Depositional conditions of the holocene sapropel in the Black Sea

Abstract

ÖZET Tezin amacı, Karadeniz'e Akdeniz sularının girmesinden sonra orta Holosen'de oluşan sapropel biriminin çökeldiği su sütunu koşullarım ve organik üretimi inorganik jeokimyasal ve paleontolojik yöntemlerle belirlemektir. Karadeniz'de ikisi batıdan (BS 9&BS 15) ve ikisi doğudan (BS 23 (2)& 46) olmak üzere 4 karot çalışılmıştır. Bu karotlar iki sedimanter birim içerirler. Bu kokolit ve sapropel birimi sırasıyla günümüzden son 3000 ve 7000-3000 yıl önce çökelmiştir. Çalışılan karotlar sapropel biriminin çökelme koşullan ile ilgili olarak önemli sonuçlar vermiştir. İlk olarak kokolit laminalı birimde yüksek toplam karbonat değerleri bu birimdeki kokolit laminalan oluşturan Emiliania huxleyi kalsitik kokolit konsantrasyonlanmn yüksek olması nedeniyledir. Bu laminalar ışık yoğunluğu ve sıcaklığın büyüme için en elverişli olduğu yıllık yaz plankton panamalarının ürünüdür. Karbonata benzer şekilde, Ca ve Sr profilleri biyojenik akıyı gösterir ve kokolit biriminde yüksek değerler göstermiştir. Kokolit biriminde batı Karadeniz havzasında doğu havzasına göre daha yüksek Sr/Al değerleri izlenmiştir. Bu batı havzasında daha çok biyojenik karbonat akıyı ve kısmen düşük detrital girdiyi göstermektedir. Karadeniz sedimentlerinin diğer önemli bileşeni nehirler yoluyla taşman organik madde ve detrital minerallerdir. Kokolit biriminde K, Na, Mg, Rb, Cr, Ti, Zr gibi litofil elementlerin zenginleşmesi mineralojik bileşim ve detrital tane büyüklüğü akısı ile uyumludur. Bu metallerle birlikte antropojenik kökenli ağır metallerin (Cu, Zn, Pb, Sb and As) karotlann üst birkaç cm.'sinde hızlı artışı son birkaç yüzyıldaki antopojenik etkinlikle ilgilidir. Farklı karotlardaki zenginleşmelerin başladığı derinliklerdeki farklılıklar, farklı karot alanlarındaki farklı sedimantasyon hızlan nedeniyledir. Buna gore sedimantasyon hızının sırası Core BS 9>BS 15> BS 23 (2) şeklindedir. Karadeniz sedimentleri içinde organic üretimi gösteren Ba/Al oram karot BS15 te sapropel biriminde en yüksektir. Bunu Core BS 23 (2) ve Core 46 izlemektedir. Aynı sıra adı geçen karotlarda kokolit biriminde de izlenmiştir. Bu sıraya göre gerek sapropel ve gerekse kokolit çökelimi sırasında batı havzada doğu havzaya göre daha yüksek organik üretim gerçekleşmiştir. Karadeniz karotlannda sapropel biriminde Ba, Mo, Ni ve V ile organik karbon arasında kuvvetli korelasyon görülmüştür. Bu kuvvetli korelasyonlar adı geçen metallerin organik madde ile ilişkisini göstermektedir..Karotun üst birkaç cm. 'sinde Baryumun hızla artışı Karadeniz' de yakın zamandaki aşın organik üretimin(ötrifikasyon) önemli göstergesidir Mn ve Fe gibi redoksa duyarlı elementlerin Karadeniz sapropeli içinde ve üzerinde hem doğu hemde batı Karadeniz havzasında zenginleşme göstermemesi sapropel biriminin oksijensiz (anokzik) dip suyu koşullan altında çökeldiğini kuvvetle desteklemektedir. Karadeniz sapropeli içinde kalkofîl element (Fe, Cu, Zn, Cd, Ni, Sb,As ve S) zenginleşmesi bu sonucu desteklemektedir. Fe, Co, As ve S arasındaki yüksek korelasyon katsayılan, bu metallerin sapropel biriminde sülfid fazında bulunduğunu göstermektedir. Sapropel biriminde çok yüksek Mo, Ni, V değerleri Core BS 15 ve BS 23 (2) de gözlemlenmektedir. Bu metaller büyük olasılıkla hem organik maddenin yapısında hemde sülfid fazında konsantre olmuştur. xı

SUMMARY The objective of this thesis is to investigate the water column oxygen and organic productivity conditions during the deposition of the Black Sea sapropel, using inorganic geochemical, paleontological and sedimentological methods. Four cores were studied from Black sea basin two each from western (Core BS 9& BS 15) and eastern basins (Core BS 23 (2)&46). These cores include two sedimentary units. These units were deposited during the last 3000 and 7000-3000 yr BP, respectively from top to base are a laminated coccolith unit and organic rich sapropel. These studied cores give important results concerning the depositional conditions of the two stratigraphic units. Firstly, the high values of total carbonate content is a result of high concentrations of calcite coccoliths of Emiliania huxleyi forming coccolith laminae in this unit. This laminae are the product of annual summer plankton blooms when the light intensity and temperature are optimal for a maximum growth..Secondly, the Carbonate, Ca/Al and Sr/Al profiles also shows biogenic input and elevated values in the coccolith unit. The higher values of Sr/Al in the coccolith unit in the western basin than those in the eastern basin indicate that there are greater biogenic carbonate flux and relatively low detrital input in the former basin compared to the latter basin. Another important component of the Black Sea sediments is the detrital mineral and organic matter which have been transported to the basin via the rivers. The mineralogical composition and grain size of detrital input is consistent with the enrichment of lithophile elements, such as K, Na, Mg, Rb, Cr, Ti and Zr in coccolith unit. These metals, together with sharp increases in heavy metals of anthropogenic origin (Cu, Zn, Pb, Sb and As), in the top few cm of the cores are due to anthropogenic activity in the last few hundred years. The differences in the depth of the onset of the enrichment in different cores are because of different sedimentation rates at the different core sites. The sequence of this depth distribution indicate that the sedimentation rate is in the order of Core BS 9 > Core BS 1 5 > Core BS 23(2). The trends of Ba/Al profiles are generally conformable with those of Corg profiles in the studied cores, indicating the proxy character of this ratio for organic productivity in the Black Sea sediments. Ba/Al ratio is the highest in the sapropel unit in Core BS 15, followed by Core BS 23(2) and Core 46. These trends suggest that the organic productivity was higher in the western basin than in the eastern basin during the sapropel deposition. vmHigh Ba, Mo, P, Ni and V show strong correlation between each other in organic- rich sediments. In the coccolith unit, Ba/Al ratio increases in the order Core 46 < BS 23(2) < BS 9 < BS15, again suggesting higher organic productivity in the western Black Sea basin compared to the eastern Black Sea basin during the last 3000 years. The sharp enrichment of Ba in the few cm-thick core tops is an important indicator of the recent eutrophication of the Black Sea. The enrichments of Redox sensitive elements such as Mn and Fe in and above the Black Sea sapropel are not observed in both the eastern and western Black Sea basins strongly suggesting that the sapropel unit was deposited under anoxic water conditions. The enrichment chalcophile (Pb, Cu, Zn, Cd, Ni, As, S and Sb) elements in the Black Sea sapropel in studied cores also strongly suggests that this layer was deposited under anoxic bottom waters. High correlation coefficients between Fe, Co, As and S support close relationship of these metals with sulphide phases in the sapropel unit. The elevated values of Mo, Ni and V are observed in sapropel unit in Core BS 15, BS 23 (2) and 46.These metals are probably concentrated in both the organic and sulphide fractions. IX