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Triple oxygen (16O, 17O, 18O) and carbon (12C, 13C) isotope variations in bioapatite of small mammals – new insights concerning the reconstruction of palaeo‐CO2 concentrations and palaeotemperatures

dc.contributor.advisorPack, Andreas Prof. Dr.de
dc.contributor.authorGehler, Alexanderde
dc.date.accessioned2013-02-25T10:48:51Zde
dc.date.available2013-02-25T10:48:51Zde
dc.date.issued2013-02-25de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000E-00FE-3de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-3754
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-3754
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-3754
dc.description.abstractDie Verhältnisse der stabilen Isotope des Sauerstoffs (16O, 17O, 18O) und des Kohlenstoffs (12C, 13C) im biogenen Apatit des Zahn- und Knochenmaterials von Säugetieren lassen Rückschlüsse auf die Isotopie der entsprechenden Sauerstoff- und Kohlenstoffquellen zu. Die Isotopenverhältnisse dieser Quellen (z.B. Trinkwasser, Luftsauerstoff, Nahrung) sind an bestimmte Umwelt- und Klimabedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration, Bioproduktivität, Art der Vegetation, Grad der Vegetationsdichte etc. geknüpft. Bestimmt man die Sauerstoff- und Kohlensoffisotopenverhältnisse in diagenetisch unalteriertem fossilem Säugetiermaterial können Aussagen über solche Klima- und Umweltparameter weit in die Erdgeschichte zurück getroffen werden. Darüber hinaus ist es möglich Informationen über Lebensweise und Verhalten der untersuchten Taxa, wie z.B. Wanderverhalten, Geburtensaisonalität, Trinkverhalten, Nahrungspräferenzen, Ressourcenteilung und Habitatnutzung zu erlangen. Seit dem Beginn der Forschungen auf diesem Gebiet in der 70er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts ist eine große Zahl von Studien erschienen, welche sich der Untersuchung der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie (18O/16O, 13C/12C) des Zahn- und Knochenmaterials rezenter und fossiler (vorwiegend großer) Säugetiere zu diesen Zwecken widmen. Noch keine zwei Jahrzehnte ist es her, dass erkannt wurde, das troposphärischer Sauerstoff eine anomale 3-O-Isotopenzusammensetzung (17O/16O, 18O/16O) besitzt, die signifikant von fast allen anderen terrestrischen Materialien abweicht. Diese wird in Folge von nicht massenabhängiger Fraktionierung durch photochemische Prozesse in der Stratosphäre hervorgerufen und durch Gasaustausch in die Troposphäre übertragen. Die Magnitude dieser Sauerstoffisotopenanomalie ist eine Funktion der atmosphärischen CO2-Konzentration, sowie der globalen Bioproduktivität. Kann die 3-O-Isotopie des Luftsauerstoffs zu vergangenen Zeitpunkten in der Erdgeschichte rekonstruiert werden, lässt dies somit auch Rückschlüsse auf die entsprechende CO2-Konzentration bzw. die globale Bioproduktivität zu. Geologische Archive die dies ermöglichen sind jedoch kaum vorhanden. Da für Säugetiere der eingeatmete Luftsauerstoff neben Trinkwasser und freiem Wasser in der Nahrung zu den wichtigsten Sauerstoffquellen zählt, ist biogener Apatit rezenter und fossiler Säugetiere eines der wenigen möglichen Materialien die das Potential haben, ein solches Archiv darzustellen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Variation der 3-O-Isotopenzusammensetzung im Bioapatit rezenter Säugetiere, sowie deren Bedeutung als neuen Proxy zur paläo-CO2-Rekonstruktion und als Indikator für diagenetisch alteriertes Skelettmaterial. Desweiteren werden zwischenartliche, innerartliche und intraindividuelle Variationen der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie im Bioapatit rezenter Nagetiere untersucht um eine bessere Interpretationsgrundlage für entsprechende Analysedaten fossiler Vertreter dieser größten Ordnung der Säugetiere herzustellen. Kapitel 2 beschäftigt sich mit der Frage, ob die anomale Isotopensignatur troposphärischen Sauerstoffs als Indikator für diagenetische Alteration des Zahn- und Knochenmaterial von fossilen Säugern genutzt werden kann. Hierzu wurde die 3-O-Isotopie von Zahnschmelz, Dentin und in geringem Umfang auch Knochenmaterial von einzelnen Individuen känozoischer Nagetiere separat analysiert. Während alle Zahnschmelzproben eine deutliche Sauerstoffisotopenanomalie aufweisen, welche in einer Größenordnung liegt die für diagenetisch unalterierten Bioapatit kleiner Säugetiere zu erwarten wäre, zeigen alle Dentinproben eine deutlich niedrigere bis gar keine Anomalie, was auf Isotopenaustausch mit diagenetischen Fluiden hindeutet. In Kapitel 3 werden die Variationen der anomalen Isotopensignatur troposphärischen Sauerstoffs im Skelettmaterial von rezenten Säugetieren evaluiert. Dies geschieht anhand zweier voneinander unabhängiger Ansätze: 1. durch 3-O-Isotopenanalyse von rezentem Bioapatit und 2. durch ein detailliertes Massenbilanzmodell. Da der Anteil des veratmeten Luftsauerstoffs im Verhältnis zu den weiteren Sauerstoffquellen in erster Linie von der spezifischen metabolischen Rate abhängt, die weitgehend mit dem Körpergewicht skalierbar ist, wurden Arten aus einem möglichst großen Körpergewichtsbereich von wenigen g bis zu einigen tausend kg untersucht. Es zeigte sich, dass das anomale Isotopensignal mit sinkender Körpermasse zunimmt. Auf Basis der daraus gewonnenen Erkenntnisse wurde versucht die Magnitude der anomalen Sauerstoffisotopensignatur in der Troposphäre zu verschiedenen Zeitpunkten im Känozoikum durch 3-O-Isotopenanalyse von eozänem, oligozänem und miozänem Zahnschmelzmaterial von Nagetieren zu bestimmen um daraus Erkenntnisse über die entsprechenden CO2-Konzentrationen zu erhalten. Das theoretische Massenbilanzmodell stimmt gut mit den analytisch gewonnenen Daten überein, beide zeigen eine Vergrößerung der 3-O-Isotopenanomalie im Bioapatit mit sinkender Körpermasse. Die rekonstruierten CO2-Konzentrationen stimmen generell mit vorhandenen Daten diverser Proxies überein, jedoch erlaubt der assoziierte Fehler es nicht, CO2-Schwankungen im Bereich von wenigen 100 ppm aufzulösen. An der Grenze von Paläozän zu Eozän fand eine der einschneidendsten Umwelt- und Klimaveränderungen des Känozoikums statt, welche ihren Höhepunkt im sogenannten “Palaeocene Eocene Thermal Maximum” (PETM) hatte. Dieses war verbunden mit einer globalen negativen Kohlenstoffisotopenexkursion (CIE), deren Quelle bis heute kontrovers diskutiert wird. Kapitel 4 beschäftigt sich mit den Temperaturschwankungen und Veränderungen der CO2-Konzentration im Übergangsbereich dieser beiden Zeitalter. Dies geschieht anhand einer diesen Zeitabschnitt umspannenden Probenserie von Zahnschmelz der Säugetiergattung Ectocion aus dem Clarks Fork Basin (Wyoming, USA). Die rekonstruierten Temperaturschwankungen stimmen gut mit bereits vorhandenen Studien des 18O/16O Verhältnisses an biogenem Apatit aus diesem Zeitintervall überein. Die aus der 3-O-Isotopenzusammensetzung rekonstruierten CO2-Konzentration deuten darauf hin, dass auch während des Temperaturmaximums an der Paläozän-Eozän Grenze ein Wert von 1550 ppm nicht überschritten wurde, was auf die Dissoziierung von marinem Methanhydrat als Hauptquelle der CIE hinweist. Kapitel 5 untersucht die zwischenartlichen, innerartlichen und intraindividuellen Variationen der Karbonatsauerstoff-, Phosphatsauerstoff- und Kohlenstoffisotopie sieben verschiedener Nagetierarten anhand von Proben aus Eulengewöllen eines einzelnen Fundortes. Die Ergebnisse werden mit ähnlichen Studien an Großsäugern verglichen, und es werden Schlüsse zum Umgang mit Probenmaterial kleiner Säugetiere bei der Verwendung zur Paläoklimarekonstruktion mittels stabiler Isotope gezogen. Die Variabilität der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie der untersuchten Zähne und Knochen ist nicht höher als die vieler Großsäuger, was die Relevanz der im Fossilbericht viel häufigeren Nagetiere für derartige Studien unterstützt. Jedoch sollte strikt darauf geachtet werden, dass auf Rezentmaterial basierende Bioapatit-Temperatur-Kalibrationen exakt auf dem gleichen Skelettelement beruhen welches auch als Fossilmaterial untersucht wird, da durch die unterschiedliche Mineralisierungsintervalle verschiedener Zähne und Knochen deutliche Unterschiede in den entsprechenden Isotopenzusammensetzungen, insbesondere in der des Sauerstoffs beobachtet werden konnten.de
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc910de
dc.subject.ddc550de
dc.titleTriple oxygen (16O, 17O, 18O) and carbon (12C, 13C) isotope variations in bioapatite of small mammals – new insights concerning the reconstruction of palaeo‐CO2 concentrations and palaeotemperaturesde
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereePack, Andreas Prof. Dr.de
dc.date.examination2013-01-18de
dc.description.abstractengThe ratios among the stable isotopes of oxygen (16O, 17O, 18O) and carbon (12C, 13C) in biogenic apatite of mammal teeth and bones have the potential to provide insight into the isotopic composition of the respective oxygen and carbon sources. The isotope ratios of these sources (e.g. drinking water, air oxygen, diet) are connected to specific environmental and climatic conditions, such as temperature, relative humidity, CO2 concentration, bioproductivity, palaeovegetation and vegetation density. Analysis of the oxygen and carbon isotope composition of diagenetically unaltered skeletal tissue of fossil mammals can provide evidence on these climatic and environmental parameters far back into Earth’s history. Furthermore, it is possible to receive information regarding the mode of life and specific behaviour of the examined taxa, e.g. migrational behaviour, birth seasonality, drinking behaviour, food preferences, resource partitioning and habitat use. From the early beginning of research in this specific field of biogeochemistry in the 1970s and 1980s until today, a large number of studies have been published which examine the oxygen and carbon isotope composition (18O/16O, 13C/12C) in tooth and bone material of (in most cases large) modern and fossil mammals. Less than two decades ago, an anomalous triple oxygen isotope composition (17O/16O, 18O/16O) has been observed in tropospheric oxygen, which is significantly different from nearly all other terrestrial materials. This anomaly in molecular oxygen is the result of non-mass-dependent fractionation due to photochemical processes in the stratosphere and is transferred to the troposphere by gas exchange. Its magnitude is a function of the atmospheric CO2 concentration and global bioproductivity. If it is possible to reconstruct the triple isotope composition of tropospheric oxygen to certain times in Earth’s history, conclusions can be drawn on the respective CO2 level or bioproductivity. However, geological archives, which are capable of this, are extremely scarce. As inhaled air oxygen is one of the most important oxygen sources in mammals, bioapatite of modern and fossil mammals is one of the few materials that have the potential to be such an archive. The present thesis evaluates variations in the triple oxygen isotope composition of bioapatite from modern mammals as well as its application potential as a new proxy for palaeo-CO2 reconstruction and as a tracer of diagenetically altered fossil skeletal tissue. Furthermore, interspecific, intraspecific and intraindividual variations of the oxygen and carbon isotope composition of bioapatite of modern rodents are investigated to reach a better interpretative background for respective analytical result from fossil representatives of this largest mammalian order. Chapter 2 evaluates the question, whether the anomalous isotope signature of tropospheric oxygen can be used as a tracer for diagenetic alteration of tooth and bone phosphate of fossil mammals. Therefore, the triple oxygen isotope composition of tooth enamel, dentine and to a minor extent also bone material of several individuals of Cenozoic small mammals (i.e. rodents) has been analysed separately. While all tooth enamel samples have a pronounced oxygen isotope anomaly within a range that is expected for diagenetically unaltered bioapatite of small mammals, all dentine samples have a considerably lower or no anomaly, which suggests isotopic exchange with diagenetic fluids. In chapter 3, the variations of the anomalous isotope signature of tropospheric oxygen in the skeletal tissue of modern mammals are evaluated. This has been conducted using two independent approaches: (1) By triple oxygen isotope analysis of bioapatite of modern mammals and (2) by developing a detailed mass balance model. The fraction of inhaled air oxygen in proportion to the other principal oxygen input sources is primarily a function of the specific metabolic rate, which largely scales with body mass. Therefore, samples of species that comprise a wide range of body masses, from a few g to several 1000 kg, were analysed, leading to the observation of an increasing anomalous oxygen isotope signature with decreasing body mass. Based on the obtained findings, it has been attempted to determine the magnitude of the anomalous oxygen isotope signature of the troposphere at different times within the Cenozoic era from Eocene, Oligocene and Miocene rodent tooth enamel, which gives insight into the respective CO2-levels. The theoretical mass balance model agrees well with the analytical data, and both indicate an increasing oxygen isotope anomaly in the bioapatite with decreasing body mass. The reconstructed CO2 concentrations generally agree with previous data obtained with other methods, but the associated error precludes resolving CO2 fluctuations in a range of a few 100 ppm. At the Palaeocene-Eocene boundary, one of the most remarkable environmental and climatic changes within the Cenozoic took place, which had its summit within the “Palaeocene Eocene Thermal Maximum” (PETM). This event was associated with a global negative carbon isotope excursion (CIE), whose source is still discussed controversially. Chapter 4 targets temperature change and CO2 fluctuations at the transition of both chronostratigraphic series. This is conducted with the help of a sample series of tooth enamel of the mammal genus Ectocion originating from the Clarks Fork Basin (Wyoming, USA), encompassing the respective time interval. The reconstructed temperature change is in good accordance with previous studies on the 18O/16O ratio from biogenic apatite within this period. The reconstructed CO2 levels also indicate that during the peak PETM phase a value of 1550 ppm was not exceeded. Thus, it is suggested that dissociation of marine methane clathrates has been the main source of the CIE. Chapter 5 investigates inter- and intraspecific as well as intraindividual variations of the carbonate oxygen, phosphate oxygen and the carbon isotope composition of seven different rodent species sampled from owl pellets of a single locality. The results are compared to similar studies on large mammals, and conclusions are drawn on the handling of sample material of small mammals when used for palaeoclimate reconstruction by means of stable isotope analysis. The variability in the oxygen and carbon isotope composition of the analysed tooth and bone material is not higher than that of many large mammals, supporting the relevance of rodents, which are considerably more abundant in the fossil record, for such studies. However, attention has to be paid to the fact that bioapatite-temperature calibrations derived from modern species need to be based exactly on the same skeletal tissue that is analysed from fossil material. This is important because of variations within the time intervals of the mineralisation of different teeth and bone material, in which significant differences of the isotope compositions could be observed, in particular regarding oxygen isotopes.de
dc.contributor.coRefereeHoefs, Jochen Prof. Dr.de
dc.subject.germammals, oxygen isotopes, carbon isotopes, triple oxygen isotope compositionde
dc.subject.engmammals, oxygen isotopes, carbon isotopes, triple oxygen isotope compositionde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-000E-00FE-3-6de
dc.affiliation.instituteFakultät für Geowissenschaften und Geographiede
dc.subject.gokfullGeologische Wissenschaften (PPN62504584X)de
dc.identifier.ppn737347287de


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