Paleolimnology of Lake Iznik (NW Turkey) during the past ~ 31 ka cal BP

Abstract

Lake Iznik, situated in the Marmara region (NW Turkey), is an alkaline lake with about 300 km2 surface area, inserted in an area of typical Mediterranean climate. During the dry summer season, carbonates are precipitating from the water column. The endogen carbonate accumulation, e.g. aragonite, is expected to hold past climate information. A detailed understanding of the limnological system is required to differentiate site specific signals and responses to climatic forcing.<br /> Geochemical and mineralogical evidence from a continuous composite profile was documented in a decadal to centennial time scale. A novel improved age model shows that the sediment record reaches up to ~ 31.5 ka cal BP. Compositional Data (CoDa) analysis allowed the identification of three groups of elements, and particular elements with distinct geochemical behavior, which indicate specific geochemical processes. Also, CoDa analysis allowed clear geochemical characterization of litho-stratigraphic units.<br /> Grain size measurements were undertaken to determine the energy levels of the physical deposition environment. Detailed grain size analysis allowed amorphous silica to be quantified. From siliciclastic grain size analysis, the ratio coarse silt/clay was identified to be a sensitive indicator to infer changes in the depth of the water column. This ratio was a calibrated to the modern depositional regime.<br /> The endogen carbonate production proved to be a sensitive climatic indicator. Changes in carbonate concentration are timely associated to the inferred fluctuations in water column depth. The aragonite concentrations are most likely related to regional temperature, catchment hydrology and the mixing dynamics of the lake.<br /> The physical mixing dynamics of the lake is reflected in (a) behavior of elements mobile under different oxic/anoxic conditions, and (b) geochemical patterns for carbonate bound elements in hardwater lakes, and (c) stability of various minerals.<br /> This study established the current knowledge of the geochemical evolution of Lake Iznik. It further adds to the understanding of paleoclimate evolution in the Marmara region on a millennial time scale.<br /> From ~31 ka cal BP until the deglaciation at ~18 ka cal BP, Lake Iznik is characterized by low productivity and higher detrital load, in association to a low carbonate accumulation. Thicker epilimnion and lower supersaturation states are inferred in association to a deeper water column. During the last glacial, i.e. from ~ 26 ka cal BP to ~18 ka cal BP, Lake Iznik passes through prolonged stages of incomplete mixing of the water column, whereas the lake level is most likely maintained during that period. In addition, the crystal structure of carbonates reflects mineral instability. At the Last Glacial Maximum (~ 22 ka cal BP) carbonate accumulation in the lake is nearly absent.<br /> During the deglaciation, starting at ~18 ka cal BP, dynamic and pronounced lake level variations occur. A shallow water column is inferred at ~ 16.5 ka calBP, and a possible low stand is identified for the period between ~ 14 and ~ 9 ka cal BP. Generally Marine Isotope Stage (MIS) 1 is marked by increased aragonite concentrations, and enhanced chemical weathering. The terrestric organic load increases gradually, and is accompanied by lake trophic conditions. <br /> Lake Iznik climate event stratigraphy highly correlates with the regional geological record. The endogen carbonate accumulation seems to occur in phase to Northern Hemisphere climate variability, for instance warm interstadials and cold stadials are depicted. In synchrony with Dansgaard-Oeschger interstadials Iznik sediments point to a deep water column, which decreases in time. After a short time lag, geochemistry reacts with increasing aragonite concentrations. In synchrony with Heinrich stadials, the Iznik sediments underwent a short phase of magnesian calcite preservation, after that generally more elevated calcite concentrations prevail. In general the cold phases are associated to a higher input of detrital calcite, likewise during the Younger Dryas cold event (~ 12 ka cal BP).<br /> The early Holocene (from ~ 12 to ~ 9 ka cal BP) is characterized by pronounced summer stratification of the water column and higher epilimnion carbonate supersaturation. Recurrent stages of good lake mixing are accompanying a shallow water column. The middle Holocene is generally more humid, as indicated by enhanced chemical weathering and by two distinct lake level increases. The first of such increases occured at ~ 9.3 ka cal BP and is related to the reconnection of the Black Sea to Mediterranean water ways. This geological event is followed by the settlement of the first farming communities in the Iznik basin. Moreover, at circa 5 ka cal BP a change occurs in delivery of grain size proportions – in relation to what is expected according to the inferred water column depth. This is most likely resulting from anthropic land-use within the basin.

Der alkalische Iznik See ist in der Marmara Region (NW-Türkei), in der ein typisches mediterranes Klima vorherrscht, gelegen. Er besitzt eine Oberfläche von ca. 300 km2. Im See selbst fallen aus der Wassersäule Karbonate hauptsächlich während des Sommers aus, wobei die hydro-geochemischen Bedingungen die Karbonatkonservierung in den Sedimenten begünstigen. Es wird erwartet, dass endogene Karbonate, besonders Aragonit, Informationen über die vergangenen klimatischen Bedingungen speichern. <br /> Die geochemische und mineralogische Zusammensetzung der Sedimente wurde für ein kontinuierliches Kompositprofil untersucht. Ein neu erstelltes Altersmodell zeigt dass dieses Kompositprofil ~31.5 ka der Klimageschichte der Marmara Region aufzeichnet. Somit ergeben die Untersuchungen eine zeitliche Auflösung von zehn bis zu hundert Jahren. Die statistische Analyse der Daten (Compositional Data Analysis, CoDa) identifiziert drei geochemische Hauptgruppen aus Elementen, die hydro-geochemisch ähnlich auf Umweltveränderungen reagieren. Entsprechend konnten die fünf lithostratigraphischen Einheiten auch eindeutig geochemisch erfasst werden und lassen sich im Kontext vergangener Klimazustände interpretieren.<br /> Die siliziklastischen Korngrößenverteilungen der Sedimente deuten das Energieniveau der Ablagerungsbedingungen der Iznik Sedimente an. Besondere Einblicke hierzu liefert das Verhältnis von Grobsilt zu Ton. Der Zusammenhang zur Wassersäulentiefe wurde anhand der rezenten Sedimentation modelliert. Somit konnten die Änderungen der Seetiefe bzw. der Seespiegel für die Vergangenheit rekonstruiert werden.<br /> Die endogene Karbonatausfällung erweist sich als äußerst klimasensitiv. Änderungen in der Karbonatakkumulation zeigen Änderungen in der Mischungsdynamik innerhalb der Wassersäule an, da der vertikale Wasseraustausch sensitiv auf Klimaveränderungen reagiert, was wiederum die Karbonatausfällung im Wasser beeinflusst. Entsprechend spiegelt sich die Dynamik der Seemischung (a) im Verhalten von redox-sensitiven Elementen (oxische versus anoxische Bedingungen), (b) in geochemischen Mustern von Elementen die sich an Karbonate binden, und (c) in der geochemischen Stabilität diverser Minerale wider.<br /> Aus den abgeleiteten Veränderungen der Seespiegelschwankungen und Mischungsdynamik im Iznik-See lassen sich Aussagen über die regionale Klimaentwicklung der Marmara Region gewinnen, da das Klima letztlich das Mischverhalten des Sees maßgebend bestimmt.<br /> Somit war der Iznik See in der Zeitspanne zwischen ~31.5 bis ~18 ka cal BP nur wenig produktiv und nur wenig Karbonate sind in den Sedimenten erhalten. Entsprechend war die Sedimentation zu dieser Zeit durch terrestrischen Eintrag stark geprägt. Während des letzten Glazials (~26 bis ~18 ka cal BP) traten verschiedene Phasen auf, in denen die Wassersäule nur unvollständig durchmischte. Während dieser Zeitspanne variierte die Seetiefe kaum und Karbonate sind geochemisch nur wenig stabil. Somit fehlen Karbonate während des letzten glazialen Maximums (LGM) beinahe vollständig.<br /> Mit Beginn des finalen Rückzugs der Vereisung (~18 ka cal BP) zeigt der Iznik See ausgeprägte Seespiegelschwankungen. Tiefstände finden sich bei ~16.5 ka cal BP und zwischen ~14 und ~9 ka cal BP. Das marine Isotopenstadium 1 (MIS 1) ist im Allgemeinen durch erhöhte Aragoniterhaltung und eine höhere chemische Verwitterung charakterisiert. Der terrestrisch-organische Eintrag erhöht sich graduell und entsprechend nimmt die Trophie des Sees zu.<br /> Die Klima-Eventstratigraphie der Sedimente des Iznik Sees lässt sich gut und eindeutig in den Kontext der regionalen Klimaentwicklung der Marmara Region integrieren. So scheint die endogene Karbonatakkumulation in Phase mit der Klimavariabilität der Nordhemisphäre zu sein. Zudem lassen sich beispielsweise anhand der Karbonatphasen die warmen Interstadiale deutlich von den kälteren Stadialen unterscheiden. Dansgaard-Oeschger-Interstadiale sind in den Iznik Sedimenten durch Aragoniterhaltung gekennzeichnet. Während der Heinrich- Stadiale wird in den Sedimenten für kurze Phasen hoch Mg-Kalzit erhalten. Außerdem, sind im Allgemeinen die kälteren Phasen mit höherem Eintrag von terrestrischem Kalzit verknüpft, so auch während der Jüngeren Dryas (~12 ka cal BP).<br /> Zu Beginn des Holozäns zeigt die Sedimentgeochemie ein gutes Mischverhältnis des Sees an, was mit einer niedrigen Wassersäule einhergeht. Das mittlere Holozän ist generell feuchter, was anhand einer höheren chemischen Verwitterung und zwei ausgeprägten Seespiegelanstiegen zu erkennen ist. Der Erste dieser Anstiege ist zeitgleich mit der ‚Wieder' -Verbindung der Wasserstraße zwischen dem Schwarzen Meer und dem Mittelmeer, um ~9 ka cal BP. Im Anschluss an dieses geologische Ereignis folgte im Einzugsgebiet des Iznik Sees die menschliche Erstbesiedlung die durch Ackerbau gekennzeichnet ist. Ein zweiter ausgeprägte Seespiegelanstieg im Holozän ist bei ~6.5 ka cal BP dokumentiert. Um ~5 ka cal BP ist eine Veränderung der Verhältnisse der Korngrößen zu beobachten die auf anthropogenen Einfluss im Einzugsgebiet in Folge höherer Erosion durch Bodennutzung hindeutet.

O lago Iznik, localizado na região de Marmara (NE, Turquia), possui águas alcalinas, área superficial de cerca 300 km2, e está inserido em uma área de clima tipicamente Mediterrâneo. Durante o verão, carbonatos são precipitados na coluna d'água. Espera-se que a acumulação de carbonatos endógenos, e.g. aragonita, retenha informações sobre o clima do passado. A fim de diferenciar entre sinais específicos do lago e respostas à forçantes climáticas, é necessário um entendimento em detalhe sobre o sistema limnológico.<br /> Registros geoquímicos e mineralógicos foram documentados para um perfil contínuo e composto em escala de tempo decadal a secular. Um novo modelo de idades mostra que o perfil sedimentar alcança até ~31.5 ka cal BP. O uso da análise de dados composicionais (Compositional Data – CoDa) permitiu a identificação de três grupos de elementos que reagem de maneira similar às condições hidrogeoquímcias. O uso da análise CoDa também permitiu a caracterização geoquímica das unidades lito-estratigráficas.<br /> Análises granulométricas foram realizadas a fim de determinar o nível de energia do ambiente físico deposicional. O detalhamento das análises de granulometria permitiu estimar um parâmetro que mede variações relativas da concentração de sílica amorfa. A partir da análise granulométrica siliciclástica, a razão silte coarso/argila foi identificada como indicator sensível para inferir mudanças na profundidade da coluna d'água. Esta razão foi calibrada para o regime deposicional moderno.<br /> A produção de carbonatos endógenos se mostrou um indicator sensível para variações climáticas. Mudanças na concentração de carbonatos estão associadas temporalmente com as mudanças inferidas para a profundidade da coluna d'água. As concentrações de aragonita estão associadas à temperatura regional, hidrologia da bacia e à dinâmica de mistura do lago. A dinâmica dos processos físicos de mistura lacustre se reflete (a) no comportamento de elementos móveis em diferentes condições de oxidação/anoxia, e (b) padrões geoquímicos para elementos ligados à carbonatos em lagos alcalinos, e (c) estabilidade de diversos minerais.<br /> Este estudo estabelece o conhecimento atual sobre a evolução geoquímica do lago Iznik. Além disso, este trabalho é uma contribuição para o entendimento da evolução paleoclimática na região de Marmara em escala temporal milenar.<br /> A partir de ~31 ka cal BP, até a deglaciação em ~18 ka cal BP, o lago Iznik é caracterizado por baixa produtividade e grande aporte terrígeno, em associação com baixa acumulação de carbonatos. Maior profundidade de epilímnio e menores estados de supersaturação podem ser inferidos em conjunto com uma maior profundidade geral da coluna d'água do lago. Durante o último glacial, i.e. de ~26 ka cal BP até ~18 ka cal BP, o lago Iznik passa por prolongados estágios de mistura incompleta da coluna d'água, sendo que o nível do lago provavelmente é mantido durante este período. Em adição, a estrutura cristalina dos carbonatos reflete instabilidade mineral. Durante o último máximo glacial (~22 ka cal BP) a acumulação de carbonatos no lago é praticamente ausente.<br /> Durante a deglaciação, começando em ~18 ka calBP, se inferem variações dinâmicas e pronunciadas do nível do lago. Uma queda do nível de água é inferida em ~ 16.5 ka cal BP, e uma coluna d'água rasa é identificada para o período entre ~14 e ~9 ka cal BP. Em geral, o Estágio isotópico marinho 1 (MIS 1) é marcado por um aumento nas concentrações de aragonita, e intemperismo químico elevado. O aporte orgânico terrígeno aumenta gradualmente, e é acompanhado pelas condições tróficas do lago.<br /> A estratigrafia de eventos climáticos do lago Iznik pode ser claramente correlacionada com o registro geológico regional. A acumulação de carbonatos endógenos ocorre em fase com a variabilidade climática do Hemisfério Norte, por exemplo é possivel diferenciar entre os interstadials quentes e os stadials frios. Em sincronia com os interstadials Dansgaard-Oeshger, os sedimentos do lago Iznik apontam para uma coluna d'água profunda, que descresce com o tempo. Após um curto intervalo de tempo, a geoquímica reage com aumento das concentrações de aragonita. Em sincronia com os stadials Heinrich, os sedimentos do lago Iznik passam por uma curta fase de preservação de calcita magnesiana, após a qual em geral teores mais elevados de calcita prevalecem. Em geral as fases frias estão associadas à maior aporte de calcita detrítica, da mesma maneira durante o evento Younger Dryas (~12 ka cal BP).<br /> O início do Holoceno (de ~12 até ~9 ka cal BP) é caracterizado por pronunciada estratificação da coluna d'água durante o verão e elevada supersaturação do epilímnio. Estágios recorrentes de boas condições de mistura do lago são acompanhados por uma coluna d'água rasa. O Holoceno médio é geralmente mais úmido, como indicado por um aumento do intemperismo químico e por dois aumentos marcantes do nível do lago. O primeiro destes aumentos ocorreu em ~9.3 ka cal BP, e está relacionado à reconexão da via aquática entre os mares Negro e Mediterrâneo. Este evento geológico foi seguido pelo estabelecimento das primeiras comunidades na bacia do lago Iznik. Além disso, em ~5 ka cal BP nas proporções granulométricas do aporte sedimentar se deve ao uso antrópico do solo na bacia.

İznik Gölü Marmara Bölgesinde (KB Türkiye) konumlanmış, tipik olarak Akdeniz iklim kuşagi içerisinde yer alan, 300 km2'lik yüzey alanına sahip bir alkali göldür. Kuru yaz sezonu süresince su kolununda karbonat çökelmektedir. Endojenik karbonat çökelimi (örneğin, aragonit oluşumu), eski iklim hakkında bilgiler barındırır. Limnolojik sistemin iyi bir şekilde anlaşılması için, yöresel, kendine özgü sinyaller ve iklimsel etkiye olan tepkinin ayırt edilmesi gereklidir.<br /> Sürekli, birleşik bir çökel profili boyunca bin yıllık ve yüzyıllık zaman ölçeğinde jeokimyasal ve mineralojik bulgular belgelenmiştir. Yeni geliştirilmiş yaş modeli, sediment kaydının G.Ö. 31.5 bin kalibre edilmiş yıla kadar ulaştığını göstermektedir. Çökel bileşimi (CoDa) analizleri belirgin jeokimyasal süreçleri gösteren farklı jeokimyasal davranıştaki üç element gurubu ve özel elementlerin tanımlanmasını sağlamıştır. Ayrıca, CoDa analizleri litostratigrafik birimlerin anlaşılır jeokimyasal tanımlamasını sağlamıştır.<br /> Tane boyu analizleri çökelme ortamının fiziksel enerji düzeyinin saptanması için yürütülmüştür. Detaylı tane boyu analizleri amorf silika miktarının belirlenmesini sağlamıştır. Silisiklastik tane boyu analizlerinden elde edilen iri silt/kil oranınin su sütunu derinliğindeki değişimlerin anlaşılması için hassas bir gösterge oldugu saptanmistir. Bu oran güncel çökelme ortamlarına göre kalibre edilmiştir.<br /> Endojen karbonat üretiminin hassas iklim göstergesi olduğu kanıtlanmıştır. Karbonat bileşimindeki değişimler, su sütunu derinliğindeki salınımların zamana bağlı değişimleri ile ilişkilidir. Aragonit konsantrasyonu büyük olasılıkla yersel sıcaklık, havza hidrolojisi ve gölün karışım dinamiği ile ilgilidir.<br /> Gölün fiziksel karışım dinamiği; (a) oksik/anoksik şartlar altında hareketli elementlerin davranışını, ve (b) sert sulu göllerde karbonat oluşturan elementlerin jeokimyasal motiflerini, ve (c) çeşitli minerallerin duraylılığını yansıtmaktadır.<br /> Bu çalışma İznik Gölü'nün jeokimyasal evrimi ile ilgili güncel bilgilere ulaşmamızı ve ayrıca, Marmara bölgesinin bin yıl zaman ölçeğindeki eski iklimsel evriminin anlaşılmasını sağlamıştır.<br /> G.Ö. ~31 – ~18 bin yıllari arasinda, İznik Gölü düşük karbonat birikimi ile ilişkili olarak düşük üretkenlik ve yüksek detritik girdi ile karakterize edilir. Kalın epilimnion ve daha düşük doygunluk hali daha derin su kolonu ile ilişkilidir. Son buzul döneminde, örneğin G.Ö. ~26 – ~18 bin yıl, İznik Gölü uzunyarı-karışım dönemleri geçirirken, göl seviyesi muhtemelen buzul döneminin büyük bir kısmında değişmeden kalmıştır. Buna ilaveten, karbonatların kristal yapıları mineral duraysızlığını göstermektedir. Son Maksimum Buzul döneminde (G.Ö. ~22 bin yil) gölde karbonat birikimi neredeyse yoktur.<br /> G.Ö. ~18 bin yılında başlayan buzul erime döneminde, dinamik ve belirgin göl seviyesi değişimi yaşanır. Sığ su derinliği, G.Ö. ~16.5 bin yılında ortaya çıkar. G.Ö. ~14 – ~9 bin yılları arasındaki dönemde, düşük su seviyesi tespit edilmiştir. Genel olarak 1. Denizel İzotop Dönemi (MIS) hızlanan kimyasal ayrışma ve aragonit konsantrasyonu ile belirgindir. Gölün trofik şartlarına uyumlu olarak karasal organik girdi kademeli olarak artar.<br /> İznik Gölü'nün iklimsel olaylara bağlı stratigrafisi bölgesel jeoloji kayıtları ile büyük bir oranda örtüşmektedir. Endojen karbonat birikiminin Kuzey Yarım Küre iklim değişimi ile uyumlu olarak gerçekleştiği gözlenmekte, örneğin sıcak buzullararası ve soğuk buzullaşmalar tanımlanmaktadır. Dansgaard-Oeschger ısınmaları ile uyumlu olarak İznik çökelleri zaman içinde azalan derin su kolonuna işaret eder. Kısa bir zamansal gecikmeden sonra artan aragonit konsantrasyonu ile jeokimyasal tepkiyi gösterir. Heinrich soğumaları ile uyumlu olarak, İznik çökelleri kısa bir mağnezyum kalsit korunmasına maruz kalır, daha sonra genellikle daha yüksek konsantrasyonda kalsit yaygınlaşır. Genç Dryas soğuk olayında (G.Ö. ~12 bin yıl) olduğu gibi genel olarak soğuk evreler daha yüksek detritik kalsit girdisi ile bağdaştırılırlar.<br /> Erken Holosen (G.Ö. ~12 – ~9 bin yil) bariz yaz tabakalanması ve daha yüksek epilimnion karbonat doygunluğu ile temsil edilir. Tekrarlayan iyi göl karışımı evreleri sığ su kolonu ile birlikte gelişir. Orta Holosen artan kimyasal ayrışma ve iki ayrı göl seviyesi yükselimi ile belirtildiği gibi genellikle daha fazla nemlidir. Bunun gibi ilk evre yaklaşık G.Ö. ~9.3 bin yılında meydana gelir ve bu Karadeniz'in Akdeniz ile su geçişinin sağlanması ile ilgilidir. Bu jeolojik olayı, İznik havzasında ilk tarım topluluğunun yerleşmesi takip eder. Bunun dışında yaklaşık G.Ö. ~5 bin yılında, su kolonu derinliğine bağlı tane boyu oranlarında beklenen bir değişim meydana gelir. Bu değişim büyük olasılıkla havza içinde antropojenik arazi kullanımından kaynaklanmıştır.