Paleoceanographic and paleoclimate records in the gulf of Saros (Aegean sea) during the late pleistosene to holocene

Abstract

The NE-SW-oriented Gulf of Saros is a westward-widening and -deepening, embayment in the northeastern Aegean Sea, with a water depth of 645 m. The length of the gulf is about 60 km and the width at the opening to the Aegean Sea is about 36 km. The wedge-shaped gulf extends parallel to the coasts of the Thrace Shelf to the north and the Gelibolu peninsula to the south. The gulf constitutes the eastern extension of the North Aegean Trough (NAT), and is separated from the Marmara Sea by the Thrace Peninsula. The Gulf of Saros has been in the focus of various national and international research groups for tectonic and paleoseismological studies. Although there are several paleoceanographic and paleoclimatic studies in the Aegean Sea, it is thought that the Gulf of Saros should have different dynamics from the Aegean Sea since it has a different geographic location as an inland sea. Moreover, different paleoceanographic conditions might have taken place in the Gulf of Saros because of its location on a gateway between the Mediterranean and the Black seas. Nevertheless, there is insufficient paleoceanographic and paleoclimate studies in the gulf based on the sediment core. In order to fill this scientific gap, marine survey was established in Gulf of Saros by Urania cruise in 2011 to collect sediment cores from different water depths. In this thesis, the late Pleistocene to Holocene paleoceanography and paleoclimate of the gulf region and water exchanges between the Marmara and Aegean seas is investigated by multi-proxy approach using three sediment cores (SAG-08, SAG-14 and SAG-22) retrieved from the gulf by Urania cruise in 2011. Experiments and observations are executed in the East Mediterranean Centre for Oceanography and Limnology (EMCOL) Applied Research Center. Biomarker analysis is performed in Sorbonne University-Laboratoire d'Océanographie et du Climat- LOCEAN.Cores SAG-08 and SAG-14 represent the deeper core locations, whereas core SAG-22 is recovered from a shallower water depth. In this thesis, paleo-proxy records (sedimentologic and geochemical analyses) are established with robust core chronologies based on AMS radiocarbon datings. Beside radiochronology on the sediment cores, comparisons of XRF-Ca/Ti data between the cores and the previously well-dated sediment core from Sea of Marmara together with δ13C record of Sofular Cave enable us to construct precise age-depth models. Thus, paleoceanographic and paleoclimate evolution of the gulf could be better evaluated with a robust chronology covering the period for the last 15000 cal yr BP. According to the paleo-proxy records in the studied core, the Bølling-Allerød (B-A) took place in the gulf between 14800 cal yr BP and 12900 cal yr BP. This earliest paleoclimate period is only documented in core SAG-22, and is associated with higher paleo-productivity due to an existence of relatively warmer and wetter climate in compare to the Younger Dryas (YD), implying higher river discharge to the gulf. High proportion of marine organic matter during the B-A due to warm climate would have given rise to deplete the available oxygen, thus, the anoxic or suboxic deep water condition prevailed at this core location. The climate shift to a cold and dry took place in the gulf at the onset of the YD period, between 12900 cal yr BP and 11800 cal yr BP based on the age-depth model. The paleo-proxy record from core SAG-22 demonstrates still high detrital input, but a lower proportion of authigenic calcite due to decreased organic productivity. However, sharp cooling of surface water and stable sea-level during the YD might have resulted in the formation of well-ventilated deep water condition as consequence of strong water circulation along the coastal region of the gulf in which the core was located. The onset of the Holocene at 11800 cal yr BP is marked by prominent changes in the paleo-proxy record in core SAG-22. The enhanced authigenic calcite reflects increased paleo-productivity as a consequence of elevated warming around the gulf until 8900 cal yr BP. In addition to improved marine organic productivity under the warmer and wetter climate, the fast Holocene transgression gave rise to increased salinity in the gulf and establish suboxic to anoxic deep water condition, reflecting the water column stratification. The warmest climate during the early Holocene and the concomitant highest paleoproductivity is recorded at 9300 cal yr BP that timely coincides with the formation of the S1 sapropel in the Eastern Mediterranean Region as well as the Aegean Sea. The time period from 8900 to 7300 cal yr BP is associated with elevated detrital input to the gulf that would have been possibly provided by coastal erosion due to lowering of the sea-level rise rather than increased humidity. This finding is consistent with the previous study in the north Aegean Sea as well as δ13C values of Sofular Cave. The middle Holocene in the gulf is represented by deposition of the Sapropel S1b between 7300 cal yr BP and 6100 cal yr BP. During the S1b deposition, the general climate was drier until 6700 cal yr BP, then the later period until 6100 cal yr BP is recorded as warmer and wetter together with possible suboxic deep water condition, but not almost anoxic. The sea surface freshening during this later wetter period is well documented by sea surface temperature record (SST) only performed on core SAG-14. The intervening time period (6100-5300 cal yr BP) between the S1b and Mid-Holocene Sapropel (SMH) sapropels is characterized by lowering organic productivity and lower terrestrial matter delivery to the gulf due to cold and dry climate around the gulf. The SMH sapropel deposition took place in the gulf during 5300-3200 cal yr BP based on the age-depth model of core SAG-14. The climate was much drier during early period (5300-4200 cal yr BP) of the SMH deposition, whereas the highest detrital input to the gulf is recorded between 4200 cal yr BP and 3900 cal yr BP. The later period during the SMH deposition between 3900 cal yr BP and 3200 cal yr BP is marked in core SAG-14 by decreased SST value, implying sea surface freshening or cooling around the gulf. The early phase of Roman Period in the gulf between 2500 cal yr BP and 2200 cal yr BP is mainly characterized by low detrital delivery and increased SST record due to much drier climate, then it was tuned to warmer and wetter climate until 1900 cal yr BP. In the latest Holocene, the climate shift to much drier climate occurred during the Dark Age Cold Period between 1600 cal yr BP and 1100 cal yr BP. During the latest Holocene, the Medieval Climate Anomaly (1100-600 cal yr BP) is well obscured in the paleo-proxy record in core SAG-14, implying existence of enhanced sea surface freshening due to wetter climate. The cold Little Ice Age period took place in the gulf 670 yrs ago, and is mostly associated with cold and dry climate, except a short humid period until 150 cal yr BP.

Kuzey doğu Ege Denizi'nde yer alan KD-GB doğrultulu Saros Körfezi batıya doğru genişleyen ve derinleşen bir körfezdir. Saros Körfezi'nin su derinliği 645 m'dir. Saros Körfezi'nin uzunluğu 60 km ve Ege Denizi'ne açıldığı yerde genişliği ise yaklaşık 36 km'dir. Kama şekilli Saros Körfezi kuzeyde Trakya Yarımadası'na ve güneyde Gelibolu Yarımadası'na paralel olarak genişlemektedir. Körfez, Kuzey Ege Çukurluğu'nun (KEÇ) doğu uzantısını içermektedir ve Marmara Denizi'nden Trakya Yarımadası ile ayrılmaktadır. Saros Körfezi, tektonik ve paleosismolojik çalışmlar için çeşitli ulusal ve uluslarası araştırma gruplarının odağı olmuştur. Ege Denizi'nde birkaç paleoşinografik ve eski iklim kayıtlarına dayalı çalışma bulunmasına rağmen Saros Körfezi'nin paleoşinografik evrimini anlamaya yetmemektedir. Körfezin bir iç deniz olan coğrafik konumundan dolayı, Saros Körfezi'nin Ege Denizi'nden daha farklı dinamiğe sahip olması gerektiği düşünülmektedir. Dahası, Saros Körfez'nin Akdeniz ve Karadeniz arasında geçit konumunda bulunmasından dolayı körfezde farklı paleoşinografik durumlar meydana gelmiş olabilir. Bununla birlikte, körfezde sediment karotlarına dayalı yeterli paleoşinoğrafik ve eski iklim çalışmaları bulunmamaktadır. Bu bilimsel boşluğu doldurmak amacıyla 2011 yılında Urania seferi ile farklı su derinliklerinden sediment karotları almak için denizel araştırma gerçekleştirilmiştir. Bu tez kapsamında, 2011 yılında Urania seferi ile alınan SAG-08, SAG-14 ve SAG-22 olarak adlandırlan üç gravite sediment karotunda çoklu-parametre yöntemleri uygulanarak (çok sensörlü karot tarayıcısı analizi, tane boyu analizi, µ-XRF karot tarayıcısı analizi, toplam organik karbon ve toplam inorganik karbon analizi, biyo-işaret analizi ve AMS radyokarbon analizi gibi) körfezin, geç Pleyistosen'den Holosen'e kadar paleoşinografisi ve paleoiklimi değişimleri ve Marmara Denizi ile Ege Denizi arasındaki su değişimleri araştırılmıştır. Deneyler ve gözlemler İstanbul Teknik Üniversitesi- EMCOL Uygulama ve Araştırma Merkezi'nde yürütülmüştür. Biyo-işaret analizleri ise Sorbonne University-LOCEAN Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. SAG-08 (307 mbsl) ve SAG-14 (592 mbsl) karotları daha derin lokasyondan alınmışken, SAG-22 (100 mbsl) karotu sığ deniz derinliğinden alınmıştır. Litostratiğrafik çalışmalarla kronostratigrafik sekans sınırları ve fasiyes özellikleri gibi gözleme dayalı ana litolojik özellikler tanımlanmış ve tarif edilmiştir. Çok sensörlü karot tarayıcısı yöntemi ile sedimanın fiziksel özelliklerinden yoğunluk ve manyetitik duyarlılık ölçümü elde edilmiştir. Buna ek olarak, karotlar radyokarbon yaşlandırma ve toplan organik karbon ve toplam inorganik karbon analizleri için örneklenmiştir. Sığ derinliklerde ani tane boyu değişimleri daha net gözlemlenebildiğinden, sadece SAG-22 karotunda tane boyu analizi yapılmıştır. Paleoşinografik evrim süresince meydana gelen ısınma dönemleri sonucunda ortaya çıkan organik zenginleşmenin saptanması amacıyla SAG-14 ve SAG-08 karotlarında toplam organik karbon ve toplam inorganik karbon analizi uygulanmıştır. µ-XRF analizi (X-ışınları floresans) yöntemi ile karotlarda yüksek çönürlükte (0.2 mm) majör ve eser element analizi, sayısal X-ışınları görüntülerinin (radyografi) alınması ve sayısal renk taraması yapılmıştır. Biyo-işaret analizi derinliğinden (592 mbsl) dolayı sadece SAG-14 karotuna uygulanmıştır. Bu yöntem ile iki ve üç bağlı karbon atomları kullanılarak doymamış C37 indeksi elde edilmektedir. Conte vd. (2006)' da yer alan küresel kalibrasyon kullanılarak alkenon su yüzeyi sıcaklığı (SST) hesaplanmaktadır. Buna ek olarak, tek sayılı karbon atomları (C27, C29, C31, C33 ve C35) toplanılarak karasal girdi ile ilgili bilgilerin toplanması amaçlanmaktadır. Son olarak, bu tez çalışmasında geçmiş belirteç kayıtlar (sedimantolojik ve jeokimyasal) radyo karbon analizleri ile oluşturulan sağlam bir karot kronolojisi ile ortaya cıkartılmıştır. SAG-14 karotundan 3 adet ve SAG-22 karotundan 1 adet radyokarbon yaş örnekleri TÜBİTAK-MAM bünyesinde bulunan laboratuvarlarda yaşlandırılmıştır. Yaşlar 13C düzeltmesi yapıldıktan sonra günümüzden önce (G.Ö) 14C yılı olarak hesaplanmış ve hata payları ± 2σ olarak tespit edilmiştir. Radyokarbon yaşları CALIB v.7 programı (Reimer vd, 2004) kullanılarak takvim yılına göre kalibre edilmektedir. Denizel kavkılardan alınan radyokarbon yaşları kalibre edilirken CALIB programınının Marmara Denizi için reservuar yaşı veri tabanından (Siani vd, 2000) yararlanılmıştır. Sediment karotlarındaki radyokronolijisinin yanında, Sofular mağarsının δ13C kaydıyla birlikte karotlardan ve Marmara Denizi'nden alınmış ve iyi yaşlandırılmış CS-19 karotunun XRF- Ca/Ti verilerinin karşılaştırması kesin yaş-derinlik modelinin oluşturmasına olanak sağlamıştır. Saros Körfezi'nden alınan karotların Ca/Ti verileri ile Maramra Denizi'nden alınan CS-19 karotunun Ca verisi ve Sofular Mağarası'nın δ13C kaydının korelasyonu ile SAG-14 karotu için 15 adet yaş-bağlantı noktası ve SAG-22 karotu için 3 adet yaş bağlantı noktası elde edilmiştir. Böylece, günümüzden önce (G.Ö.) son 15000 yılı kapsayan sağlam bir kronoloji ile körfezin paleooşinografik ve paleoiklimsel evrimi daha iyi değerlendirilebilmektedir. Çalışılan karotlardaki geçmiş belirteç kayıtlarına göre, Bølling-Allerød (B-A) dönemi körfezde G.Ö. 14800 ve 12900 arasında meydana gelmektedir. Sadece SAG-22 karotunda gözlenen bu en erken paleoiklimsel periyod, Genç Dryas (GD) dönemine kıyasla yüksek nehir girdisine işaret eden, nispeten ılıman ve yağışlı iklimsel durumun varlığından kaynaklanan yüksek geçmiş verimlilik ile ilişkili olarak SAG-22 karotunda belgelendirilmiştir. Sıcak iklime bağlı olarak B-A sırasına denizel organik malzemenin yüksek oranı mevcut oksijini tüketmeye neden olmaktadır. Bu nedenle bu karot konumunda anoksik veya suboksisk derin su koşulu hüküm sürmektedir. İklimin soğuk ve kurak hale gelmesi körfezde GD döneminin başlangıcında, yaş modeline göre G.Ö 12900 ile 11800 yılları arasında meydana gelmektedir. SAG-22 karotunun eski belirteç kayıtları hala yüksek karasal girdiyle gösterirken, organik üretkenliğin azalması nediyle daha düşün oranda otojenik kalsit göstermektedir. Bununla birlikte, GD sırasında yüzey suyunun keskin bir şekilde soğuması ve sabit deniz seviyesi, karotun konumlandığı körfezin kıyı bölgesi boyunca güçlü su sirkülasyonun sonucu olarak iyi havalandırılmış derin su koşullarının oluşmasına sebep olmuş olabilir. G.Ö. 118000 yılında Holosen'in başlangıcı, SAG-22 karotundaki eski belirteç kaydında göze çarpan değişikliklerle belirlenmiştir. Artan otojenik kalsit, körfez etrafında G.Ö. 8900 yılına kadar yükselen ılımanlaşmanın sonucunda arttırılmış paleo verimliliği yansıtmaktadır. Ilıman ve yağışlı iklim koşullarındaki geliştirilmiş denizel organik verimliliğe ek olarak, hızlı Holosen transgresyonu körfezde artan tuzluluğa sebep olmuştur ve su kolonu tabakalanmasını yansıtan suboksik/anoksik derin su durumunu oluşturmuştur. Erken Holosen boyunca en ılıman iklim ve beraberinde gelen yüksek paleo verimlilik hem Doğu Akdeniz bölgesindeki hem de Ege Denizi'ndeki sapropel oluşumuna karşılık gelen G.Ö. 9300 yıllarında kaydedilmiştir. G.Ö. 8900 yılından 7300 yılına kadarki zaman aralığı, körfeze yükselmiş nemlilikten ziyade azalan deniz seviyesinden kaynaklanan kıyı erozyonu ile sağlanmış olan artan karasal girdi ile ilişkilidir. Bu bulgular, daha önce hem Sofular mağarasında yapılmış δ13C çalışması hem de kuzey Ege Denizi'nde yapılmış çalışmalarla uyumludur. Körfezde orta Holosen G.Ö. 7300-6100 yılları arasında çökelen S1b sapropeli ile temsil edilmektedir. S1b sapropeli hem SAG-22 karotunda hem de SAG-14 karotunda tespit edilebilmiştir. G.Ö 6500 yılının incelemesi yüksek sedimantasyon hızı ve yüksek çözünürlük özelliklerinden dolayı SAG-14 karotu üzerinden yapılmıştır. SAG-22 karotunda yer alan iklimsel belirteçlere ek olarak, SAG-14 karotunda biyo-işaret analizleri ve toplam organik karbon ve toplam inorganik karbon analizleri yapılmıştır. S1b sapropeli boyunca, genel iklim G.Ö. 6700 yılına kadar kuru iken, sapropelin geç döneminden G.Ö 6100 yılına kadar ılıman ve yağışlı koşullar kaydedilmiştir. Bu dönem (G.Ö. 6700-6100 yılları) muhtemel olarak suboksik derin su koşulları göstermektedir; ancak tamamen anoksik olmamıştır. Bu geç yağışlı dönem boyunca, deniz yüzeyi serinleşmesi sadece SAG-14 karotunda uygulanan deniz yüzey sıcaklığı (DYS) kaydı ile iyi bir şekilde belgelenmiştir. S1b ve SMH sapropelleri arasındaki zaman dilimi (G.Ö. 6100-5300 yılları), körfez etrafındaki soğuk ve kuru iklim koşullarından kaynaklanan azalan organik verimlilik ve düşük karasal malzeme ile temsil edilmektedir. SAG-14 karotunun yaş-derinlik modeline göre, SMH sapropel çökelimi körfezde G.Ö. 5300-3200 yılları arasında meydana gelmektedir. SMH sapropelinin erken dönemi boyunca (G.Ö. 5300-4200 yılları) körfez daha fazla kurakken, körfeze en yüksek karasal girdi G.Ö. 4200-3900 yılları arasında kaydedilmiştir. SMH sapropelinin G.Ö. 3900-3200 yılları arasında geç dönemi, SAG-14 karotunda deniz yüzey serinlemesi veya körfezin etrafının soğumasından kaynaklanan düşük DYS değerleri ile belirtilmiştir. Körfezde, G.Ö. 2500-2200 yılları arasına karşılık gelen Roma Ilık Dönemi'nin erken evresi ağırlıklı olarak daha kuru iklimden dolayı düşük karasal girdi ve yükselmiş DYS değerleri ile temsil edilmektedir. Daha sonra bu dönem, G.Ö. 1900 yılına kadar daha sıcak ve daha yağışlı bir iklim dönüşmüştür. Roman Ilık Dönemi'ndeki değişimler jeokimyasal verilere ek olarak yüzey suyu sıcaklığı değişimleriyle de ortaya çıkarılmıştır. Geç Holosende, G.Ö. 1600-1100 yılları arasında Karanlık Çağ Soğuk Dönemi boyunca daha kuru iklim koşullarına doğru bir değişim meydana gelmiştir. Bu soğuk ve kurak iklim düşük yüzey suyu sıcaklığı ve düşük toplam organik karbon değerleri ile temsil edilmektedir. Geç Holosen boyunca, Ortaçağ İklim Anomalisi (G.Ö. 1100-600 yılları) SAG-14 karotundaki eski belirteç kayıtlarında iyi belirlenmiştir. Bu anomali yağışlı iklimden dolayı yüksek deniz yüzey soğumasının varlığına işaret etmektdir. Soğuk Küçük Buz Çağı Dönemi körfezde G.Ö. 670 yılında meydana gelmiştir ve çoğunlukla G.Ö. 150 yılına kadar olan ılıman dönem hariç soğuk ve kurak iklimle ilişkilendirilmektedir. Son dönemdeki deniz yüzey sıcaklığındaki artış yapılan diğer çalışmalarla uyumlu olarak küresel ısınmayı temsil etmektedir.