Modern, equatorial carbonates from Kepulauan Seribu, Indonesia : facies, isotope geochemistry, and microplastic as a sedimentary component

Utami, Dwi Amanda; Kukla, Peter; Pfeiffer, Miriam

doi:10.18154/RWTH-2021-03580

Modern, equatorial carbonates from Kepulauan Seribu, Indonesia : facies, isotope geochemistry, and microplastic as a sedimentary component

Utami, Dwi Amanda^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Dwi Amanda Utami

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Kukla, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Pfeiffer, Miriam (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-03-31

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-03580
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/816964/files/816964.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
equatorial carbonate (frei) ; microplastic (frei) ; mineralogy (frei) ; modern carbonate (frei) ; oxygen isotope (frei) ; patch reefs (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Karbonate in der feuchten äquatorialen Zone weisen Merkmale auf, die sie von ihren subtropischen Gegenstücken unterscheiden, und sollten daher als eigenständiges Ablagerungssystem erneut untersucht werden. Es ist auch bekannt, dass äquatoriale Karbonate einige Gemeinsamkeiten mit Kaltwassersystemen aufweisen, die die Unterscheidung zwischen nicht-tropischen und äquatorialen Karbonaten erschweren können. Kepulauan Seribu ist ein isolierter Flecken-Riffkomplex in der Javasee (Indonesien) und ist ein typisches Beispiel für ein feuchtes, äquatoriales Karbonatsystem. In jüngster Zeit wurde über Verschmutzung durch Mikroplastik aus Korallenriffsystemen im kompletten tropischen Bereich berichtet, darunter auch aus Indonesien, das als zweitgrößter Emittent schlecht gemanagter Kunststoffabfälle im Ozean bekannt ist. Die Exposition gegenüber Mikroplastik hat negative Auswirkungen auf die Gesundheit der Korallen, die langfristig ihre Fähigkeit bedrohen, als Gerüstbildner in Korallenriffsystemen zu wirken. Ziel dieser Studie ist es, die Prozesse zu untersuchen, die die Verteilung der Sediment- und Umweltfazies des modernen Karbonats in Kepulauan Seribu kontrollieren. Die Studie evaluiert ferner die Unterschiede zwischen feuchten äquatorialen Karbonaten und anderen Karbonatsystemen, wobei die Isotopengeochemie in Kombination mit RDS- und REM-Analysen verwendet wird. Zusätzlich analysiert die Studie die Kontrollprozesse für die Dispersion und Akkumulation von Mikroplastik in Riffsedimenten. Oberflächensedimente von den Riffplattformen von Pramuka, Panggang und Semak Daun im Kepulauan-Seribu-Komplex dienten als Grundlage dieser Studie. Statistische Analysen auf der Grundlage von Textur und Zusammensetzung zeigen, dass es vier sedimentäre Fazies gibt: coral grainstone, coral packstone/grainstone, coral-mollusc packstone, and mollusc wackestone. Das Vorkommen von mollusc wackestone in der Lagune wird durch die Wassertiefe kontrolliert, während Sandflächen und die Rifffront keine signifikante Faziestrennung mit der Wassertiefe zeigen. Das Zusammentreffen dieser verschiedenen Fazies im gleichen Tiefenfenster widerspricht der allgemeinen Auffassung, dass Veränderungen in der Bathymetrie sich in Veränderungen der Fazies widerspiegeln sollten. Eine von Satellitendaten abgeleitete Karte der Umweltfazies, die durch einen Bildanalyse-Algorithmus erstellt wurde, zeigt, dass die Verteilung der Umweltfazies hauptsächlich durch die Wassertiefe, die Dichte der Seegrasbedeckung und den Korallenreichtum gesteuert wird. Die Sandfläche kann in drei Umweltfazies mit keiner, spärlicher und dichter Seegrasbedeckung unterteilt werden. Die tiefere Wasserzone kann in flache und tiefe subtidale Teile von Lagunen und Plattformrändern unterteilt werden. In der Lagune korreliert die von Satelliten abgeleitete Umweltfazies direkt mit der sedimentären Fazies. In Sandflächen war aufgrund der Heterogenität und Komplexität der Umwelt keine direkte Korrelation der Umweltfazies mit der sedimentären Fazies möglich. Allerdings ist die mittlere Sedimentkorngröße in Bereichen der Sandflächen, die von dichtem Seegras besiedelt sind, deutlich geringer. Eine charakteristische Eigenschaft von Flachwassersedimenten (<20 m) aus Kepulauan Seribu ist ihr erhöhter Gehalt (~10%) an niedrig Mg Kalzit (LMC), der von einigen Gattungen rotaliider Foraminiferen und Muscheln stammt. Die relative Häufigkeit dieser Faunenelemente im seichten Wasser könnte mit zumindest vorübergehenden trüben Bedingungen zusammenhängen, die durch sedimentbelasteten Flusseintrag verursacht werden. Dieser Einfluss wird auch durch das Vorhandensein geringer Mengen an siliziklastischen Mineralien unterhalb der regionalen Wellenbasis belegt. Karbonate aus Kepulauan Seribu zeichnen sich durch sehr niedrige δ13C und δ18O Werte aus. Dies hängt mit dem Flusseintrag zusammen. Der Wert von δ13CDIC im Flusswasser wird durch den Beitrag von 12C aus Ufer-Mangroven reduziert. Die niedrige δ13C Signatur in den Karbonaten wird durch das Fehlen von Grünalgen und anorganischen Karbonaten und den hohen Anteil an Korallenschutt noch verstärkt. Niedrige δ18O Werte in Karbonaten werden durch die hohen Wassertemperaturen in der äquatorialen Umgebung begünstigt. Tiefe atmosphärische Konvektion und intensive Regenfälle tragen weiter dazu bei, dass der Niederschlag in den Flusseinzugsgebieten niedrige δ18O Werte aufweist. Da äquatoriale Karbonate in Südostasien, einschließlich der Javasee, typischerweise durch hohe Trübung und/oder Flusseintrag beeinflusst werden, sind die beobachteten ausgesprochen niedrigen Isotopenwerte wahrscheinlich charakteristisch für äquatoriale Karbonatsysteme in der Region. Mikroplastik-Partikel sind als sedimentäre Komponente in Kepulauan Seribu vorhanden. Die Mikroplastik-Partikel wurden mittels Dichteflotation konzentriert und durch Licht- und Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert. Einige Partikel wurden mittels Mikro-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (µFT-IR) als Polypropylen identifiziert. Phthalate, ein gebräuchliches Plastikadditiv, wurde auf der Oberfläche von Mikroplastikpartikeln nachgewiesen, was zeigt, dass Verunreinigungen, die mit Mikroplastiken assoziiert sind, nach der Aufnahme für Korallen bioverfügbar werden könnten. Alle zurückgewonnenen Mikroplastikteile wurden als sekundäre Mikroplastikteile klassifiziert, die wahrscheinlich aus marinen und lokalen Quellen stammen, wobei Fasern am häufigsten vorkommenden. Mikroplastik-Partikel zeigen ein ähnliches Transport- und Akkumulationsverhalten wie feine silikatische Körner. Die Häufigkeit von Mikroplastik wird durch die Nähe zum Quellgebiet von größeren Kunststofffragmenten und hydrodynamischen Prozessen gesteuert. Mikroplastik findet sich nicht nur in Ablagerungsbereichen mit niedriger, sondern auch mit hoher Energie, wie z.B. den Riffkamm. Prozesse, die zur Akkumulation in Riffsedimenten beitragen, sind Biofouling, Verzahnung und die Bildung von Verbundkörnern. Mikroplastik-Partikel sind in Sedimenten in der Nähe des Meeresbodens (0-3,5 cm), aber auch in einer Tiefe zwischen 3,5 und 7 cm vorhanden. Es ist unwahrscheinlich, dass Mikroplastikpartikel unterhalb von 3,5 cm während modalen Wetterbedingungen in den untersuchten äquatorialen Riffen remobilisiert werden. Daher können Mikroplastikpartikel in subtidalen Riffumgebungen aus der äquatorialen Zone ein guter praktischer Indikator für Schichten des Anthropozän sein.

Carbonates in the humid equatorial zone have characteristics that distinguishes them from their sub-tropical counterparts and therefore should be re-examined as a distinct depositional system. Equatorial carbonates are also known to share some similarities with cool water systems that can complicate the distinction between non-tropical and equatorial carbonates. Kepulauan Seribu is an isolated patch reef complex situated in the Java Sea (Indonesia) and is a typical example for a humid, equatorial carbonate system. Microplastic pollution recently has been reported from coral reef systems all over the tropics, including Indonesia which is known as the second-largest contributor of mismanaged plastic waste to the ocean. Exposure to microplastics has negative impacts on coral health that in the long run threaten its ability to act as framework builders in coral reef systems. This study aims to investigate the processes that control the distribution of sedimentary and environmental facies of modern carbonate in Kepulauan Seribu. The study further evaluates the differences between humid equatorial carbonates and other carbonate systems, using isotope geochemistry in combination with XRD and SEM analysis. Additionally, to analyzes the controlling processes for microplastic dispersion and accumulation in reefs sediments. Surface sediment from the reef platforms of Pramuka, Panggang, and Semak Daun in the Kepulauan Seribu complex serve as the basis of this study. Statistical analysis based on texture and composition reveal that there are four sedimentary facies; coral grainstone, coral packstone/grainstone, coral-mollusc packstone, and mollusc wackestone. The occurrence of mollusc wackestone in the lagoon is controlled by water depth, while sand apron and reef front do not show significant facies separation with water depth. The cooccurrence of these different facies in the same depth window is contrary to the common thought that changes in bathymetry should be reflected in facies changes. A satellite derived environmental facies map generated by an image analysis algorithm indicates that environmental facies distribution is mainly controlled by water depth, density of seagrass cover and coral abundance. The sand apron can be subdivided into three environmental facies with no, sparse and dense seagrass cover. The deeper water zone can be separated into shallow and deep subtidal parts of lagoons and platform margins. In the lagoon, satellite derived environmental facies directly correlates with sedimentary facies. No direct correlation of environmental facies to sedimentary facies was possible in the sand apron due to the heterogeneity and complexity of the environment. However, the mean sediment grain size is significantly smaller in areas of the sand apron colonized by dense seagrass. A characteristic property of shallow water (<20 m) sediments from Kepulauan Seribu is their increased low-Mg calcite (LMC) content (~10%) derived from some genera of rotaliid foraminifers and bivalves. The relative abundance of these faunal elements in shallow waters might be related to at least temporary turbid conditions caused by sediment laden river runoff. This influence is also evidenced by the presence of low amounts of siliciclastic minerals below the regional wave base. Kepulauan Seribu carbonates are characterized by very low δ13C and δ18O values. This is related to the isotopically depleted riverine input. The δ13CDIC in riverine water is reduced by the contribution of 12C from riverside mangroves. The depleted δ13C signature in carbonates is further enhanced by the lack of green algae and inorganic carbonates and the abundance of coral debris. Low δ18O values in carbonates are favored by the high water-temperatures in the equatorial setting. Deep atmospheric convection and intensive rains further contribute 18O depleted freshwater in the river catchments, finally reducing salinity in the Java Sea. Since equatorial carbonates in SE Asia, including the Java Sea, are typically influenced by high turbidity and/or river runoff, the observed distinctively low isotope values likely are characteristic for equatorial carbonate systems in the region. Microplastics are present as a sedimentary component in Kepulauan Seribu. Microplastics were concentrated using density floatation and characterized by light and scanning electron microscopy. Some particles were identified as polypropylene using micro Fourier transform infrared (µFT-IR) spectroscopy. Phthalates, a common plastic additive, was detected on the surface of microplastic particles which demonstrates that contaminants associated with microplastics could become bioavailable to corals after ingestion. All recovered microplastics were classified as secondary microplastics, likely derived from marine and local sources, with fibers as the most abundant type. Microplastics are showing similar transport and accumulation behaviour as fine siliciclastic grains. Abundance of microplastic is controlled by the proximity to the source area of larger plastic debris and hydrodynamic processes. Microplastics are not only present in low energy environment but also in high energy settings such as e.g. the reef crest. Processes that contribute to accumulation in reef sediments are biofouling, interlocking, and the creation of compound grains. Microplastics are present in sediment close to the seafloor (0-3.5 cm) but also in a depth between 3.5 and 7 cm. Microplastic particles below 3.5 cm are unlikely to be remobilized under modal weather conditions in the studied equatorial reefs. Therefore, microplastics in subtidal reef environments from the equatorial zone can be a good practical indicator of Anthropocene strata.

OpenAccess:
PDF
(additional files)