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Radiocarbon Reservoir Effects on Shells from SE Arabia in the Context of Paleoenvironmental Studies

Lindauer, Susanne (2019):
Radiocarbon Reservoir Effects on Shells from SE Arabia in the Context of Paleoenvironmental Studies.
Darmstadt, Technische Universität,
[Ph.D. Thesis]

Dissertation_SLindauer_2019.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Radiocarbon Reservoir Effects on Shells from SE Arabia in the Context of Paleoenvironmental Studies
Language: English

Shells are among the most frequently used materials for dating coastal sites with radiocarbon, especially when no organic matter, such as bone collagen, is preserved. Shells are frequently used to constrain chronologies from archaeological sites or within palaeoenvironmental research. Sites throughout Arabia tend to lack organic material suitable for dating. Marine shells in upwelling areas, such as the Arabian Sea, show an older apparent age than contemporaneous terrestrial material, hence are most likely depleted in radiocarbon. In radiocarbon dating, this is referred to as marine reservoir effect. Correcting for this effect for a given period and location is required to establish reliable chronologies. The aim of this research is to explore an understanding of the marine reservoir effect with respect to site-related factors and temporal variation. The suitability of shells for environmental monitoring is investigated using sclerochronology and stable isotopes and interpreted on the basis of background information on diet and habitat of respective mollusc species. A species-specific reservoir effect is then determined for radiocarbon chronologies and temporal variations are evaluated by assigning a speciesspecific reservoir effect to each period investigated. High resolution radiocarbon measurements along the shell are tested with the aim to support carbon isotope (δ13C) interpretation and determine a minimum amount of carbon necessary for reliable data. Shell foraging and subsequent heating provides an important aspect of this work with respect to its influence on the shell material and possible shifts in data, especially radiocarbon. A shift in data due to heating would prevent the use of heated shells for environmental monitoring and radiocarbon dating. Additionally, a pilot study sheds light on possible variations in hardwater effects on land and freshwater gastropods depending on the geological setting. Sampling sites range from archaeological excavations along the coast (Kalba) and inland (Wadi al-Hilo) to wadis throughout the Hajar Mountains in the United Arab Emirates. The site of Kalba was chosen as the location for investigating the reservoir effect of marine shells and environmental conditions during their lifetime. Kalba is located between the Gulf of Oman and the Hajar Mountains and provides shells of different species from a mangrove forest that has existed since at least the mid-Holocene (ca. 7000 cal BP). Archaeological sites in Kalba dating to Neolithic and to the Bronze Age offer sediment layers rich in shells. Additionally, Kalba offers the unique possibility to monitor seasonal ocean circulation patterns where upwelling from the Arabian Sea to the South alternates with saline, dense outflow of Arabian Gulf waters. The Hajar Mountains reveal a diverse geology with ophiolites located southwest of Kalba and carbonates to the north. The Dibba Zone shows outcrops of shelf carbonates and metamorphic rocks and provides the greatest diversity of lithologies in the Hajar Mountains. For the study of terrestrial shells, this diversity conditioned the sampling sites in order to derive a dependence of possible hardwater effect on lithology involved. The first part of the study concentrates on two shell species from Kalba, the bivalve Anadara uropigimelana and the gastropod Terebralia palustris, because they are often found in archaeological contexts. Shell and charcoal pairs were recovered from four layers representing two periods, Neolithic and Bronze Age, to evaluate temporal changes in the species-specific reservoir effect. For A. uropigimelana VIII a drop in ΔR from 576 ± 90 to 112 ± 44 years over this period was calculated, whereas for T. palustris the values decreases from 389 ± 66 to -19 ± 36 years. This species-specific reservoir effect likely reflects differences in habitat and/or dietary habits. T. palustris with a mainly terrestrial diet yielded a significantly lower ΔR compared to the mainly marine influenced A. uropigimelana. The temporal changes are probably explained by reduced upwelling in the Arabian Sea as observed in marine sediment cores, due to a decrease in summer monsoon strength. High resolution 14C measurements were performed in combination with stable isotopes δ13C and δ18O on two specimens of A. uropigimelana. Here, 14C served to support the interpretation of the inconclusive δ13C signal that has its origin in diet as well as water dissolved inorganic carbon (DIC). Sample sizes below 30 μg C did not result in reliable data due to elevated backgrounds for 14C measurement and cross contamination from the previous sample. Nevertheless, trends in data could be identified and provided insights to help interpret changes in amplitude or extreme drifts of the isotopes as a result of changes in environmental conditions, such as freshwater input, or diet. Shell foraging often includes heating of shells that inflicts a transformation from aragonite to calcite and also destroys the microstructural pattern of the shell material. Data indicates that the 14C measurement is not shifted by heating of the shell material. Therefore, heated shell material like unheated shell carbonate provides reliable material for chronological purposes. Land snails of species Zootecus insularis and freshwater snails of species Melanoides tuberculata were recovered from different geological substrates. A strong link between lithology and hard-water effect of the terrestrial species was found, even though distinct values for the hard-water effect could not be determined for all sites involved. Unfortunately, no live specimens could be found to resolve this problem. Therefore, archaeological samples of known context provide the most reliable basis for interpretation. In conclusion this study shows that shells of A. uropigimelana and T. palustris, heated or unheated, are a valuable tool for evaluating chronologies. The drop in marine reservoir effect ΔR of the shells mirrors local changes in ocean circulation and upwelling and is directly linked to changes in climate and sea level during the Holocene. On a regional as well as global scale it coincides with significant changes in other paleoclimate archives. Regarding the pilot study on the terrestrial hardwater effect of Z. insularis and M. tuberculata, however, promising new results for some locations are presented. As expected, it varies with lithology, but still needs to be verified by known age samples before being used in this region. In brief, the results of this thesis show that marine reservoir effects are not only dependent on location but also vary through time and by species. Whilst this has been demonstrated here for the Southeastern part of the Arabian Peninsula, similar variations in time and species are likely to also occur in other regions of the globe. To establish reliable radiocarbon chronologies using shells, the reservoir effect has to be determined considering all of these factors. Whilst time consuming, and in part challenging, this approach, offers numerous possibilities for evaluating environmental data from a single material.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Muscheln gehören zu den am häufigsten verwendeten Materialien für die Datierung von Küstenstandorte mittels Radiokarbon, vor allem wenn keine organischen Substanzen, wie Knochen Kollagen erhalten sind. Muscheln werden häufig verwendet, um Chronologien von archäologischen Fundorten einzugrenzen oder für die Erforschung von Paleoumweltbedingungen. Fundorte in ganz Arabien neigen dazu, geeignetes organisches Material für die Datierung vermissen zu lassen. Marine Muscheln in Auftriebsgebieten wie der Arabischen See zeigen ein offensichtlich höheres Alter als gleichzeitige terrestrische Materialien, daher sind sie offenbar im Radiokohlenstoff reduziert. In der Radiokarbon-Datierung wird dies als mariner Reservoireffekt bezeichnet. Diesen Effekt muss man für eine gegebene Zeit und Ort korrigieren, um verlässliche Chronologien zu etablieren. Das Ziel dieser Forschung ist es, ein Verständnis für den marinen Reservoireffekt zu erkunden im Zusammenhang zu lokalen Faktoren und zeitlicher Variabilität. Die Eignung von Muscheln für das Umweltmonitoring wird untersucht mit Hilfe von Sklerochronologie und stablien Isotopen, sowie interpretiert auf Basis von Hintergrundinformationen zu Ernährung und Habitat der jeweiligen Spezies. Ein artspezifischer Reservoireffekt wird dann bestimmt für Radiokarbon Chronologien und zeitlichen Variationen werden durch die Zuordnung eines artspezifischen Reservoireffekts für jeden untersuchten Zeitabschnitt. Hoch aufgelöste Radiokarbon Messungen entlang einer Muschel werden getestet, mit dem Ziel, die Interpretation der Kohlenstoff-Isotop (δ13C) Interpretation zu untermauern und um eine Mindestmenge zu bestimmen, die man braucht, um verlässliche Kohlenstoffdaten zu erhalten. Muschelverarbeitung und darausfolgende Erhitzungsprozeduren beinhalten einen weiteren wichtigen Aspekt dieser Arbeit im Hinblick auf ihren Einfluss auf das Muschelmaterial und eventuelle Verschiebungen in den Daten, vor allem bezüglich Radiokarbon. Eine Verschiebung in den Daten durch Erhitzung würde die Nutzung dieser erhitzten Muscheln für Monitoring der Umweltbedingungen und Radiokarbondatierung verhindern. Zusätzlich wird versucht in einer Pilotstudie zu Landschnecken und Frischwassergastropoden der mögliche Hartwassereffekt in Abhängigkeit der geologischen Gegebenheiten untersucht. Die Probenlokalitäten reichen von archäologischen Ausgrabungen entlang der Küste (Kalba) und im Inland (Wadi Hilo) zu Wadis im gesamten Gebiet der Hajar Mountains in den Vereinigten Arabischen Emiraten. Die Lokalität Kalba wurde gewählt als Untersuchungsgebiet für den Reservoireffekt mariner Mollusken und ihrer Umweltbedingungen zu Lebzeiten. Kalba liegt zwischen dem Golf von Oman und den Hajar Mountains und verfügt über viele Molluskenspezies eines Mangrovenwaldes, der dort seit mindestens dem Früh-Holozän angesiedelt ist (ca. 7000 cal BP). Archäologische Stätten in Kalba, die ins Neolithikum und in die Bronzezeit datieren bieten Sedimentlagen, die reich an Muscheln sind. Zudem bietet Kalba die einzigartige Möglichkeit saisonale Ozeanzirkulationsmuster , bei denen das Upwelling aus der Arabischen See im Süden mit dem salzhaltigen, dichten Ausfluss aus dem Arabischen Golf alterniert, zu beobachten. Die Hajar Mountains bieten eine vielfältige Geologie mit OPhioliten im Südwesten von Kalba und Karbonaten im Norden. Die Dibba Zone zeigt Aufschlüsse von Festlandkarbonaten und metamorphischem Gestein und verfügt über die größte Vielfalt an Lithologien in den Hajar Mountains. Für die Studie zu terrestrischen Mollusken war diese Vielfalt wegweisend für die Auswahl der Beprobungsplätze, um die Abhängigkeit eines möglichen Hartwassereffekts von der vorherrschenden Lithologie zu zeigen. Der erste Teil der Studie konzentriert sich auf zwei Molluskenspezies aus Kalba, die Bivalve Anadara uropigimelana und den Gastropod Terebralia palustris, da diese in archäologischen Kontexten besonders häufig gefunden werden. Muschel und Holzkohle-Paare wurden von 4 Sedimentschichten gesammelt, die zwei Zeitperioden umfassen, Neolithikum und Bronzezeit, um zeitliche Änderungen des artspezifischen Reservoireffekts zu untersuchen. Für A. uropigimelana ergab sich ein Abfall in ΔR von 576 ± 90 zu 112 ± 44 Jahren über diesen Zeitraum, wogegen für T. palustris eine Abnahme von 389 ± 66 zu -19 ± 36 Jahren errechnet wurde. Dieser artspezfische Reservoireffekt spiegelt wahrscheinlich Unterschiede in Habitat und/oder Ernährungsgewohnheiten. T. palustris zeigt aufgrund seiner vor allem terrestrischen Nahrung einen deutlich geringeren ΔR Wert im Vergleich zur vor allem marin beeinflussten A. uropigimelana. Die zeitlichen Änderungen lassen sich womöglich durch reduziertes Upwelling in der Arabischen See aufgrund reduzierten Sommermonsuns erklären, wie die marinen Sedimentkerne nahelegen. Hochaufgelöste 14C Messungen wurden in Kombination mit stabilen Isotopen δ13C und δ18O an zwei Schalen von A. uropigimelana durchgeführt. Here sollte das 14C helfen die Interpretation des uneindeutigen δ13C Signals zu unterstützen, dessen Ursprung in der Ernährung, wie auch im inorganischen gelösten Kohlenstoffs (DIC) des Wassers liegt. Probenmengen unter 30 µg resultierten jedoch nicht in zuverlässigen Daten aufgrund erhöhten 14C Untergrundes und wegen Kreuzkontamination durch die vorangegangene Probe. Dennoch lassen sich Trends in den Daten ablesen, die Einsichten erlaubten durch Wechsel in Amplituden oder extreme Abweichungen der Isotope aufgrund Veränderungen in der Umwelt, wie z.B. Süsswasserzufluss oder Nahrungsänderungen. Muschelverarbitung beinhaltet oft ein Erhitzen der Muscheln, dass eine Transformation von Aragonit zu Kalzit nach sich zieht und ebenso die Mikrostrukturen des Schalenmaterials zerstört. Die Daten zeigen, dass die 14C Messung dadurch nicht verändert wird. Daher ist erhitztes Schalenmaterial für Chronologische Fragestellungen genauso zuverlässig wie unerhitztes Material. Landschnecken vom Typ Zootecus insularis und Frischwassergastropoden der Art Melanoides tuberculata wurden aus verschiedenen geologischen Substraten gesammelt. Eine deutliche Verbindung zwischen Lithologie und Hartwassereffekt dieser terrestrischen Arten wurde gefunden, auch wenn keine exakten Werte für alle Lokalitäten zugeordnet werden konnten. Unglücklicherweise konnten keine lebenden Spezies gefunden werden, um dieses Problem zu lösen. Daher waren hier archäologische Lokalitäten mit genau bekanntem Kontext die beste Alternative. Zusammengefasst zeigt diese Studie, dass Muscheln der Arten A. uropigimelana und T. palustris, ob erhitzt oder nicht, ein wertvolles Mittel zur Erstellung von Chronologien sind. Die Abnahme im marinen Reservoireffekt ΔR spiegelt lokale Veränderungen in der Ozeanzirkulation und dem Upwelling wieder und ist direkt verknüpft mit Veränderungen im Klima und dem Meeresspiegel während des Holozän. Auf regionaler wie globaler Ebene fällt der Abfall mit signifikanten Veränderungen in anderen Paläoklimaarchiven zusammen. In Bezug auf die Pilotstudie zum Hartwassereffekt von Z. insularis und M. tuberculata werden enige vielversprechende Zwischenergebnisse gezeigt. Wie erwartet variiert der Hartwassereffekt mit der Lithologie, muss aber durch exakt bekannte Alter bestimmt werden., bevor man ihn in dieser Region benutzen kann. Kurz gefasst zeigen die Ergebnisse dieser Dissertation, dass marine Reservoireffekte nicht nur von der Lokalität abhängen, sondern auch zeitlich variabel und artspezifisch sind. Während dies nun für den südöstlichen Teil der Arabischen Halbinsel gezeigt werden konnte, ist zu erwarten, dass ähnliche Variationen in Zeit und Spezies auch in anderen Teilen der Welt auftreten. Um eine zuverlässige Chronologie mit Muscheln aufbauen zu können, müssen all diese Faktoren berücksichtigt werden. Wenngleich zeitaufwändig und zum Teil herausfordernd, so erlaubt dieser Ansatz jedoch vielfältige Möglichkeiten umweltbedingte Daten anhand eines einzigen Materials zu erhalten.

Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Applied Sedimentary Geology
Date Deposited: 21 Aug 2019 11:03
Last Modified: 21 Aug 2019 11:03
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-88714
Referees: Hinderer, Prof. Dr. Matthias ; Preusser, Prof. Dr. Frank ; Kempe, Prof. Dr. Stephan ; Blüthgen, Prof. Dr. Nico
Date of oral examination: 1 July 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8871
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