Development and application of analytical methods for boron isotope proxy: paleoceanographic interpretation of Paleozoic and Cenozoic carbonates

Abstract

Boron isotopes of marine carbonate (CaCO3) are known as an indicator of pH and CO2 content in past seawater. This thesis aims to improve understanding the boron isotope method through research in past marine carbonates (e.g., Cenozoic foraminifera and Paleozoic carbonate rocks). This thesis consists of three chapters that deal with pH-dependant fractionation of boron isotopes (Chapter 1) and reconstructed pH and pCO2 records in paleoceanographic case studies (Chapters 2 and 3). In Chapter 2, multiple planktic foraminiferal species were separated and cleaned from the sediment core NPGM/P 1302-1B (32° 16′ N, 158° 13′ E, 2514 m water depth), located on Shatsky Rise in the western North Pacific(WNP), to examine the oceanic pCO2 at the time scale of last glacial maximum (LGM; 24 – 18 ka), Heinrich stadial-1 (HS1; 18 – 15 ka), Bolling-Allerod (B/A; 15 – 12.8 ka), Younger Dryas (YD; 12.8 – 11.5 ka). The new WNP δ11B, pH, and pCO2 records for the 4 – 23 kyr reveal distinct CO2 degassing patterns in the LGM-to-HS1 transition period (19.7 – 17.5 ka), the middle HS1 (16 – 17 ka), and the early YD. The new ΔpCO2 data of the WNP was compared by other Pacific core studies (North, West equatorial, East equatorial Pacific) in the last deglaciation. WNP shows similarities in the ΔpCO2 of East equatorial Pacific (EEP) and the North Pacific (NP) up to LGM and middle HS1, YD in the Pacific compilation. These changes can be explained by the relationships between surface-intermediate currents in the Northern Hemisphere Pacific, especially during rapid atmospheric CO2 rise. In Chapter 3, boron isotope extraction and analysis from carbonate rock were experimentally applied to the lower Paleozoic stratigraphy in the Taebaek group, Joseon Supergroup of the Korean Peninsula. This study tested which dissolution method was effective on carbonate rock samples with different insoluble residue contents. As a result, we found the acid concentration range and reaction time to minimize contamination by clay minerals. This new pretreatment method reconstructed the new δ 11B record from 25 carbonate rock samples of middle Drriwillian isotopic carbon excursion (MDICE) in the Middle Ordovician. The new δ11Bbulk data compared by global δ11B in the literature of Ordovician seawater and δ13C chemostratigraphy in updated biostratigraphy. These results support the hypothetic relationship between the oceanic stratification and acidification of Taebaek as a shallow carbonate platform environment in a peri-Gondwanan epeiric sea.

해양 탄산염(CaCO3)에 존재하는 붕소의 동위원소는 과거 해수의 pH와 CO2 함량을 지시하는 것으로 알려져 있다. 본 학위 논문에서는 과거 해양 탄산염(e.g.,신생대유공충과 고생대 탄산염 암석들)을 이용한 붕소 동위원소 연구를 통해 해당 방법에 대한 이해를 증진시키는 것을 목표로 하고 있다. 이 학위 논문은 세 개의 장으로 이루어져 있으며 pH에 의존적인 붕소 동위원소의 분별 작용 (1장), 붕소 동위원소 기록에서 복원한 pH와 pCO2에 대한 고해양학적 사례(2장과 3장)를 다룬다. 제 2장에서는 서북태평양(WNP) 샤스키 라이즈의 퇴적물 코어인 NPGM/P 1302-1B (32°16′ N, 158° 13′ E, 2514 m water depth)에서 채집하고 전처리한 여러 종의 부유성 유공충으로부터 해수의 pCO2 기록을 복원하였고, 이는 마지막 최대빙하기 (LGM; 24 – 18ka), 하인리히 아빙기-1 (HS1; 18 – 15 ka), 볼링-앨러로드 (B/A; 15 – 12.8 ka), 영거 드라이아스 한랭기(YD; 12.8 – 11.5 ka)의 시간 범위를 포함한다. 새로운 WNP의 δ11B, pH, pCO2 기록은 4-23 kyr에 달하며 주요한 CO2 방출에 대한 패턴이 LGM과 HS1의 변환기(19.7 – 17.5 ka), HS1의 중반(16 – 17 ka)과 YD의 초반 시기에 나타났다. 또한 본 연구에서 WNP의 새로운 ΔpCO2 데이터를 도출함으로써 다른 태평양 연구(북태평양, 적도대 서태평양, 적도대 동태평양)들과 비교할 수 있게 되었다. WNP는 LGM과 HS1, YD의 시기에 북태평양과 적도대 동태평양의 ΔpCO2와 유사한 패턴을 나타냈다. 이러한 변화는 대기 중 CO2가 급격하게 증가하던 시간 범위에서 북반구 태평양의 표층-중층을 이루는 해류의 상호 관계로 설명할 수 있다. 제 3장에서는 태백층군의 하부 고생대에 해당하는 탄산염 암석으로부터 붕소 동위원소를 추출하여 분석한 연구를 다룬다. 이 연구에서는 불용해성 잔여물 함량이 서로 다른 탄산염 암석으로부터 효율적인 용해 과정을 시험하였고, 점토 광물에 의한 오염이 가장 적은 산의 농도와 반응 시간을 발견하였다. 이 새로운 전처리 방법을 적용하여 25개의 시료로부터 중기 다리윌리안(Darriwillian) 중기 오르도비스기의 새로운 δ11B 기록을 복원할 수 있었다. 새로운 δ11Bbulk 데이터는 최신 생층서대 정보를 반영하여 오르도비스기 해수의 δ11B 선행 연구, δ13C 화학층서와 상호 관계를 비교하였다. 이러한 비교 결과는 태백이 과거 페리-곤드와나(peri-Gondwana)의 내륙해 분지에 해당했던 얕은 탄산염 대지(carbonate platform)이었을 때, 해수 층서화와 산성화가 연관되어 나타났다는 가설을 지지한다.