Towards a quantification of environmental and climatic factors between 60 and 20 ka in SE Europe using geochemistry and luminescence dating

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URI: http://hdl.handle.net/10900/57224
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:21-dspace-572244
Dokumentart: Dissertation
Date: 2014
Language: English
Faculty: 7 Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Department: Geographie, Geoökologie, Geowissenschaft
Advisor: Scholten, Thomas (Prof. Dr.)
Day of Oral Examination: 2014-10-23
DDC Classifikation: 550 - Earth sciences
Keywords: Löss , Paläopedologie , Geographie , Paläoklima , Geowissenschaften , Geochronologie , Lumineszenzdatierung , Verwitterung , Sediment , Quartär , Eiszeit , Ungarn , Karpaten , Donau , Südosteuropa
Other Keywords: Sedimentherkunft
Provenienz
Paläotemperatur
Paläoniederschlag
Verwitterungsindizes
Klimarekonstruktion
Paleoclimate
Geochronology
Sedimentology
Loess
Paleosol
Quarternary
Climate reconstruction
Geosciences
Geography
Paleoprecipitation
Paleotemperature
Provenance
Weathering
Weathering Indices
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Inhaltszusammenfassung:

Für die Untersuchung von Klimaschwankungen in der jüngeren geologischen Vergangenheit und deren Auswirkungen auf die Umwelt haben sich quartäre terrestrische Sedimente wie beispielsweise Löss-Paläoboden-Sequenzen bewährt. Diese enthalten wichtige Informationen und sind schon lange als exzellente Paläoklima-Archive bekannt. Jedoch fehlt vielen Lössstudien ein tatsächlich interdisziplinärer Ansatz mit dem Einsatz verschiedenartiger Proxyverfahren, sowie grundlegende Informationen zu Herkunft, Transport und Sedimentationsgeschichte des Materials, oder verlässliche quantitative Klimainformationen, die anhand unabhängiger Daten aus anderen Quellen validiert wurden. Ziel dieser kumulativen Dissertation ist es, eine große Auswahl an traditionellen und innovativen Methoden an einem Lössprofil in Tokaj (Nordostungarn) zu kombinieren und anzuwenden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die erste komplette Chronostratigraphie für das Lössprofil vorgestellt. Sie basiert auf Lumineszenzdatierung (OSL und IRSL) und ist für alle weiteren Studien von zentraler Bedeutung. Die Datierungen zeigen, dass frühere Altersschätzungen oft zu niedrig waren, weshalb eine Überprüfung und Neubewertung einiger früherer Studien notwendig wird, die sich auf die mittlerweile überholten Alter beziehen. Die Untersuchungen tragen weiterhin dazu bei, pIRIR290 als neue, alternative Datierungstechnik mit einer deutlich verlängerten Altersspanne zu etablieren. Die aus den neuen Altern berechneten Sedimentationsraten sind in MIS 2 (29-14 ka) mehr als doppelt so hoch als in MIS 3 (57-29 ka) und vergleichbar mit denen an anderen Standorten im Pannonischen Becken. Diese Ergebnisse bestätigen die Beobachtung eines von Nord nach Süd abnehmenden Trends der Sedimentationsraten, was möglichweise auf die zunehmende Distanz zur Sedimentursprung zu erklären ist. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Verwitterungsgeschichte des Lössprofils. Es werden 14 Verwitterungsindizes vorgestellt, die zur Quantifizierung der Verwitterungsintensität verwendet werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass alle von ihnen, einschließlich des oft verwendeten CIA-Indexes, ähnlich gut funktionieren und es daher nicht notwendig ist, sich auf spezielle Indizes zu beschränken. Es werden jedoch auch Empfehlungen zur Auswahl eines geeigneten Indexes für ein spezifisches Lössprofil gegeben. Im zweiten Teil dieser Studie werden Jahresdurchschnittstemperaturen und -niederschläge anhand von Transferfunktionen und geochemischen und mineralmagnetischen Daten und Kohlenstoffisotopen berechnet. Obwohl die damit verbundenen Unsicherheiten und Fehler hoch sind, zeigen die Ergebnisse, dass robuste Resultate durch die Kombination mehrerer unabhängiger Ansätze und Literaturdaten erzielt werden können. Alle Ergebnisse weisen auf einen Trend zu niedrigeren Temperaturen und einem trockeneren Klima in MIS 2 und höheren Temperaturen und einem feuchteren Klima in MIS 3 hin. Im dritten Teil zeigen die Ergebnisse eines kombinierten Elementar- und Sr-Nd-Isotopenansatzes, dass die Sedimentquelle für den Löss in Tokaj über die Zeit weitgehend konstant blieb, was für Löss in Österreich und Südwestdeutschland nur in geringerem Maße zutrifft. Löss in Europa, vor allem im Pannonischen Becken, ist generell relativ einheitlich. Ein direkter Vergleich von Löss und potentiellen Ursprungsgesteinen ist schwierig, aber der Vergleich mit fluvialen Sedimenten ist vielversrechend. Die Ergebnisse daraus zeigen, dass Löss in Tokaj wahrscheinlich aus Gesteinen der umgebenden Gebirge und aus Sedimenten der Donau entstanden ist, Löss in Südwestdeutschland ist hingegen eher eine Mischung aus örtlichen Gesteinen und Sedimenten des Rheins. Einen weiteren wichtigen Beitrag zu Löss in Südost- und Westeuropa stellen außerdem Sedimente der Alpen dar.

Abstract:

To further or understanding of past climate changes and their impact on the environment in the younger geological past, Quaternary terrestrial deposits such as loess-paleosol sequences (LPSS) potentially contain valuable information and have long been recognized as excellent archives of paleoclimate data. However, many loess paleosol studies lack truly interdisciplinary and multi-proxy approaches, as well as information about the origin, transport and sedimentation history of the material, or reliable quantitative climatic information that has been cross-validated with independent data from other sources. The aim of this cumulative study was to combine and apply a wide range of traditional and innovative methods to a loess-paleosol sequence at Tokaj in Northeast Hungary, one of the key locations of loess research in Southeast Europe. In the first part, we provide the first complete chronostratigraphy for the section based on luminescence (OSL and IRSL) dating, which serves as a framework for all further analyses. Results show that previous age estimates were often too low, which may require a review of previous studies that rely on the now obsolete age model. Furthermore, this research also contributes to the introduction of pIRIR290 as a new luminescence dating technique with a substantially extended age range. Sedimentation rates calculated from the updates ages more than double during Marine Isotope Stage (MIS) 2 (29-14 ka) compared to MIS 3 (57-29 ka), which is consistent with observations from other locations in the Carpathian Basin and confirms the pattern of decreasing dust sedimentation from North to South, probably with increasing distance from the dust source. The second part deals with the weathering history of the section. We present a comparison of 14 weathering indices that may be used to quantify weathering intensity. The results show that most of them perform equally well, including the most widely-used CIA index, and that it is not necessary to restrict the choice of suitable indices. Suggestions for the selection of the most suitable index for a given LPSS are provided. The second half of this study attempts to quantify mean annual temperature and precipitation based on paleoclimate transfer functions and XRF, magnetic susceptibility and carbon isotopic data. Although the associated errors are large, we argue that robust results can be obtained by combining several independent approaches and literature data. All results are consistent with a general trend towards lower temperatures and a drier climate in MIS 2, and higher temperatures and a more humid climate in MIS 3. In the third part, the results of the provenance study based on a combined Sr-Nd isotopic and elemental fingerprinting approach indicate that the source of dust in Tokaj has most likely been stable over time, whereas those of dust in Austria and Germany have been more variable. Loess in Europe, and especially in the Carpathian Basin, is overall rather uniform. While a direct comparison of loess and rocks from potential source areas is difficult, the correlation with floodplain sediments is a highly promising approach. Results indicate that Tokaj loess may have been derived from the surrounding mountain chains and Danube sediments, while loess in Southwest Germany is probably a mixture of local and Rhine sediments. Our data also underlines the contribution of Alpine sediments to loess in both Southeast and West Europe.

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