Open Access

Tina Lüdecke

• The stable isotope geochemistry of pedogenic and lacustrine carbonate and fossil herbivore tooth enamel is a powerful tool to study the evolution of terrestrial paleoenvironments. This thesis aims to reconstruct Neogene ecosystems in the Karonga Basin in the southern part the East African Rift (EAR) and the Central Anatolian Plateau (CAP). Karonga Basin: Understanding the development of East African savanna biomes is crucial for reconstructing the evolution, migration and dietary behaviors of early hominins. These rift ecosystems range from closed woodland to open grassland savanna and vary widely in fraction of woody cover. Here I present Plio-Pleistocene carbon (δ13C) and oxygen (δ18O) records from pedogenic carbonate and fossil herbivore tooth enamel collected from the Malawi Rift. This is the first southern hemisphere long-term record in the East African Rift. The studied ca. 4.3 Ma to 0.6 Ma deposits of the Chiwondo Beds (Karonga Basin) are home to two hominin fossil finds, a maxillary fragment of Paranthropus boisei and a mandible of Homo rudolfensis, both dated to ca. 2.4 Ma. The study site is situated between the well-known hominin-bearing localities of eastern and southern Africa and hence fills an important geographical gap for early hominin research. The δ13C values of pedogenic carbonate (n = 321) and of enamel from 14 different large-bodied herbivorous mammal taxa (suid, equid, bovid, elephant an hippopotamus; n = 122) permit assessment of the evolutionary history of C3 and C4 biomass, which is closely linked to climate patterns. The reconstruction of C4-grassland development offers insights into the retreat of tree cover and the distribution and seasonality of precipitation. δ18O values reflect hydrological patterns, and we supplement the data of fossil proxy material with analyses of modern meteoric water to evaluate influences of seasonality and evaporation. Consistent δ13C values around -9‰ and δ18O values of ca. 24‰ of the pedogenic carbonate from 14 sections spanning the last 4.3 Ma indicate a relatively mesic and persistent climate with C3-dominated woodland savannas in the Karonga Basin. The data from tooth enamel of suid, elephant, and hippo taxa complement these findings with constantly low δ13C and δ18O values, demonstrating intake of mainly C3 biomass and water from sources which are only very limited affected by evaporation. In contrast, Karonga Basin equid and bovid taxa reflect much more complex dietary patterns, ranging from mixed C3/C4-feeders to strongly C4-influenced diets. Intra-tooth δ18O values also show large variations, indicating water intake from resources that differ in their isotopic composition and therefore experienced different hydrological settings. Overall, the stable isotope data reflect a mostly C3-dominated mesic paleoecosystem, which comprises patches of more open C4-grasslands within the range of migrating mammals. Supplementary analyses of δ18O values of modern meteoric water (precipitation, lake, river and groundwater; n = 111) show a similar magnitude to the fossil herbivore oxygen isotopic values. Expected 18O values of the drinking water calculated from herbivore enamel of animals with a mixed- or C3-diet indicate water intake from barely evaporated sources. Specialized feeders with a high C4-consumtion, however, reflect s|||||||||||||||||||||values of 16O-depleted reservoirs, similar in δ18O |||||||||||| to modern evaporated lakes. The absence of long-term trends towards more positive δ13C and δ18O values in the Karonga Basin contrasts the increasing role of C4-grasslands since ca. 2.5 Ma in the Eastern Rift. Our data hence point to regional differences in climate and vegetation dynamics during the Plio-Pleistocene. Therefore, regions that are home to early hominins such as H. rudolfensis and P. boisei may have had a different environmental history when compared to the Eastern Rift. This suggests that hominin adaptation is not necessarily directly linked to the emergence of open landscapes. Central Anatolian Plateau: The development of relief and climate patterns in the Central Anatolian Plateau is long-standing debate in modern paleoecological studies. This thesis presents long-term δ13C and δ18O records on five lacustrine successions, which are widely distributed across the CAP. Also, new 40Ar/39Ar geochronological data from volcanic ashes are established in addition to existing biostratigraphic and paleomagnetic data. Field relationships combined with stable isotope data of 230 lacustrine carbonates indicate a Late Oligocene environment that was characterized by large, temporally open freshwater lakes in a relatively humid subtropic climate. In the middle Aquitanian, an increase in lake δ18O values reflects more arid settings and an overall increasing dominance of closed saline lakes. This time was probably characterized by frequent climatic fluctuations, recording the influence of seasonality, topography and the waxing and waning of aridity.
• Die stabile Kohlenstoff- (δ13C) und Sauerstoff- (δ18O) Isotopengeochemie von pedogenen und limnischen Karbonaten und fossilem Zahnschmelz von Pflanzenfressern ist ein aussagekräftiges Werkzeug, um die Evolution von terrestrischen Paläolandschaften zu erforschen. Ziel dieser Dissertation ist die Rekonstruktion neogenen Ökosysteme, zum einen die des Karonga Beckens im Großen Afrikanischen Grabenbruch (EAR), zum anderen die des Zentralanatolischen Plateaus (CAP) in der Türkei. Karonga Becken: Die Entwicklung ostafrikanischer Savannen hat einen starken Einfluss auf die Evolution, Migration und Ernährung früher Hominini. Diese Ökosysteme reichen von geschlossenen Baumsavannen bis hin zu offenen Graslandschaften und variieren im Anteil der Bewaldung, was eine enorme Ressourcenvielfalt für die zugehörige Fauna zur Folge hat. Diese Doktorarbeit repräsentiert die erste paläoökologische Studie anhand von Langzeitarchiven in dem sich auf der Südhalbkugel befindlichen Teil des EAR. Die untersuchten Chiwondo und Chitimwe Sedimente (ca. 4.3 bis 0.6 Ma) beinhalten neben pedogenen Karbonaten auch Fossilien einer diversen Fauna, welche von Großsäugern dominiert wird und unter anderem Fossilien von frühen Hominini (Homo rudolfensis und Paranthropus boisei) umfasst. Die Hominini Fossilen sind jeweils auf ca. 2.4 Ma datiert, dies ist die bisher früheste nachgewiesene Koexistenz beider Gattungen. Anhand von δ13C Werten der Bodenkarbonate und fossiler Zahnproben kann die evolutionäre Geschichte von C3- und C4-Pflanzen, welche stark mit klimatischen Veränderungen im EAR verbunden ist, untersucht werden. δ18O Analysen geben vor allem Einblicke in die hydrologische Entwicklung eines Gebietes. Niedrige, kaum fluktuierende δ13C Werte von ca. -9‰ und δ18O Werte von ca. 24‰ der Plio-Pleistozänen pedogenen Karbonate deuten auf eine ständig bewaldete Savanne hin, die von C3-Pflanzen dominiert wird und in einer relativ feuchten Region existiert. Ebenfalls relativ niedrige Isotopendaten des Zahnschmelzes von Suiden, Elefanten und Flusspferden unterstützen diese Interpretation. Isotopenanalysen von Equiden und Boviden aus dem Karonga Becken deuten allerdings auf ein weitaus komplexeres Nahrungsangebot hin. Während einige Individuen eine gemischte C3- und C4-Ernährung hatten, gab es auch reine (C4-)Grasfresser. Das Trinkwasser dieser Tiere war meistens wesentlich stärker von Evaporation beeinflusst als das der C3-Konsumenten. Zusammenfassend reflektieren die Isotopendaten zu Zeiten des Plio-Pleistozäns eine Savanne im Karonga Becken, welche großflächig über 60% bewaldet war und nur in trockeneren Gebieten offene Bereiche mit Graslandschaften aufwies. Die Abwesenheit von einem langfristigen Trend zu positiveren δ13C und δ18O Werten im Karonga Becken steht im Gegensatz zu der gut dokumentierten zunehmenden Rolle von C4-Gassavannen im östlichen Teil des Großen Afrikanischen Grabenbruchs. Daher deuten unsere Ergebnisse auf regional unterschiedliche Klima- und Vegetationsmuster im Norden und Süden der Intertropischen Konvergenzzone im Plio-Pleistozän hin. Schlussfolgernd waren Landschaften in denen frühe Hominini (H. rudolfensis und P. boisei) lebten unterschiedlich in Bezug auf Vegetation, Klima und Ressourcen, was die Evolution unserer Vorfahren nicht zwingend mit der flächendeckenden Ausbreitung von offenen Graslandschaften koppelt. Zentralanatolisches Plateau: Die Entwicklung des Reliefs und Klimas im Zentralanatolischen Plateau steht seit langem ebenfalls im Fokus von paläoökologischen Studien. Hier präsentieren wir Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopendaten von fünf Oligo-Miozänen lakustrischen Abfolgen die weiträumig über das CAP verteilt sind. Außerdem ergänzen wir existierende biostratigraphische und paläomagnetische Daten mit neuen geochronologischen 40Ar/39Ar Datierungen vulkanischer Aschen für eine zeitliche Einordnung der untersuchten sedimentären Becken. Geländebeobachtungen und stabile Isotopenwerte von 230 Seesedimenten deuten auf ein von großen exorheischen Frischwasserseen dominiertes Ökosystem im feuchten Klima des späten Oligozäns hin. Im mittleren Aquitanium steigen die δ18O Werte an und reflektieren ein zunehmend arides Klima und eine wachsende Dominanz von endorheischen, teilweise salzhaltigen Seen. Diese Zeit war vermutlich von wechselnden klimatischen Bedingungen beherrscht, was einen steigenden Einfluss von Saisonalität, Topographie und dem Ab- und Zunehmen von Trockenheit zeigt.