Hydrological and climate variability in the northern Neotropics during the Late Quaternary
Lake Petén Itzá preserves a sedimentary record spanning the last 413 ka BP, offering insights into past climate and environmental changes of lowland Central America. This record is crucial for understanding past climate changes in the region due to its extensive temporal coverage and the lake’s position at the convergence of various climate drivers, such as the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) and the Caribbean Low-Level Jet (CLLJ). The lake also holds significant cultural, environmental, and ecological value, but currently is highly vulnerable to climate change. In 2006, the International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) drilled seven cores at different lake locations, whose variability in length and temporal coverage provide a comprehensive dataset for analyzing paleoclimate data across different timescales. This doctoral dissertation investigates the hydroclimate response of lowland Central America using Lake Petén Itzá sediments combined with inorganic (XRF data) and organic (bulk-geochemical, Rock-Eval, and biomarker data) proxies and supported by pollen and mineralogy data, to understand environmental changes and their potential climate drivers across geological time. Firstly, a new chronology established for the oldest sediments allowed us to detect glacial-interglacial cycles corresponding to Marine Isotope Stages (MIS) 11 to 5 (413-70 ka BP). Our data suggest a clear response of wet environments during the warm periods of MIS11 and MIS9 and dry conditions during MIS10, both influenced by the latitudinal migration of the ITCZ and the CLLJ. A hiatus between 304 and 147 ka BP indicates the absence of sediments deposited during MIS8, MIS7, and the beginning of MIS6. After 147 ka BP, wet conditions with high lake levels and Pinus and Quercus forests were reconstructed for the end of MIS6, linked to moisture input from cold fronts originating in higher latitudes. During MIS5 and part of MIS4 (130-70 ka BP), an increase in Moraceae and relatively dry environments marked the beginning of the penultimate interglacial, characterized by potential millennial-scale moisture variability. Secondly, this doctoral work focused on the MIS3 to MIS2 (59-15 ka BP) to analyze millennial-scale hydroclimate variations associated with Dansgaard-Oeschger (D-O) and Heinrich Stadials (HS). During the cold phases of the D-O (Greenland Stadials; GS), the environment was dominated by dry conditions, which intensified during the HS, aligning with high fire activity and previous temperature reductions of 5 to 10°C compared to the present. Conversely, during the warm phases of the D-O (Greenland Interstadials; GI), the environment experienced wet conditions, low evaporation, and anoxic bottom waters. In this study, we propose that the ITCZ had a greater influence on millennial-scale precipitation variations in lowland Central America, while the CLLJ more significantly affected precipitation on orbital scales, causing reduced rainfall during the Last Glacial Maximum (LGM). Thirdly, the first comprehensive record of organic matter content and lipid-based temperature over the late Pleistocene to Holocene (last 27 kyr) is presented, detailing changes in primary productivity and the influence of lake level variations and runoff on Lake Petén Itzá. Enhanced aquatic primary productivity is observed during humid periods like the LGM and Early Holocene, while dry periods such as HS1 and the Younger Dryas show low organic matter content dominated by terrestrial sources. Human settlement led to increased aquatic productivity around 3 ka ago. Additionally, temperature reconstructions using the MBT’5Me lipid paleothermometer suggest average temperatures of 20.8°C during the LGM and 25.4°C during the warmest Early Holocene peak with a deglacial temperature increase by 4°C. Finally, an extensive review of 155 paleoclimate sites in the northern Neotropics was conducted for the first time to understand the role of different climate drivers and the response of various regions from MIS11 to LGM. This review highlights the importance of obtaining more continental records from MIS11 to MIS6, as well as the complexity of the interaction of different climate drivers from MIS5 to LGM. It also emphasizes the high regionalization in environmental responses, potentially influenced by the continentality and altitude of the records. This work significantly advances the understanding of Lake Petén Itzá’s climate history and its broader implications for the northern Neotropics, laying a foundation for future paleoclimate studies in the region.
Der Petén Itzá See in Mittelamerika enthält sedimentäre Aufzeichnungen über die letzten 413 ka BP und bietet Einblicke in vergangene Klima- und Umweltveränderungen. Diese Aufzeichnungen sind entscheidend für das Verständnis vergangener Klimaveränderungen in der Region aufgrund ihrer umfangreichen zeitlichen Abdeckung und der Lage des Sees an der Konvergenz verschiedener Klimaeinflüsse, wie der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) und dem Caribbean Low-Level Jet (CLLJ). Der See hat zudem einen erheblichen kulturellen, Umwelt- und ökologischen Wert, der jedoch durch den aktuellen Klimawandel gefährdet ist. Im Jahr 2006 bohrte das International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) sieben Kerne an verschiedenen Stellen des Sees, deren Längen- und Zeitabdeckungsvarianten einen umfassenden Datensatz für die Analyse von Paläoklimadaten über verschiedene Zeitskalen hinweg bieten. Diese Doktorarbeit untersucht die hydroklimatische Variation Mittelamerikas mit Hilfe von Sedimenten des Petén Itzá Sees und anorganischen (XRF-Daten) und organischen (bulk-geochemsiche, Rock-Eval, Biomarkerdaten) geochemischen Werkzeugen, unterstützt durch weitere Proxydaten wie Pollen und mineralogische Zusammensetzung, um Umweltveränderungen und ihre klimatischen Treiber über geologische Zeiträume zu verstehen. Erstens ermöglichte eine neue Chronologie für die ältesten Sedimente die Identifizierung glazial-interglazialer Zyklen, die den marinen Isotopenstufen (MIS) 11 bis 5 (413-70 ka BP) entsprechen. Unsere Daten legen nahe, dass während der warmen Perioden von MIS11 und MIS9 humide Bedingungen und während MIS10 trockene Bedingungen vorherrschten, die beide durch die latitudinale Bewegung der ITCZ und des CLLJ beeinflusst wurden. Ein Hiatus zwischen 304 und 147 ka BP deutet auf das Fehlen von Sedimenten hin, die während MIS8, MIS7 und zu Beginn von MIS6 abgelagert wurden. Nach 147 ka BP existierten feuchte Bedingungen mit hohen Seespiegeln und Pinus- und Quercus-Wäldern gegen Ende des MIS6, was mit Feuchtigkeitseingängen von Kaltfronten aus höheren Breitengraden zusammenhing. Während MIS5 und einem Teil von MIS4 markierte ein Anstieg von Moraceae und relativ trockene Umgebungen den Beginn des vorletzten Interglazials. Zwischen MIS3 und MIS2 (59-15 ka BP) war der See durch tausendjährige hydroklimatische Variationen im Zusammenhang mit Dansgaard-Oeschger-Ereignissen (D-O) und Heinrich-Stadialen (HS) gekennzeichnet. Während der Kaltphasen des D-O (Greenland Stadials; GS) dominierten trockene Bedingungen, die sich während der HS verstärkten und mit einer hohen Feueraktivität und rekonstruierten Temperaturen von 5 bis 10°C, verglichen zur Gegenwart, einher gingen. Während der Warmphasen des D-O (Greenland Interstadials; GI) herrschten feuchte Bedingungen, geringe Verdunstung und anoxische Bodenwässer vor. Basierend auf unserem Datensatz hat die ITCZ einen größeren Einfluss auf Niederschlagsvariationen in Mittelamerika auf einem Jahrtausendmaßstab hat, während der CLLJ den Niederschlag auf orbitalen Skalen stärker beeinflusste, was zu reduziertem Niederschlag während des letzten glazialen Maximums (LGM) führte. Drittens wird der erste umfassende Datensatz zum organischen Gehalt und zu lipidbasierten Temperatur vom späten Pleistozän und Holozän (letzte 27 kyr) präsentiert, der Veränderungen in der Primärproduktivität und den Einfluss von Schwankungen des Seespiegels, Abfluss und menschlicher Aktivitäten auf den Petén Itzá-See aufzeigt. Eine erhöhte aquatische Primärproduktion tritt während humider Perioden, wie dem LGM und dem frühen Holozän auf, während trockene Perioden wie HS1 und die Jüngere Dryas einen niedrigen organischen Gehalt aufweisen, der von terrestrischen Quellen dominiert wird. Die menschlichen Siedlungen vor etwa 3 kyr führten zu einer erhöhten aquatischen Primärproduktion. Darüber hinaus weisen Temperaturrekonstruktionen mit Hilfe des MBT‘5Me Lipidpaläothermometers durchschnittliche Temperaturen von 20,8°C während des LGM und 25,4°C während des wärmsten Höhepunkts des frühen Holozäns hin. Abschließend wurde erstmals eine umfassende Analyse von 155 paläoklimatischen Archiven in den nördlichen Neotropen durchgeführt, um die Rolle klimatischer Faktoren in der Region vom MIS11 bis zum LGM zu verstehen. Die Analyse dieser Archive hebt die Bedeutung der Beschaffung weiterer kontinentaler Proben von MIS11 bis MIS6 sowie die Komplexität der Interaktion klimatischer Faktoren von MIS5 bis LGM hervor. Sie weist auch auf die hohe Heterogenität in den Umweltreaktionen hin, die potenziell durch die Kontinentalität und die Höhenlage der Archive beeinflusst wird. Diese Arbeit trägt wesentlich zum Verständnis der Klimageschichte des Petén Itzá Sees und ihrer Auswirkung auf die nördlichen Neotropen bei. Damit legt sie einen wichtigen Grundstein für zukünftige paläoklimatische Studien in der Region.
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