte onder fauna is mogelijk veroorzaakt door droogte. Het is van belang om
klimaatgebeurtenissen zoals het 4.2 cal ka BP megadroogte event beter te gaan
begrijpen, omdat deze desastreuze gevolgen kunnen hebben voor zowel ecosystemen
als mensen. Om er achter te komen of er daadwerkelijk een megadroogte plaatsvond
op Mauritius zijn er geochemische analyses op een sedimentkern van het Tatos meer
verricht om een milieu/klimaatreconstructie van het verleden te kunnen maken.
Hierbij is gefocust op de periode rond 4.2 cal ka BP. Aan de hand van PCA analyse van
de XRF data van deze kern is gebleken dat calcium een belangrijk variatie bepalend
element is in het klastische sediment dat gerelateerd kan worden aan droogte. Het
calcium kan echter van verschillende bronnen afkomstig zijn en kan hierdoor onder
verschillende condities gevormd zijn. Door middel van sequentiële extractie is
onderscheid gemaakt tussen de calcium in complexvorm, carbonaat en oxide.
Tezamen met de resultaten van stabiele isotopen analyse van de calciumcarbonaten is
een reconstructie gemaakt van onder wat voor een condities deze gevormd zijn. Tot
4600 cal ka BP zijn koraalzand en schelpfragmenten de dominante calcium bron. In de
periode hierna is dit grondwater. Hierbij zijn nieuwe aanwijzingen gevonden voor
droogte op Mauritius rond 4.2 cal ka BP, een zeer natte periode hiervoor en een natte
periode daarna.
3
Inhoudsopgave
1. Inleiding ........................................................................................................................ 5
2. Theoretisch kader ......................................................................................................... 6
2.1 Tatos ....................................................................................................................... 6
2.2 Klimaat .................................................................................................................... 7
2.3 De sedimentkern .................................................................................................... 8
3. Methode ..................................................................................................................... 10
3.1 Stabiele isotopen analyse ..................................................................................... 10
3.2 Sequentiële extractie ............................................................................................ 11
3.3 XRD analyse .......................................................................................................... 11
4. Resultaten ................................................................................................................... 11
4.1 Isotopen ................................................................................................................ 11
4.2 Verbindingen ........................................................................................................ 12
4.3 XRD ....................................................................................................................... 12
4.4 Relaties tussen de proxies .................................................................................... 12
5. Discussie ..................................................................................................................... 15
5.1 Tatos ..................................................................................................................... 15
5.2 Mare aux Songes .................................................................................................. 18
6. Conclusie ..................................................................................................................... 18
7. Vervolg onderzoek ...................................................................................................... 19
8. Referenties.................................................................................................................. 20
4
1. Inleiding
Op Mauritius is een massagraf van vertebraten gevonden dat gedateerd is rond 4.2 cal
ka BP (Rijsdijk et al., 2009). Dit valt gelijk met een megadroogte klimaat event dat 4.2
cal ka BP plaats vond. In deze periode heerste er droogte in de subtropische en
gematigde gebieden. Deze massasterfte onder fauna is mogelijk veroorzaakt door
droogte (Rijsdijk et al., 2011). Tijdens dit onderzoek is er nagegaan of het Tatos bekken
ook een droogte registreerde rond 4.2 cal ka BP.
Om er achter te komen of er daadwerkelijk een megadroogte plaats vond op Mauritius
zijn er geochemische analyses op een sedimentkern van het Tatos meer verricht om
een milieu/klimaatreconstructie van het verleden te kunnen maken. Aan de hand van
PCA analyse van de XRF data van deze kern is gebleken dat calcium een belangrijk
variatie bepalend element is in het klastische sediment. Het calcium kan echter van
verschillende bronnen afkomstig zijn en kan daardoor onder verschillende condities
gevormd zijn. Geochemisch onderzoek naar de verbindingen waar calcium zich in
bevindt moet hier duidelijkheid in verschaffen. De centrale vraag van dit onderzoek is
dan ook “Welke omstandigheden heerste er in Tatos tijdens de opvulling van het
kratermeer en is er bewijs voor een droogte rond 4.2 cal ka BP?”. Hierbij is geprobeerd
de volgende deelvragen te beantwoorden:
- Welke verbindingen met calcium bestaan er in het sediment en hoe varieren deze
door de tijd? Hierbij is onderscheid gemaakt tussen calcium in complexvormen,
carbonaten en oxides. Onder welke paleomilieucondities hebben zich de verschillende
verbindingen met calcium kunnen vormen? En wat betekent dit voor de condities die
er door de tijd heen in en rondom Tatos heerste?
Calciumcarbonaat kan door verschillende bronnen gevormd zijn. De volgende
deelvraag luidt daarom:
- Wat is de oorsprong van de calciumcarbonaten door de tijd heen, in het sediment?
En wat betekent dit voor de condities die er door de tijd heen in en rondom Tatos
heerste?
Klimaat gebeurtenissen, zoals het 4.2 cal ka BP megadroogte event, kunnen
desastreuze gevolgen hebben voor zowel het ecosystemen als mensen. Het is van
belang om te weten te komen of deze massasterfte door droogte is veroorzaakt om
een indicatie te krijgen wat voor desastreuze gevolgen een dergelijke gebeurtenis in de
toekomst op een eiland kan hebben. Daarnaast is het van belang om dit soort klimaat
gebeurtenissen beter te gaan begrijpen om ze vervolgens op de toekomst te kunnen
projecteren. Het doel van het onderzoek is om een bijdrage te leveren aan het inzicht
of en in welke mate het 4.2 ka BP event effecten heeft gehad in Mauritius en hiermee
een bij te dragen aan de klimaatreconstructie van Mauritius. De resultaten van dit
5
onderzoek zijn van belang voor het promotieonderzoek van E. de Boer die een
reconstructie maakt van de vegetatiedynamiek in response van klimaatverandering op
Mauritius.
Figuur 1. Mauritius. Bron: van der Plas et al. ( 2011)
2. Theoretisch kader
2.1 Tatos
Mauritius is een vulkanisch eiland dat 855 km ten oosten van Madagaskar ligt (Figuur
1). Het eiland is tussen de 7.8 en 6.8 miljoen jaar geleden gevormd door een hotspot
(van der Plas et al., 2012 naar McDougall & Chamalaun, 1969). De afgelopen 25 ka is er
geen vulkanische activiteit meer op het eiland geweest. Op Mauritius vond tussen
4235 en 4100 cal ka BP een massale sterfte van gewervelde fauna plaats (Rijsdijk et al.,
2009 & 2011). In de Mare aux Songes is een massagraf gevonden, met daarin micro en
macro fossielen, dat gedateerd is tussen 4235 en 4100 cal jaar BP (Rijsdijk et al., 2009).
Dit valt gelijk met het 4.2 cal ka BP megadroogte event. Tijdens deze anomalische
klimaat gebeurtenis heerste er 1 á 2 eeuwen een droogte in de equatoriale gebieden
(Booth et al., 2005). Een verklaring voor deze massasterfte zouden perioden van
extreme droogte kunnen zijn (Rijsdijk et al., 2011). Het is mogelijk dat in het Holoceen
de Mare aux Songes en andere meren in Mauritius als gevolg van droogtes en een
hiermee gepaarde verlaagde grondwaterspiegel meerdere malen zijn opgedroogd. Een
hypothese is dat als gevolg van dergelijke extreme droogtes er geen voldoende
drinkwater meer voor de fauna was, waarop meerdere malen massasterfte volgde in
de Mare aux Songes (Rijsdijk et al., 2011).
6
Figuur 2. Schematische tekening van Tatos, met de mogelijke bronnen van calciumcarbonaat.
Calciumcarbonaat kan gevormd zijn uit zowel zoet, brak als zout grondwater; het kan in situ gevormd
zijn door biogene productie; en het kan ingewaaid zijn in de vorm van schelpfragmenten en
koraalzand.
In de laag gelegen gebieden op Mauritius is de neerslag gemiddeld lager dan in de
hoog gelegen gebieden. In het centrale hoogland is er een neerslag overschot en in
kust gebieden een neerslag tekort (Rijsdijk et al., 2011 naar Padya, 1989). Het eiland is
828 m hoog en is opgebouwd uit basalten, die zeer poreus zijn. Door de aanvoer van
zoet water uit de hogere gebieden via aquifers ontstaan er in depressies in de lager
gelegen gebieden zoetwatermeren (Figuur 2). Dit is ook in Tatos gebeurd. Tatos is een
zeven meter diep kratermeer vlak bij de kust. Dit kratermeer is gedurende het
Holoceen opgevuld met organische en klastische sedimenten als gevolg van
zeespiegelstijging.
Op relatief kleine eilanden zoals Mauritius is er voor soorten geen mogelijkheid om
ergens anders heen te migreren op het moment dat de “Goldilocks” omstandigheden
niet meer juist zijn voor een soort. Het Goldilocks principe staat er voor dat alle
omstandigheden juist moeten zijn om een vorm van complexiteit in stand te houden,
leven is een vorm van complexiteit (Spier, 2011). Bij een plotselinge
klimaatsverandering kan een soort zich daar niet altijd aan aanpassen en bestaat er het
risico op massasterfte of zelfs het uitsterven van soorten. Het lijkt voor de hand
liggend dat er een relatie bestaat tussen de 4.2 cal ka BP megadroogte event en de
massasterfte.
2.2 Klimaat
Het begin van het Holoceen duidt het einde van een glaciale periode aan. Gedurende
het Holoceen hebben er warmere en koudere perioden plaatsgevonden. Het Holoceen
Thermal Maxium (HTM) is een warme periode tussen 6.000 en 4.000 BP. Dit wordt
gevolgd door het Neoglaciaal. Abrupte klimaatveranderingen gedurende laatste ijstijd
7
en het begin van het Holoceen werden veroorzaakt door glaciale dynamiek en de
effecten daarvan op de oceaanstromingen (Booth et al., 2005). Van 10 ka BP t/m 7.5 ka
BP steeg de zeespiegel met ongeveer 0,6 m per eeuw, waarna dit afnam tot 0,1 m per
eeuw (Camoin, Montaggioni & Braitwaite, 2004). Rond 2 ka BP bereikte de zeespiegel
haar huidige stand.
Rond 4.2 cal ka BP vond er een anomalische klimaatsomslag plaats. Deze gebeurtenis
wordt ook wel het 4.2 cal ka BP megadroogte event genoemd. Het is een RCC (rapid
climate change), een gebeurtenis waarbij gedurende een korte tijd een klimaat
verandering plaatsvindt (Mayewski et al., 2004). Deze gebeurtenis zorgde voor grote
droogte in Noord-Amerika, het Middelandse zee gebied (Booth et al., 2005), West
Azië, het tropisch deel van Afrika, het Midden Oosten (Thompson et al., 2002) en het
tropisch deel van de Andes (Davis & Thompson, 2006). Volgens Marchant en
Hooghiemstra (2004) was er in het tropische deel van Zuid Amerika juist een omslag
naar een korter droog seizoen of naar meer neerslag. Deze anomalische klimaat
gebeurtenis is niet veroorzaakt door dynamiek in de ijskappen (Booth et al., 2005).
Recent onderzoek suggereert dat er een verband bestaat tussen de
oppervlaktetemperatuur van oceanen en droogte. Het is aannemelijk dat koude
periodes in de Noordelijke deel van de Atlantische oceaan samen gaan met een
zwakke moesson, aldus Gupta et al. (2003). Hierdoor zou er minder neerslag vallen en
dit zou ten grondslag kunnen liggen aan het 4.2 ka BP droogte. Het mechanisme dat
het 4.2 klimaat event heeft veroorzaakt is echter nog niet bekend (Booth et al., 2009).
Niet alle proxies zijn even gevoelig voor droogte. Daarnaast is het 4.2 cal ka BP
megadroogte event een relatief kortdurende gebeurtenis van 1 á 2 eeuwen (Booth et
al., 2005). Deze factoren maken het mogelijk dat er in paleoarchieven over dit event
heen gekeken wordt (Booth et al., 2005). Het is van belang om gebeurtenissen als het
4.2 cal ka BP megadroogte event beter te gaan begrijpen zodat we kunnen nagaan of
ze in de toekomst mogelijk weer kunnen optreden.
2.3 De sedimentkern
In potentie kan een kratermeer een van de beste sediment records voor milieu
veranderingen bevatten mits er geen vulkanische activiteit is (Lamb et al., 2000 naar
Williams et al., 1993). Dit is het geval op Mauritius (van der Plas et al., 2012 naar
Camoin et al., 2004). In 2010 is er een sedimentkern van Tatos genomen die een
compleet profiel van de afgelopen 8000 jaar bevat. Op deze kern is een multi-proxi
analyse toegepast. De kern is gedateerd doormiddel van 14C. Uit deze datering is
gebleken dat de periode waarin het 4.2 cal ka BP megadroogte event plaatsvond,
wordt vertegenwoordigd door het sediment dat tussen de 270 cm en 240 cm diep in
de kern ligt. Dit interval is groter dan het sediment dat daadwerkelijk ten tijde van het
8
4.2 cal ka BP megadroogte event is afgezet. Dit komt omdat de 14C metingen een
afwijking naar boven of naar beneden kunnen hebben. Aan de hand van de datering is
de sedimentatie ratio door de tijd heen bepaald (Figuur 3).
14
Figuur 3 De onderste curve van de ouderdom van de bodem gebaseerd op C datering over de diepte
van de kern. Met in het blauw aangeven binnen welke dieptes het 4.2 cal ka BP event geregistreerd
14
zou kunnen zijn. De bovenste curve is de sedimentatie ratio die gemaakt is aan de hand van de C
datering.
Er is een XRF (X-ray Fluorescence) core scan gemaakt om, op een non-destructieve
manier, te bepalen wat de elementensamenstelling van deze kern is. De scanner data
geeft informatie over de variatie van anorganische elementen in de vorm van
intensiteiten in “count rates”. Ratios van elementen kunnen worden gebruikt om de
relatieve variaties van de concentraties van verschillende elementen weer te geven.
Vervolgens zijn de “count rates” van de elementen door middel van PCA geclusterd.
Hier zijn 2 clusters uit verkregen. Een cluster, dat overeenkomt met een veen afzetting
en één die overeenkomt met het klastische sediment. Er is gekeken welke elementen
de variatie het best verklaarde. In de veenafzetting was dit Br en S en in de klastische
sedimenten Sr/Ca en Ti (Figuur 4).
De sedimentkern is rond 4.2 cal ka BP vooral rijk aan klastisch sediment. Het
basaltische erosiemateriaal is de bron van Ti. Aangenomen is dat Ti daar in een kleine
maar constante hoeveelheid in aanwezig is. Het calcium in de Tatos sedimentkern kan
9
echter van drie verschillende bronnen afkomstig zijn: 1) Mineraalvorming van Ca 2+ uit
zoet grondwater en uit zeewater dat via het grondwater het bekken instroomt, 2)
Biogene productie in het Tatos meer (ostracoden, diatomeeën bloei), 3) Ingeblazen
strandzand dat voornamelijk bestaat uit koraalzand en schelpfragmenten. Deze drie
bronnen vormen onder verschillende omstandigheden calciumcarbonaat. Hierdoor kan
de Ca/Ti-curve op verschillende manieren geïnterpreteerd worden. Door middel van
stabiele isotopen analyse van de calciumcarbonaten, sequentiële extractie en XRD
analyse is achterhaald van welke bron het calcium afkomstig is. Met deze kennis is
vervolgens een reconstructie gemaakt van de condities die er heerste ten tijden van de
opvulling van het Tatos bekken.
4
Ca/Ti
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
5
6
7
8
5
6
7
8
Cal Age (kyr BP)
0.0
Sr/Ca
-0.5
-1.0
-1.5
-2.8
-3.0
0
1
2
3
4
Cal Age (kyr BP)
2
Br/S
0
-2
-4
0
1
2
3
4
Cal Age (kyr BP)
Figuur 4 Ratios van de ‘count rates’ van de variatie bepalende elementen in het klastische en het
organische sediment. Deze data zijn afkomstig van de XRF analyse.
3. Methode
3.1 Stabiele isotopen analyse
Isotopen analyse is toegepast om te bepalen van welke bron de calciumcarbonaten
afkomstig zijn. Voor deze analyse is een massaspectrometer gebruikt. Deze techniek is
10
op 32 monsters toegepast, waarbij 11 monsters verspreid over de gehele kern
genomen zijn en 21 monster rondom het 4.2 ka BP event. Hierbij is IAEA-CO-1 marmer
en NaSOOS marmer gebruikt, met een bekende Δ13C en Δ18O, om mee te kalibreren.
3.2 Sequentiële extractie
Sequentiële extractie is op 10 monsters toegepast. Bij deze methode worden
verschillende vormen van calcium van elkaar gescheiden door middel van verschillende
oplosmiddelen (Tabel 1). Hierbij zijn complexvormen, carbonaten, oxides en het residu
van elkaar gescheiden. Vervolgens is de hoeveelheid calcium in de verschillende
monsters met een ICP-AES bepaald. Bij het bepalen van de monsters is rekening
gehouden met de al bekende gegevens van het paleoarchief. De 10 monsters die
geanalyseerd zijn, zijn van over de gehele kern afkomstig, wel is er met een hogere
resolutie rond het 4.2 ka BP gewerkt.
Tabel 1 Extractie schema
Binding
Extractie stof
Extractietijd
Complex
vorm
10 ml 1 M MgCl2 pH 7 (Tessier, 1979)
1 uur (Maher, 1984)
Carbonaat
10 ml 1 M NaOAc pH 5 aangestuurd met HOAc (Tessier, 1979
& Gleyzes, 2002)
5 uur (Tessier, 1979 &
Maher, 1984)
Oxide
10 ml 0,35 M sodium acetate/ 0,2 M sodium citrate pH 4.8 met 0,5
gram sodium dithionite (Kosta & Luther et al., 1993)
16 uur (Rutten et al.,
1993)
3.3 XRD analyse
Voor het geval dat er iets mis zou gaan met de sequentiële extractie is er ook een x-ray
diffraction (XRD) analyse gedaan. XRD is een non-destructieve kwalitatieve methode
die doormiddel van röntgenstraling informatie over de kristalstructuren genereert.
Deze analyse is met de Bruker 2D phaser verricht. Er is met een stapgrootte van 0.026⁰
gemeten met een hoek van 5⁰ t/m 85⁰. Aan de hand van de gegevens die hieruit
kwamen is, door middel van een database in het computer programma EVA bepaald in
welke structuren calcium zich bevindt. Als een stof niet met de XRD analyse wordt
gevonden, betekent dat overigens niet dat deze er niet in zit.
4. Resultaten
4.1 Isotopen
Op 32 monsters is isotopen analyse toegepast (Figuur .4). In 11 van de monsters was te
weinig calciumcarbonaat aanwezig om het isotopen signaal te kunnen meten. Over alle
11
metingen waar resultaat uit gekomen is, lijken het 18O en 13C signaal aan elkaar
gecorreleerd, behalve tussen de 280,5 en 265,5 cm diep. In dit interval lijkt er een
anticorrelatie te zijn. Onder de 290 cm variëren beide waarden minder sterk dan
boven 290 cm. Boven de 296 cm diep ligt het Δ13C signaal lager dan daar onder het
geval is.
4.2 Verbindingen
De sequentiële extractie is op 10 monsters toegepast tussen de 640 en 90 cm diep
(Figuur .3). In de dithionite oplossing met het monster van 296 cm diep is materiaal
neergeslagen, mogelijk zit hier meer calcium in dan is gemeten. In de oxidefractie zit
dus mogelijk meer calcium dan gemeten is in dit monster.
Calcium in de carbonaatfractie lijkt de meest dominante calciumbron. Er zit in deze
fractie meer calcium dan in de fractie van de complexvormen en oxides. De
hoeveelheid calcium in het residu is echter nog niet gemeten. Er is te zien dat de
hoeveelheid calcium in de carbonaatfractie en in de oxidefractie dezelfde trend volgen.
Er zit ongeveer 10 keer minder calcium in de oxidefractie als in de carbonaatfractie. Dit
is ongeveer het deel van de oplossing die er achter is gebleven in de geinder bij het af
pipetteren. Het grootste deel van de hoeveelheid gemeten calcium in de oxidefractie
behoort dus eigenlijk tot de carbonaten fractie. Om deze reden zal het resultaat van de
oxidefractie niet verder geanalyseerd worden.
In (Figuur .2) zijn alleen de Ca/Ti resultaten van de XRF core scan te zien die op
dezelfde diepte zijn gemeten als de monsters genomen zijn. Hierbij valt op dat
hoeveelheid calcium in de carbonaatfractie dezelfde trend volgt als de Ca/Ti, behalve
op een diepte van 240 cm. Als van diep naar ondiep gekeken wordt, is er een stijgende
trend in de hoeveelheid calcium die zich in de carbonaat fractie bevindt zichtbaar tot
296 cm diep, waarbij wel een sterke dip op 310 cm diep zichtbaar is. Hierboven daalt
de hoeveelheid calcium in de carbonaatfractie waarna deze relatief laag blijft.
4.3 XRD
XRD analyse is op dezelfde 10 monsters toegepast als de sequentiële extractie (Figuur
5: Van links naar rechts 5.5). In alle monsters is pyriet (FeS2) gevonden. Van 470 cm t/m
296 cm diep is in alle monsters calcium magnesiumcarbonaat (CaMgCO3)
teruggevonden. Van 540 cm t/m 240 cm is in elk monster gips (CaSO4) teruggevonden.
Op 640 cm, 310 cm en 90 cm diep is geen calciumcarbonaat (CaCO3) in de monsters
teruggevonden, in de andere monsters is dit wel gevonden.
4.4 Relaties tussen de proxies
De eerste duidelijke verandering in verschillende proxies, in de sedimentkern, ligt rond
de 540 cm diep. Dit is een langzame overgang naar minder organisch materiaal en een
12
langzamere accumulatiesnelheid in het meer. Tegelijkertijd wordt de Ca/Ti, het
calcium in de carbonatenfractie hoger. Ook wordt op dit punt voor het eerst CaCO 3 en
CaSO4 bij de XRD scan gevonden. Vanaf het monster punt daarboven ook CaMgCO3.
Er vindt een tweede duidelijke omslag plaats in de verschillende proxies rond 296 cm
diep in de kern. Boven dit punt wordt er geen CaMgCO3 meer in de monsters gevonden.
Vanaf dit punt wordt het 13C signaal negatief. Daarnaast neemt de hoeveelheid calcium
in de carbonaatfractie na dit punt sterk af.
13
Figuur 5: Van links naar rechts 5.1 t/m 5.6. 1) De Ca/Ti ratios van de ‘count rates’ van de XRF data. 2) De Ca/Ti ratio van de ‘count rates’ alleen op de punten waar monsters voor de sequentiele extractie en XRD genomen. 3) De calcium die in de
verschillende fractie bij de sequentiële extractie gevonden is. 4) Het stabiele isotopen signaal van de calciumcarbonaten, waarbij ‘geen data’ staat voor de monster punten waar te weinig calciumcarbonaat in aanwezig was om het isotopen
signaal te kunnen meten. 5) De verschillende verbindingen die bij de XRD analyse gevonden zijn. 6) Een foto van de sediment kern.
Er staat op drie dieptes een doorgetrokken lijn. De drie lijnen vertegenwoordigen de scheidingen tussen de vier belangrijkste clusters van diatomeeen (de Boer et al., in prep.).
14
5. Discussie
5.1 Tatos
In het diepste deel van de sedimentkern, tot 540 cm diep, is veel organische stof
aanwezig. Dit is een aanwijzing voor een moerassig milieu. Rond dit punt is een omslag
te zien van een moerassig milieu naar een milieu waar meer klastisch materiaal afgezet
is. Uit de geclusterde data van de Boer et al. (in prep.) blijkt dat er ook een omslag in
diatomeeën plaatsvindt (Figuur ). Daarbij komen er meer mariene soorten boven dan
onder dit punt voor (de Boer et al., in prep.).
Boven de 540 cm diep, na 6.9 cal ka BP, is in alle monsters CaSO4 teruggevonden. Een
afname in de gips/calcium ratio kan staan voor een droger klimaat (Hodell, Curtis &
Brenner, 1995). Aan de hand van XRD analyse valt alleen af te leiden welke stoffen er
in een monster zitten, maar niet de hoeveelheid ervan. Het voorkomen van gips op
zich kan een indicator zijn voor laagstaand water en veel evaporatie, mits de kristallen
in situ zijn gevormd (Covich & Stuiver, 1974). Dat tussen 540 cm en de 240 cm gips
gevonden wordt, kan erop duiden dat gedurende deze periode, 6.9 cal ka BP t/m 4.0
cal ka BP, voordurend droge perioden waren. Bijvoorbeeld in de vorm van een jaarlijks
terugkerende droogte. Gips kan in sommige gevallen ook gevormd worden als zoet
water in contact komt met zout water als gevolg van een zeewater intrusie in een kust
milieu (Gomis-Yaqües, Boluda-Botella & Ruiz-Beviá, 1999). Het is echter niet duidelijk
welk proces er voor de vorming van gips heeft gezorgd.
De calciumcarbonaten kunnen door verschillende bronnen gevormd worden. Het is
zeer waarschijnlijk dat het isotopensignaal een mengsignaal is. Als gevolg hiervan
worden alleen de grote trends besproken, omdat de kleine fluctuatie vele
verschillende oorzaken kunnen hebben. Met grote trends wordt een verandering van
Δ18O van meer dan 1,0 ‰ en bij Δ13C van meer dan 2,0 ‰ bedoeld. Biogene
calciumcarbonaat productie is over het algemeen relatief klein (pers. comm. Reichart
2012) en zal dus ook weinig invloed hebben op het isotopen signaal. Deze factor zal
hierom tijdens het interpreteren niet worden mee genomen.
Het zeewater heeft een Δ13C van ongeveer 0 ‰ en het grondwater een negatieve
waarde van tussen de -10 ‰ en -20 ‰ (pers. comm. Reichart, 2012). Zeewater heeft
een Δ18O van ongeveer 0 ‰ (White, 2011). Tussen de 360,5 cm en 285,5 cm diep, 5.2
cal ka BP t/m 4.6 cal ka BP, variëren Δ18O en Δ13C signaal licht rond de 0 ‰. Dit duidt er
op dat de calciumcarbonaten die hier in het sediment worden teruggevonden eigenlijk
in zee gevormd zijn. Het calciumcarbonaat in dit deel van de sedimentkern bestaat dus
voornamelijk uit koraalzand en kleine schelpdeeltjes. De dominante bron die het
isotopen signaal genereert is dus extern gevormd. Het isotopen signaal van de
calciumcarbonaten die, in deze periode, mogelijk in Tatos zelf zijn gevormd, worden
15
hierdoor overschaduwd. Aan de hand van dit isotopen signaal valt dus niks te
concluderen over de omstandigheden die er in Tatos hebben geheerst.
Een aanwijzing, voor een verandering in het milieu, is dat er boven 296 cm diep, na 4.7
cal ka BP, geen CaMgCO3 meer gevonden wordt met de XRD analyse. Ook ligt er op dit
punt een grens tussen twee grote diatomeeën clusters (Figuur 5: Van links naar rechts 5).
Vanaf 290 cm daalt de Δ13C. Fractienatie van stabiele koolstof isotopen wordt primair
veroorzaakt door biogene processen (White, 2011). Dit is dan ook de oorzaak van een
lage Δ13C in grondwater. De Δ13C in calciumcarbonaat dat uit grondwater gevormd is,
hangt af van de Δ13C TDIC (total dissolved inorganic carbon) in het grondwater waaruit
het calciumcarbonaat gemineraliseerd is (Gasse et al., 1987). Dit betekent dat vanaf dit
moment het dominante isotopen signaal afkomstig is van calciumcarbonaat dat
gevormd is door grondwater toevoer. De afname in groeisnelheid van het koraalrif
rond 5 ka BP van 0,47 m per eeuw naar 0,26 m per eeuw, waarbij de groei van het rif in
een ‘catch-up mode’ kwam (Camoin et al., 2004), is een mogelijke verklaring voor de
afname van calciumcarbonaat invoer van mariene oorsprong en de extreme afname
van de totale hoeveelheid calciumcarbonaat. Maar ook andere dingen die in het
kustmilieu zijn veranderd, kunnen, mogelijk mede als gevolg van de afname in
stijgsnelheid van de zeespiegel, hebben gezorgd voor een extreme afname van de
hoeveelheid koraalzand en kleine schelpfragmenten, die in Tatos konden waaien.
Er wordt vanuit gegaan dat de schommelingen in temperatuur gedurende het
Holoceen zo klein zijn in de tropen dat deze geen invloed hebben op Δ 18O waarden
(Rosenmeier, 2002). In de tropen treedt er als gevolg van neerslag nauwelijks
fractienatie op van de stabiele zuurstof isotopen (White, 2011). Neerslag in de tropen
heeft dus een Δ18O van ongeveer 0 ‰. In gebieden met een droog seizoen wordt een
relatieve toename van 18O veroorzaakt door verdamping van het grondwater (Gasse et
al., 1990). 16O is lichter dan 18O en verdampt hierdoor sneller (Covich & Stuiver, 1974).
Als gevolg hiervan kan de 18O/16O ratio dalen op het moment dat er meer neerslag of
meer water in de vorm van runoff is of als er minder verdamping plaatsvindt
(Rosemeier, 2002). In de tegenovergestelde situatie kan de 18O/16O ratio ook
toenemen. De evaporatie/precipitatie (E/P) ratio is niet het enige dat invloed heeft op
de 18O/16O. De verhouding tussen grondwater toevoer en water dat als gevolg van
runoff het meer in komt stromen, kunnen ook invloed hebben op de 18O/16O ratio
(Rosemeier, 2002). Een dergelijke verschuiving kan worden veroorzaakt door een
verandering in vegetatie (Rosemeier, 2002). Naast dat de 18O/16O ratio kan afnemen
als gevolg van evaporatie, kan als gevolg van evaporatie ook de saliniteit van het water
toenemen. Tussen de toename van saliniteit en de afname van de 18O/16O ratio zit
geen lineair verband (Gasse et al., 1987 naar Gilath & Gonfiantini, 1983 & Gonfiantini,
16
1986). Variatie in de 18O/16O ratio kan dan ook niet direct gebruikt worden als indicator
voor de paleosaliniteit (Gasse et al., 1987).
Vanaf 290 cm daalt Δ18O tot een dieptepunt op 270 cm. Dit is een aanwijzing voor een
lage E/P ratio en dus een natte periode. Vervolgens stijgt de Δ18O abrupt, tot 265,5 cm
diep, dit is een aanwijzing voor een veel hogere E/P een dus een veel drogere periode.
Dit patroon in Δ18O wordt op veel plaatsen in Afrika gevonden waar gedurende het 4.2
cal ka BP megadroogte event een droog klimaat heerste (Lamb et al., 2000). De 3
punten in de 15 centimeter boven de Δ18O piek bevatten te weinig calciumcarbonaat
om het isotopen signaal te kunnen meten. Het zou dus kunnen dat de Δ18O daar
dezelfde waarde houdt of nog verder doorstijgt.
Op 260 cm diep in de sedimentkern is de hoeveelheid calcium in de carbonaatfractie
tot een dieptepunt sinds ongeveer 4000 jaar gedaald. Dit is een andere aanwijzing voor
een extreme droogte. Hodell, Curtis en Brenner (1995) hebben een hoge hoeveelheid
calciumcarbonaat als indicator voor een lage E/P, een natte periode, gebruikt in hun
onderzoek. In een natte periode is er veel grondwater invoer in het Tatos meer.
Calcium slaat dan neer omdat de pCO2 afneemt op het moment dat het grondwater
het meer in stroomt, omdat de CO2 hier gemakkelijk kan ontsnappen.
Calciumcarbonaat kan echter ook neerslaan als gevolg van droogte als er heel veel
evaporatie plaatsvindt door oververzadiging. Een toename van calciumcarbonaat in
het sediment kan dus zowel betekenen dat het droger als natter wordt. Hierna daalt
de Δ18O weer, dit indiceert dat het weer natter wordt. Op dat moment stijgt de
hoeveelheid calcium in de carbonaat fractie. Het lijkt erop dat de mineralisatie van
calciumcarbonaat wordt veroorzaakt als gevolg van grondwater instroom.
Op het moment dat Δ18O zijn dieptepunt bereikt, is de Δ13C tijdelijk hoger. Dit kan
bijvoorbeeld het gevolg zijn van biogene processen in het meer. Aquatische planten
zorgen voor een relatieve toename van 13C (Lamb et al., 2000). Als gevolg van
fotosynthese wordt door middel van CO2 dat hierbij ontstaat 12C aan het water
onttrokken. Dit resulteert in een hogere Δ13C. Maar ook andere processen kunnen dit
veroorzaakt hebben.
Op een diepte van 180 cm, 2.5 cal ka BP, ligt het Δ13C signaal onder de 0 ‰ en het Δ18O
signaal ligt rond de 0 ‰. Hierdoor is het onduidelijk onder welke omstandigheden de
precipitatie van calcium uit de carbonaatfractie heeft plaatsgevonden. Er zijn hier geen
aanwijzingen voor extreme omstandigheden.
Tot 540 cm, 6.9 cal ka BP, was Tatos een moeras. Waarna er een situatie is ontstaan
waarin koraalzand en schelpfragmenten door de wind zijn afgezet in Tatos, dit is
mogelijk een gevolg van de zeespiegelstijging. Vervolgens is er een sterke afname in
depositie van koraalzand en schelpfragmenten rond 4.7 cal ka BP, dit is mogelijk het
17
gevolg van de afname in groeisnelheid van het koraalrif rond 5 ka BP (Camoin et al.
2004). Hierdoor werd het isotopen signaal van de calciumcarbonaten die in Tatos zijn
gevormd zichtbaar. De Δ13C is vanaf hier negatief, hetgeen duidt op
calciumcarbonaatvorming als gevolg van grondwater instroom (pers. comm. Reichart,
2012). Een lage Δ18O en een relatief grote hoeveelheid CaCO3 duiden op een natte
periode (Rosemeier, 2002 & Hodell, Curtis en Brenner, 1995). Hieruit blijkt dat rond 4.5
cal ka BP een hele natte periode was en rond 4.2 cal ka BP een hele droge periode.
Deze werd gevolgd door een natte periode rond 4.0 cal ka BP. Door de vele factoren
die invloed kunnen hebben op het stabiele isotopen signaal en op de vorming van
calciumcarbonaat valt dit signaal op meerdere manieren te interpreteren. Deze data
op zich is dan ook geen bewijs voor een zeer natte periode, gevolgd door een droge
periode, met daarna weer een natte periode. Maar dat in die periode het Δ18O signaal
hetzelfde patroon vertoont als op andere plaatsen in Afrika waar droogte
geregistreerd is (Lamb et al., 2000), maakt het wel waarschijnlijker.
5.2 Mare aux Songes
De Mare aux Songes is een kust-nabij-meersysteem dat sterk lijkt op dat van Tatos.
Daarnaast liggen de meren beide aan de oostelijke kant het eiland Mauritius waar het
zelfde microklimaat heerst. Hierom wordt aangenomen dat er in het verleden
vergelijkbare klimaatsomstandigheden in Tatos hebben geheerst als in de Mare aux
Songens. Het lijkt erop dat met deze geochemische analyses van de Tatoskern nieuw
onafhankelijk bewijs wordt aangedragen voor een extreme periode van droogte die in
de Mare aux Songens rond 4.2 cal ka BP de oorzaak was van een massale sterfte van
fauna (Rijsdijk et al., 2011). Wel moet hierbij worden opgemerkt dat er vlak voor het
4.2 cal ka BP megadroogte event Tatos waarschijnlijk tijdelijk een zeer nat klimaat
registreerde. Dit is een situatie waarbij het eiland mogelijk ook de capaciteit had om
veel meer flora en fauna te huisvesten. Mogelijk is dit mede de oorzaak van de omvang
van het massagraf.
6. Conclusie
In de monsters waar aan sequentiële extractie is verricht, is zichtbaar dat de grootste
hoeveelheid calcium zich in de carbonaatfractie bevindt. De hoeveelheid calcium is in
onder in de sedimentkern, 700 cm t/m 540 cm, heel laag. Waarna het stijgt tot 290 cm
diep, +/- 4.6 cal ka BP. De grootste bron van calcium is tot die tijd marien. Het isotopen
signaal van het in Tatos gevormde calciumcarbonaat wordt in die periode
overschaduwd door het mariene signaal van schelpjes en koraalzand die daar door de
wind zijn gedepositioneerd. Hierdoor kan uit deze gegevens niet worden afgeleid wat
voor omstandigheden er in Tatos heerste. Na deze periode wordt het stabiele isotopen
signaal gedomineerd door calciumcarbonaat dat in Tatos zelf is gevormd.
18
Waarschijnlijk is er dan minder invloed van calciumcarbonaten van mariene afkomst,
omdat het koraalrif vanaf die periode minder hard groeide. De stabiele isotopen
suggereren dat er eerst een extreem natte periode, rond 4.5 cal ka BP, 270 cm diep,
plaatsvond, en daarna een extreme droogte, rond 4.2 cal ka BP, 265,5 cm diep, waarna
er weer een natter klimaat ontstond, rond 4.0 cal ka BP, 245,5 cm diep.
Alle proxies die tijdens dit onderzoek zijn onderzocht, zijn op meerdere manieren te
interpreteren doordat er zoveel factoren van invloed zijn. Door de combinatie van
aanwijzingen zowel uit dit als uit voorgaand onderzoek lijkt het waarschijnlijk dat er
rond 4.2 cal ka BP een grote droogte op Mauritius heeft plaatsgevonden. Hetgeen een
verklaring is voor de massasterfte in de Mare aux Songes.
7. Vervolg onderzoek
Oxidatieprofielen zijn een goede indicator voor laag water (Talbot & Livingstone, 1989).
Hier zou aan de hand van de gegevens die tijdens dit onderzoek zijn gegenereerd,
analyse aan gedaan kunnen worden om meer duidelijkheid te krijgen over de
omstandigheden die er heerste ten tijde van de opvulling van Tatos. Ook zouden de
tijdens dit onderzoek gegenereerde data en van de diatomeeën data van de Boer et al.
(in prep.) beter met elkaar vergeleken kunnen worden. Verder zou er isotopen analyse
op hoger resolutie rond het 4.2 cal ka BP megadroogte event kunnen worden gedaan
om een beter inzicht te krijgen in hoe het 4.2 cal ka BP megadroogte event is verlopen.
Daarnaast zouden foraminiferen, mits deze zich in de sedimentkern bevinden, een
ander proxie zijn die interessant is om te onderzoeken, omdat deze veel kunnen
vertellen over het paleomilieu.
19
8. Referenties
Booth, R. K., Jackson, S. T., Forman, S. L., Kutzbach, J. E., Bettis, E. A., Kreigs, J., Wright, D.
K. (2004). A severe centennial-scale drought in mid-continental North America 4200 years ago
and apparent global linkages. The Holocene 15, 321-328.
De Boer, E., et al. (in prep.). Sea-level rise, climatic change and extreme events from a 8 kyr
hydrological model constrained multiproxy record from Mauritius’ coastal wetland.
Camoin. G. F., Montaggioni, L F., Braithwaite, C. J. R. (2004). Late glacial to last glacial sea
levels in the Western Indian Ocean. Marine geology 205, 119-146.
Covich, A., Stuiver, M. (1974). Changes in oxygen 18 as a mearsure of long-term fluctuations
in tropical lake levels and molluscan populations. Limnology and Oceanography 19, 682- 691.
Davis, M. E., Thompson, L.S. (2006). An Andean ice-core record of a Middle Holocene megadrought in North Africa and Asia. Annals of Glaciology 43, 34-41.
Gasse, F., Fontes, J. C., Plaziat, J. C., Carbonel, P., Kaczmarska, I., de Deckker, P., SouliéMarsche, I., Callot, Y., Dupeuble, P. A. (1987). Biological remains, geochemistry and stable
isotope for the reconstruction of environmental and hydrological changes in the Holocene lakes
from North Sahara. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 60, 1-46.
Gasse, F. Téhet, R., Durand, A., Bibert, E. Fontes, J. C. (1990). The arid-humid transition in the
Sahara and the Sahel during the last deglaciation. Nature 346, 141- 146.
Gupta, A. K., Anderson, D. M., Overpeck, J. T. (2003). Abrupt changes in the Asian southwest
monsoon during the Holocene and their links to the North Atlantic Ocean. Nature 421, 354-356.
Gleyzes, C., Tellier, S., Astruc, M. (2002). Fractionation studies of trace elements in
contaminated soils and sediments: a review of sequential extraction procedures. Elsevier:
Trends in analytical chemistry 21, 451-467.
Gomis-Yaqües, V., Boluda-Botella, N., Ruiz-Beviá, F. (1999). Gypsum precipitation/
dissolution as an explanation of the decrease of sulphate concentration during seawater
intrusion. Elsevier: Journal of Hydrology 228, 48-55.
Hodell, D. A., Curtis, J. H., Brenner, M. (1995). Possible role of climate in the collapse of
Classic Maya civilization. Nature 375, 391-394.
Kostka, J. E., Luther, G. W. (1994). Partitioning and speciation of solid phase iron in saltmarsh
sediments. Elsevier: Geochimica Acta 58, 1701-1710.
Lamb, A. L., Leng, M. J., Lamb, H. F., Umer Mohammed, M. (2000). A 9000-year oxygen and
carbon isotope record of hydrological change in a small Ethiopian crater lake. The Holocene
10, 167-177.
Maher, W. A. (1984). Evaluation of a sequential extraction scheme to study associations of
trace elements in estuarine and oceanic sediments. Bulletin of Environmental Contamination
and Toxicology 32, 339-344.
20
Marchant, R., Hooghiemstra, H. (2003) Rapid environmetal change in African and South
American tropics around 4000 years before present: a review. Earth-Science Reviews 66, 217260.
Mayewski, P.A., Rohling., E. E., Stager J. C., Karlén., W., Maash, K. A., Meeker, L. D.,
Meyerson, E. A., et al. (2004). Holocene climate variability. Quaternary Reschearch 62, 243255.
van der Plas, G. W., de Boer, E. J., Hoogmienstra, H., Florens, F. B. V., Baider, C., van der
Plicht, J. (2011). Mauritius since the last glacial: environmetal and climatic reconstruction of
the last 38 000 years from Kanaka Crater. Journal of Quarternary Science 27, 159-168.
Rijsdijk, K. F., Hume, J.P., Bunnik, F., Florens, F. B. V., Baider, C., Shapiro, B., et al. (2008).
Mid-Holocene vertebrate bone Concentration-Lagerstätte on oceanic island Mauritius provides
a window into the ocesystem of the dodo (Raphus cucullatus). Quartenary Science Reviews 28,
14-24.
Rijsdijk, K. F., Zinke, J., de Louw, P. G. B., Hume, J. P., van der Plicht, H, J. Hooghiemstra, H.,
Meijer, H. J. M. et al. (2011). Mid Holocene (4200 kyr BP) mass mortalities in Mauritius
(Mascarenes): Insular vertebrates resilient to climatic extremes but vulnerable to human impact.
The Holocene 21, 1179-1194.
Rosemeier, M. F., Hodell, D. A., Brenner, M., Curtis, J. H., Martin, J. B., Anselmetti, F. S.,
Arztegui, D., Guilderson, T. P. (2002). Influence of vegetation change on watershed hydrology:
implications for paleoclimatic interpretation of lacustrine Δ18O records. Journal of
Paleolimnology 27, 117-131.
Rutten, A., de Lange, G. J. (2002). Sequential extraction of iron, magnese and related elements
in S1 sapropel sediment, eastern Mediterranean. Palaeo 190, 79-101.
Scintag (1999). Chapter 7: Basics of x-ray diffraction. Cupertino: Scintag. 1- 25.
Spier, F. (2011). Big history and the future of humanity. West Sussex: Wiley-Blackwell. 36-40.
Talbot, M. R., Livingstone, D. A. (1989). Hydrogen index and carbon isotope of lacustrine
organic matter as lake level indicator. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 70,
121-137.
Tessier, A., Campbell, P. G. C., Bisson, M. (1979). Sequential extraction procedure for the
speciation of particulair trace metals. Analytical Chemistry 51, 844-851.
Thompson, L. G., Mosley-Thompson, E., Davis, M. E., Henderson, K. A., Brecher, H. H.,
Zagorodnov, V. S., Mashiotta, T. A. et al. (2002). Kilimanjaro Ice Core Records: Evidence of
Holocene Climate Change in Tropical Africa. Science 298, 589-593.
White, W. M. (2011). Geochemistry. http://www.imwa.info/white-geochemistry.html
(geraadpleegd 26-06-2012)
21