Late holocene high resolution multi-proxy climate and environmental records from Lake Van, Eastern Turkey

Abstract

Lake Van is the largest alkaline lake in the world characterized by varved sediments. It is located in eastern Anatolian plateau of Turkey. This study highlights the use of a multi-proxy approach toward understanding paleoenvironmental changes and sedimentation processes in Lake Van. We specifically focuse on climate records of the last 3500 years at centennial resolution. Compare the results with other studies in Anatolia, Near East and Europe.This study uses multi-proxy analyses of four interface sediment cores from different parts of the Lake. The multi-proxy data include ostracod counts, µ-XRF elemental, total organic (TOC) and inorganic carbon, C-N elemental and stable isotopes. For the age model of the core, we use radionuclide (210Pb and 137Cs) analysis and varve counting. Accelerator Mass Spectrometry (AMS) 14C dates from total organic carbon (TOC) indicates large differences with the corresponding varve ages, suggesting significant reservoir ages, which range from 1.2 to 3.8 ka BP. Double energetic window method by LSC which relies on the direct determination of 210Pb without waiting for the in growth of 210Po from 210Pb was used to construct the past environmental conditions of Lake Van in eastern Turkey. The results show that the sedimentation rate varies significantly among the four study sites, ranging between 0.3 and 0.7 mm.year-1.Varve counting of annually laminated sediments of Lake Van using digital X-ray radiographic images provided another means of dating the cores. Our study shows that varve counting method detects and counts fine-scale laminae, and produces robust varve ages that are comparable with independently determined 210Pb and 137Cs ages for the upper part of the core.All multi-proxy parameters including ostracods population, C/N ratio, stable isotope values, organic matter, Ti/Ca ratio showed 16 consistent periods varying between 100 and 350 years corresponding to alternation of cold/dry and warm/wet periods during the last 3500 years. The Lake Van climate records are conformable with the Lake Nar and the Sofular speleothem records as well as the European historical climate periods including Roman Warm Period (RWP), Dark Age Cold Period (DACP), Medieval Warm Period (MWP) and Little Ice Age (LIA), indicating teleconnections with the North Atlantic system. μ-XRF heavy metal profiles along the Lake Van cores show antropogenic inputs since 1960s. A significant increase occurred in metals such as Zn, Pb, Ni, and Co in the last 30-60 years in Lake Van cores. Especially increases in Zn and Pb in the upper parts of the cores indicate that important agricultural and industrial pollution began in the 1960s.

Doğu Anadolu Yüksek Platosu'nda yer alan Van Gölü, 607 km3 hacmi ve 3,570 km2 lik alanı ile dünyanın en büyük 4. kapalı gölü ve en büyük soda gölüdür. Derinliği 460 m ve su seviyesi deniz seviyesinden 1648 m yükseklikte olan gölün suları, yüksek pH değeri (9.8) ve %24'luk tuzluluk oranına sahiptir. Gölün yıllık lamina (varv) yapılı çökel istifi, bölgede yüksek çözünürlüklü iklim ve çevresel değişimlerin arşivini oluşturmaktadır. Bu tez kapsamında, Van Gölü'nde çökel karotlarında özellikle son 3500 yıldaki iklimsel ve çevresel değişim kayıtları incelenmiştir. Çalışmadan elde edilen iklim kayıtları; Anadolu, Yakın Doğu ve Avrupa'dan elde edilmiş kayıtlarla karşılaştırılarak tartışılmıştır.Tez çalışması, Van Gölü'nün farklı bölgelerinden alınan ve uzunlukları 0.75 ile 1.30 m arasında değişen toplam dört karotta değişik kimyasal ve fiziksel analizler ile yapılmıştır. Çok Sensörlü karot tarayıcısı (Multi Sensor Core Logger, MSCL) ile 5 mm çözünürlükte manyetik duyarlılık, yoğunluk ve porozite ölçümleri yapılmış, µ-XRF karot tarayıcısı ile 0.5 mm çözünürlükle 15 element taranmıştır. Sediment örnekleri 0.5-1 cm aralıklarla örneklenerek toplam inorganik (TIC) ve toplam organik karbon (TOC) analizleri yapılmıştır. 0.5-1 cm aralıkla sediment örnekleri 63 μm elek kullanılarak yıkanıp elenmiş elek-üstü malzemede binoküler mikroskop altında ostrakod tanımları yapılmıştır. En uzun çökel karotu boyunca sürekliliği olan ostrakod çeşidi ve sayıları belirlenerek kavkıları toplanmış ve kavkı ve çökel örneklerinin toplam (bulk) karbonat fraksiyonunda duraylı oksijen ve karbon analizleri yapılmıştır. Ayrıca karotun çökel örneklerinin organik madde fraksiyonunda elementel C ve N analizleri yapılmıştır.Van Gölü sediment karotlarının kronostratigrafisi için değişik yöntemler kullanılmıştır. Kronostratigrafinin ana yöntemleri 210Pb radyoizotopik tarihlendirme ve varve sayımı olmakla birlikte; bu iki yönteme ek olarak 137Cs tarihlendirme ve tefrakronoloji yöntemleri de kullanılmıştır. Ayrıca, yüksek TOC değerleri içeren seviyelerde organik karbondan elde edilen AMS radyokarbon yaşları, varve yaşları ile karşılaştırıldığında gölün 1.2 ile 3.8 bin yıl arasında değişen 14C rezervuar yaşına sahip olduğu saptanmıştır.210Pb analizleri Sıvı Sintilasyon Sayım Sistemi kullanılarak Çift Enerji Pencere Yöntemi (Double Energetic Window Method) ile gerçekleştirilmiştir. Bu yöntem 210Pb izotopunun 17 keV'lik β enerjisini kullanmaktadır. Yöntemin en büyük avantajı örneklerin alınır alınmaz analiz edilebilmesidir. 210Pb tarihlendirme, 210Pb'un kız radyoizotopu olan 210Po'un 5.30 MeV'deki alfa enerjisinden yararlanılarak da yapılabilmektedir. Ancak bu çalışmada kullanılan yöntemden farklı olarak, çevreden gelen ve sediment örneklerinin içinde olması beklenen 210Po radyoizotoplarının 210Pb radyoizotopları ile dengeye gelmesi için en az 5 yarı ömür (yaklaşık 2 yıl) beklemek gerekmektedir. CRS (Constant Rate of Supply) modeli ile yapılan tarihlendirme sonuçlarına göre Van Gölü'nün sedimanlarının sedimantasyon hızı gölün değişik karotlarında 0.3 ile 0.7 mm.yıl-1 arasında, kütle birikim hızları ise 0.3-0.60 kg.m-2.yıl-1 değerleri arasında değişmektedir. Sedimantasyon ve kütle birikim hızlarındaki bu değişkenlik, gölün değişik noktalarındaki farklı sediment akılarına bağlıdır. Sediment akılarındaki bu farklılıklar, gölün topografyasındaki farklılıklara, göl yatağı litolojisine, farklı bölgelerdeki drenaj özelliklerine ve ayrıca bölgeye göre değişim gösteren antropojenik aktivitelere bağlı olarak açıklanabilmektedir. Bir fizyon ürünü olan 137Cs izotopunun çökel karotları boyunca aktivite dağılımları HpGe Gama Sayım Sistemi ile 671 keV'deki gama enerjisi kullanılarak incelenmiş ve 1950-1963 yıllarındaki nükleer silah denemeleri sonucunda ve 1986 yılında meydana gelen Çernobil Nükleer santral kazası sonucu çevreye yayılan 137Cs radyoizotopunun varlığı tespit edilmiştir. Van Gölü sediment karotlarının yaşlandırılması için kullanılan ana yöntemlerden biri olan varv sayımı, bir algoritma ile yıllık laminalı (varv) yapıdaki karotların sayısal X-ışını radyografi görüntülerinden yapılır. Bu çalışmada kullanılan varv sayım yöntemi ile elde edilen yaş verileri, karotların 7.5 cm lik üst kısımları için (100-150 yıl) radyoizotopik (210Pb ve 137Cs) tarihlendirme yöntemlerinden elde edilen yaş verileri ile büyük bir uyum içerisindedir. Bu uyum göz önüne alınarak karotların yaş-derinlik modelleri varv sayım yöntemi kullanılarak yapılmış ve böylece radyoizotopik yöntem ile 100-150 yıla kadar yaşlandırılabilen çökel karot istifleri uzunluklarına bağlı olarak 3500 yıla kadar yaşlandırılmıştır.Geç Holosen süresince, Van Gölü çökel istifinde karbonatlardaki düşük oksijen-izotop değerleri, kış yağışının (kar) etkisinin bir sonucu olarak değerlendirilmektedir. Dağlara doğru yönelen nemi engelleyen yerel yaz doğulu rüzgarlarının erken oluşması ile meydana gelen `klasik` Akdeniz ikliminin, bölgede artan kış yağışlarının sebebi olduğu düşünülmektedir.Ostrakod sayıları, C/N oranı, duraylı izotop değerleri, TOC-TIC değerleri ve Ti/Ca oranı gibi tüm çoklu belirteç (multi-proxy) verileri değerlendirilerek son 3500 yıldaki soğuk/kurak ve ılık/yağışlı dönemlerin değişimleri incelenmiştir. Tüm bu parametrelerin birlikte değerlendirilmesi sonucu söz konusu zaman aralığında 16 adet ardışık soğuk/kurak ve ılık/yağışlı dönem tespit edilmiş olup, bu dönemlerin uzunluğu 100 yıl ile 350 yıl arasında değişim göstermektedir. Günümüzden önce 3500-3300, 2900-2600, 2400-1800, 1600-1450, 1350-1050, 770-600, 500-350 ve 200-0 yılları arasında soğuk/kurak dönemlerin hakim olduğu öte yandan günümüzden önce 3300-2900, 2600-2400, 2300-2100, 1800-1600, 1400-1350, 1050-770, 600-500 ve 350-200 yılları arasında sıcak/yağışlı dönemlerin hüküm sürdüğü sonucuna varılmıştır.Bu çalışmada elde edilen veriler ışığında Van Gölü iklim kayıtlarının özellikle Kuzey Atlantik iklim sistemi ile uyumluluğunu doğrulayan Roma Ilık Dönemi (RWP), Karanlık Çağ Soğuk Dönemi (DACP), Ortaçağ Ilık Dönemi (MWP) ve Küçük Buz Çağı dönemlerini içeren son 1800 yıllık verilerinin Nar Gölü (Orta Anadolu) çökel ve Sofular Mağarası (Kuzeybatı Anadolu) stalagmit kayıtları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Bölgesel ölçekte, Van Gölü kayıtları İran'da bulunan Zeribar ve Mirabad göllerine ait düşük çözünürlüklü sediment ve İsrail'de bulunan Soreq Mağarası kayıtları ile de uyumludur.Van Gölü çökel karotları boyunca elde edilen µ-XRF ağır metal profilleri 1960'lardan bu yana göle olan antropojenik girdileri göstermektedir. Van Gölü bölgesinde son 30-60 yılda Zn, Pb, Ni ve Co metallerinin önemli ölçüde arttığı saptanmıştır. Özellikle karotların üst kısımlarında çok belirgin olarak gözüken Zn ve Pb zenginleşmesi 1960 yıllarında başlayan önemli tarımsal ve endüstriyel kirlenmenin bir göstergesidir. µ-XRF sayım sonuçları göz önünde bulundurularak dört karottaki ağır metal konsantrasyonları karşılaştırıldığında Gölde Van Şehri'nin batısından alınan karotta en yüksek ağır metal değerleri karotun üst kısımlarında görülmüştür. Bu sonuç ağır metallerin ana kaynağının antropojenik kirlenme olduğunu güçlü bir şekilde göstermektedir. Son 60 yılı temsil eden, karotların üst kısımlarındaki metal birikimi Van'ın şehirleşme ve endüstrileşmesinin 1960'dan sonra daha hızlandığını doğrulamaktadır. Bu hızlanma Van Gölü kıyılarının her iki yakasınında kara yolu ulaşımına açılmasının bir sonucudur. 1960'lardan itibaren sulama, hasat gibi tarımsal işlemlerde kullanılan tarım makineleri ve trafikteki araç sayısı artmıştır. Bu da araçlarda kullanılan yakıtın içeriğinde bulunan Pb salınımını artırmıştır. Bu salınım artışının sonuçları çalışılan karotlarda belirgin Pb anomalisinin gözlenmesine neden olmuştur. 2000'li yıllarda kurşunsuz yakıtın kullanılmaya başlamasıyla bu anomali değişerek doğal seviyelere gelmiştir. Öte yandan tarımsal faaliyetlerde kullanılan gübrenin içeriğinde bulunan Zn, direkt olarak ya da nehirler aracılığıyla metal kirliliğine katkıda bulunmuştur. Ayrıca genel olarak yollarda artan trafik metal kirliliğinin önemli sebeplerindendir.