How to Date Nothing With Cosmogenic Nuclides

A cave is a natural void in the rock. Therefore, a cave in itself cannot be dated, and one has to resort to datable sediments to get ideas about the age of the void itself. The problem then is that it is never very certain that the obtained age really is coincident with the true age of the cave. Here, we present the use of a method which couples sedimentary and morphologic information to get a relative chronology of events. Datings within this relative chronology can be used for assessing ages of forms, processes, and sediments, and the obtained dates also fix some milestones within the chronology, which then can be used to retrace, among other things, paleoclimatic variations. For many cave systems, the dating limits of the most widely used U/Th method on speleothems are too low (350 to max. 700 ka) to get ages that inform us about the age of the cave. The recent use of cosmogenic nuclides on quartz-containing sediment permits to push the datable range back to 5 Ma. While the theoretical background is explained elsewhere (Granger, this volume), we concentrate on the Siebenhengste example (Switzerland

UIS Cave Symbols: The definitive List

Predstavljen je seznam jamskih simbolov, ki jih Mednarodna speleološka zveza priporoča pri risanju načrtov podzemnih jam. Seznam simbolov so leta 1999 izvolili delegati iz dvanajstih držav. Kjer je potrebno, je poleg simbola še krajša razlaga. V prispevku je na kratko predstavljena tudi podkomisija za topografijo pri Mednarodni speleološki zvezi.A set of cave symbols used for underground mapping has been voted by national delegates of 12 countries in 1999. This symbol set is shown and, when necessary, explained. The UIS subcommission on topography is briefly presented and its aims outlined.

Cave Genesis and its relationship to surface processes: investigations in the Siebenhengste region (BE, Switzerland)

Du point de vue spéléologique, la région des Siebenhengste est l’une des plus importantes du monde. La densité exceptionnelle des galeries souterraines, qui s’étendent sur plus de 1500 m de dénivelé, en fait un site privilégié pour l’étude de la paléogéomorphologie alpine et de la paléoclimatologie glaciaire. La présente thèse se concentre sur la grotte de St. Béat et le Bärenschacht, situés au sud de ladite région. Les résultats obtenus, qui concernent la tectonique, l’hydrogéologie, la spéléogenèse, la paléogéographie et la paléoclimatologie, sont présentés sommairement ci-dessous. Tectonique et stratigraphie: Le rejet de la faille de Hohgant-Sundlauenen (HSV) est de l’ordre de 1 km. L’épaisseur stratigraphique du Schrattenkalk et de la série du Hohgant permet l’observation de l’activité synsédimentaire de la HSV à partir du Crétacé inférieur jusqu’à l’Eocène. L’histoire complexe de l’activité tectonique et de la sédimentation pendant cette période est esquissée. La Waldegg est une structure en Horst et Graben. Hydrogéologie: Des observations dans la grotte de St. Béat ont démontré que les eaux du karst sont capables de former des cavités à l’intérieur et au travers de formations imperméables. De plus, les diffluences vadoses sont très courantes, et les transfluences ne nécessitent pas une couche imperméable pour leur mise en place. Certains résultats «étranges» des essais de traçage peuvent être expliqués par ces observations. Un essai de traçage a permis de délimiter les bassins versants de la grotte de St. Béat et des Siebenhengste. Une revue de tous les traçages effectués dans la région des Siebenhengste-Hohgant est présentée et permet de faire une synthèse des systèmes hydrogéologiques au nord d’Interlaken. Spéléogenèse: La morphologie des galeries dans la zone épiphréatique actuelle indique que la corrosion en temps de crue, bien que temporaire, prédomine sur l’érosion vadose pérenne, avec pour corollaire la forme phréatique des galeries qui se situent dans la zone épiphréatique. La transition méandre-tube se fait au toit de cette zone, qui est responsable de la dernière étape morphogénétique des cavités alpines. Les phases spéléogénétiques sont liées à la zone épiphréatique. Des soutirages vidangent la zone épiphréatique en temps d’étiage. Leur genèse est intimement liée à l’existence d’une zone de battement. La transition d’une phase à l’autre se fait assez rapidement. Par contre, un équilibre entre la taille des galeries et le débit total n’est atteint qu’asymptotiquement et après un temps considérable. Reconstitution de la paléogéographie: On a trouvé douze phases spéléogénétiques, d’âges différents. On assume que leur source était en relation avec un ancien fond de vallée. Ainsi, les phases spéléogénétiques indiqueraient l’approfondissement progressif de la vallée. Les phases traitées dans le présent travail se situent à 558, 660, 700, 760, 805 et 890 m d’altitude. L’analyse statistique des petites cavités confirme ces phases. Des observations morphologiques et sédimentologiques suggèrent une genèse des galeries les plus anciennes aux Siebenhengste pendant le dernier dépôt de molasse, au Mio/Pliocène, avant l’approfondissement de la vallée de l’Aare. Datation des phases et information paléoclimatique: L’érosion laisse toujours des restes de sédiment à l’intérieur d’une cavité, que l’on peut utiliser pour une reconstitution du paléoclimat. La genèse des cavités et le dépôt de concrétions a lieu pendant les périodes chaudes, tandis que les glaciations causent l’arrêt de la spéléogenèse et le dépôt des limons varvés dus à l’ennoyement des galeries. Plusieurs profils sédimentaires, principalement dans la grotte de St. Béat, ont été étudiés. La succession sédimentaire permet une reconstitution chronologique des évènements, combinée ensuite avec les phases spéléogénétiques. On obtient ainsi des indications sur l’âge relatif des profils et des phases spéléogénétiques correspondantes. La datation de cette chronologie permet de retracer les phases spéléogénétiques et, en même temps, les avancées et retraits glaciaires. Les résultats montrent six avancées, à >350 ka, 235-180 ka, 157-135 ka, 114-99 ka, 76-54 ka et 39-16 ka. La phase spéléogénétique 760 était active à >350-235 ka, la phase 700 à 180-157 ka, la phase 660 à 135-39 ka, et la phase actuelle 558 entre 39 ka et aujourd’hui. L’analyse intégrale d’un système souterrain fournit des informations paléoclimatiques bien plus significatives que l’étude d’échantillons isolés dans un système essentiellement ouvert. La présente étude a été rendue possible grâce à la topographie souterraine bénévole effectuée par des générations de spéléologues.Die Region der Siebenhengste ist eine der grössten Höhlengebiete weltweit. Ihre hohe Dichte an Höhlengängen, die sich über mehr als 1500 Höhenmeter erstrecken, machen sie zu einem idealen Ort zum Studium der alpinen Paläogeomorphologie und glazialen Paläoklimatologie. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die St. Beatus-Höhle und den Bärenschacht, die sich am südlichen Ende der Höhlenregion befinden. Die Resultate über Tektonik, Hydrogeologie, Höhlenentstehung, Paläogeographie und Paläoklimatologie werden im Folgenden summarisch präsentiert. Tektonik und Stratigraphie: Der Versatz der Hohgant-Sundlauenen-Verwerfung (HSV) liegt bei 1 km. Die stratigraphischen Mächtigkeiten des Schrattenkalkes und der Hohgantserie erlauben, eine synsedimentäre Aktivität der HSV bereits ab der Unterkreide bis zum Eozän zu belegen. Eine komplexe Geschichte der Bruchaktivität und Sedimentation dieses Zeitalters wird nachgezeichnet. Die Waldegg ist eine Horst-Graben-Struktur. Hydrogeologie: Beobachtungen in der St. Beatus-Höhle haben gezeigt, dass Karstwässer auch innerhalb und quer zu undurchlässigen Schichten Höhlen bilden können. Zusätzlich sind vadose Diffluenzen sehr häufig, und Transfluenzen sind nicht auf Gebiete mit undurchlässigen Schichten beschränkt. Durch diese Beobachtungen können „seltsame“ Resultate von Färbversuchen erklärt werden. Ein Färbversuch erlaubte die Abgrenzung der Einzugsgebiete der St. Beatus-Höhle von demjenigen der Siebenhengste. Eine Übersicht über alle je in der Region durchgeführten Färbversuche wurde erstellt und erlaubt einen Überblick über die hydrogeologischen Systeme nördlich von Interlaken. Höhlenentstehung: Die Gangmorphologie zeigt, dass in der heutigen epiphreatischen Zone die zeitweilige Hochwasserkorrosion über die ständige Niederwassererosion dominiert, was eine phreatische Morphologie innerhalb der epiphreatischen Zone ergibt. Der Übergang Mäander-Röhre geschieht im Dach dieser Zone, welche für die letzte Morphogenese zumindest in alpinen Höhlen verantwortlich ist. Die speläogenetischen Phasen sind in Zusammenhang mit der epiphreatischen Zone. Soutirages entleeren die epiphreatische Zone während Niederwasser. Ihre Genese ist von der Existenz einer Hochwasserzone abhängig. Der Übergang von einer speläogenetischen Phase zur nächsten geschieht verhältnismässig schnell; ein Gleichgewicht zwischen Schüttung und Ganggrösse stellt sich jedoch sehr wahrscheinlich nur asymptotisch und nach einer sehr langen Zeit ein. Rekonstruktion der Paläogeographie: Es wurden zwölf speläogenetische Phasen verschiedenen Alters gefunden, deren Quelle wohl in Zusammenhang mit einem alten Talboden steht. Aus diesem Grunde sollten die speläogenetischen Phasen die Abfolge der Taleintiefung darstellen. Die in der vorliegenden Arbeit besonders studierten Phasen liegen auf 558, 660, 700, 760, 805 und 890 m ü.M. Die statistische Analyse von Kleinhöhlen bestätigt diese Phasen. Morphologische und sedimentologische Befunde legen eine Entstehung der ältesten Gänge auf den Siebenhengsten zur Zeit der Molasseablagerung, also im Mio-Pliozän, nahe, bevor das Aaretal begann zu existieren. Datierung der Phasen und paläoklimatische Informationen: Die Erosion verschont zumeist Überreste der Sedimente. Aus diesem Grund sind Höhlen zur Rekonstruktion des Paläoklimas geeignet. Höhlenentstehung und Tropfsteinablagerung geschieht während Warmzeiten, während Eiszeiten die Speläogenese behindern und wegen des Wasserspiegelanstiegs gewarvte Silte ablagern. Einige Sedimentprofile, zumeist aus der St. Beatus-Höhle, wurden untersucht. Die sedimentäre Abfolge erlaubt eine chronologische Rekonstruktion von Ereignissen, die dann mit den spelägenetischen Phasen kombiniert wird und so Angaben über die relative Abfolge der Profile untereinander sowie über die Alterszusammenhänge der Phasen liefert. Die Datierung dieser Chronologie erlaubt sodann die zeitliche Einstufung der speläogenetischen Phasen sowie der Eisvorstösse und -rückzüge. Die Resultate zeigen sechs Eisvorstösse bei >350 ka, 235-180 ka, 157-135 ka, 114-99 ka, 76-54 ka und 39-16 ka. Die speläogenetische Phase 760 war zwischen >350-235 ka aktiv, Phase 700 zwischen 180-157 ka, Phase 660 wiederum zwischen 135-39 ka, und die heutige Phase 558 seit 39 ka. Eine Gesamtanalyse der Höhle ergibt sinnvollere Resultate als die punktuelle Analyse von Einzelproben in einem grundsätzlich offenen System. Diese Arbeit war nur möglich dank der ehrenamtlichen Höhlenvermessung durch Generationen von Höhlenforschern.The Siebenhengste region is one of the most significant cave areas in the world. Its high density of cave passages that extend over 1500 m in altitude makes it a key site for the study of Alpine paleogeomorphology and paleoclimatology. The present thesis concentrates on St. Beatus Cave and Bärenschacht at the southern rim of the cave region. The tectonics, hydrogeology, speleogenesis, paleogeography, and paleoclimatology are summarised as follows: Tectonics and stratigraphy: The throw of the Hohgant-Sundlauenen fault (HSV) is around 1 km. The stratigraphical thickness of the Schrattenkalk and Hohgant series allow an examination of the synsedimentary activity of the HSV from the Lower Cretaceous up to the Eocene. A complicated history of faulting activity and sedimentation in this timespan is retraced. The Waldegg is found to be a Horst-Graben structure. Hydrogeology: Observations in St. Beatus Cave have shown that karst waters not only can generate caves across and within impermeable formations; in addition vadose diffluences are common, and transfluences do not necessarily require an impermeable layer to form. These findings allow an explanation of complex results of water tracings to be formulated. A tracing experiment permitted delineation of the catchment areas of St. Beatus Cave and Siebenhengste. A review of all tracing experiments performed in the Siebenhengste-Hohgant area is made, and allows an overview of the hydrogeologic systems to the north of Interlaken. Speleogenesis: The passage morphology shows that in the present epiphreatic zone, temporal floodwater corrosion prevails over perennial low-water erosion, resulting in a phreatic morphology of the tubes within the epiphreatic zone. The transition from meandering canyon to tubetype passages occurs at the top of this zone, which is responsible for the latest stage of tube morphogenesis in Alpine caves. The speleogenetic phases are related to the top of the epiphreatic zone. Soutirages empty the epiphreatic zone in low water condition. Their genesis is intimately connected to the existence of a floodwater zone. The transition from one speleogenetic phase to another happens rapidly; however, equilibrium between passage size and total discharge most probably is reached only asymptotically and needs considerable time. Reconstruction of paleogeography: Twelve speleogenetic phases of different age can be found. The spring responsible for their formation is thought to be related to an old valley bottom. Therefore, the speleogenetic phases should directly indicate the successive deepening of the valley. The six phases that are investigated in the present study are found at 558, 660, 700, 760, 805, and 890 m a.s.l. The statistical analysis of small caves near the surface supports the definition of these phases. Morphologic and sedimentologic findings suggest the genesis of the oldest conduits at Siebenhengste to be contemporaneous with the last Molasse deposition in Mio-Pliocene, before the Aare valley existed. Phase-dating and paleoclimatic information: Erosion always leaves some sedimentary traces within the cave, which therefore yields paleoclimatic information. Cave genesis and speleothem deposition occurs during warm periods, whereas during glaciations, speleogenesis stops. Instead, varved silts are deposited as a result of waterlevel rise. Several sediment profiles are investigated, most of them within the St. Beatus Cave. The sedimentary succession allows a chronological reconstruction of events that, when combined with the speleogenetic phases, gives information about the relative age of each profile, and thus about the age of the speleogenetic phase. The dating of this chronology then allows the estimation of ages for the speleogenetic phases and glacial advances and retreats. The results show six glaciations at >350 ka, 235-180 ka, 157-135 ka, 114-99 ka, 76-54 ka, and 39-16 ka. The speleogenetic phase 760 was present at >350-235 ka, phase 700 was active at 180-157 ka, phase 660 again at 135-39 ka, and the present phase 558 between 39 ka and today. A comprehensive analysis of a cave system gives much more meaningful results than the analysis of single points and structures in a basically open system. The present study was made possible by of the volunteer mapping efforts of generations of speleologists

Dating of Caves by Cosmogenic Nuclides: Method, Possibilities, and the Siebenhengste Example

Kozmični žarki povzročajo nastanek kozmogenih nuklidov na površini zemlje in tik pod njo. Za datiranje jamskih sedimentov sta posebej pomembna 10Be in 26Al, ki nastajata v kremenu. Ko je kamen na površini in izpostavljen kozmičnemu sevanju, nastajata v stalnem razmerju. Ko ga zanese v podzemlje, se tvorba kozmogenih nuklidov ustavi, nadaljuje pa se njihov radioaktivni razpad. Ker 26 Al razpada hitreje, lahko iz razmerja med njima izračunamo čas, ki je potekel odkar je kremen pod zemljo. Metodo lahko uporabimo na sedimentih, ki so pokopani oziroma v jami med 0.1 in 5 milijoni let. Na ta način lahko v idealnih primerih izračunamo hitrost vrezovanja dolin. Z opisano metodo smo določili starost najstarejših delov sistema Siebenhengste v Švici. Najstarejši sediment je star 4.4 ± 0.6 Ma in nakazuje, da je na tem območju potekalo zakrasevanje že v pliocenu.  Cosmic rays produce nuclides at and near the Earthʼs surface. 10Be and 26Al in quartz are of particular interest for dating cave sediments. These two nuclides are produced at the surface at a fixed ratio. If the quartz is carried from the surface into a cave, the sediment is shielded from additional cosmogenic nuclide production, and the inherited 10Be and 26Al decay radioactively. Because 26Al decays more rapidly than 10Be, the ratio of these two nuclides indicates the time since the sediment was washed underground. The burial dating method can be applied to sediments in the age range of approximately 0.1 to 5 Ma. In ideal cases, we get information about valley lowering rates. If the provenance of the sediment is known, averaged erosion rates of the source area can be estimated. The oldest cave phases of the Siebenhengste system, Switzerland, were dated using cosmogenic nuclides. The oldest sediment is 4.4 ± 0.6 Ma and thus indicates Pliocene karstification of the Siebenhengste.   

Snežna jama (Slovenia): Interdisciplinary dating of cave sediments and implication for landscape evolution

AbstractCaves are important markers of surface evolution, since they are, as a general rule, linked with ancient valley bottoms by their springs. However, caves can only be dated indirectly by means of the sediments they contain. If the sediment is older than common dating methods, one has to use multiple dating approaches in order to get meaningful results. U/Th dating, palaeomagnetic analysis of flowstone and sediment profiles, cosmogenic dating of quartz pebbles, and mammalian dating allowed a robust estimate of speleogenesis, sediment deposition, climatic change at the surface, and uplift history on the Periadriatic fault line during the Plio-Pleistocene. Our dates indicate that Snežna jama was formed in the (Upper) Miocene, received its sedimentary deposits during the Pliocene in a rather low-lying, hilly landscape, and became inactive due to uplift along the Periadriatic and Sava faults and climatic changes at the beginning of the Quaternary. Although it is only a single cave, the information contained within it makes it an important site of the Southern Alps

Cave and Karst evolution in the Alps and their relation to paleoclimate and paleotopography

Progress in the understanding of cave genesis processes, as well as the intensive research carried out in the Alps during the last decades, permit to summarize the latest knowledge about Alpine caves. The phreatic parts of cave systems develop close to the karst water table, which depends on the spring position, which in turn is generally related to the valley bottom. Thus, caves are directly linked with the geomorphic evolution of the surface and reflect valley deepening. The sediments deposited in the caves help to reconstruct the morphologic succession and the paleoclimatic evolution. Moreover, they are the only means to date the caves and thus the landscape evolution. Caves appear as soon as there is an emersion of limestone from the sea and a water table gradient. Mesozoic and early tertiary paleokarsts within the alpine range prove of these ancient emersions. Hydrothermal karst seems to be more widespread than previously presumed. This is mostly due to the fact that usually, hydrothermal caves are later reused (and reshaped) by meteoric waters

Sur la spéléogenèse dans les Alpes et au Mexique : Der Einfluss regionaler Grundwasserfliesssysteme auf die Initialphase der Speläogenese tiefer Karstsysfeme (L'influence des systèmes de circulation souterraine à l'échelle régionale sur la phase initiale de spéléogenèse des systèmes karstiques profonds), Michael Denneborg, Thèse en Sciences naturelles, Rheinisch-Westfàlische Technische Hochschule Aachen, 2001

Häuselmann Philipp. Sur la spéléogenèse dans les Alpes et au Mexique : Der Einfluss regionaler Grundwasserfliesssysteme auf die Initialphase der Speläogenese tiefer Karstsysfeme (L'influence des systèmes de circulation souterraine à l'échelle régionale sur la phase initiale de spéléogenèse des systèmes karstiques profonds), Michael Denneborg, Thèse en Sciences naturelles, Rheinisch-Westfàlische Technische Hochschule Aachen, 2001. In: Karstologia : revue de karstologie et de spéléologie physique, n°40, 2e semestre 2002. 20 ans de karstologie. Karst et carrières souterraines dans le Barrois. p. 61

Sur la spéléogenèse dans les Alpes et au Mexique : Der Einfluss regionaler Grundwasserfliesssysteme auf die Initialphase der Speläogenese tiefer Karstsysfeme (L'influence des systèmes de circulation souterraine à l'échelle régionale sur la phase initiale de spéléogenèse des systèmes karstiques profonds), Michael Denneborg, Thèse en Sciences naturelles, Rheinisch-Westfàlische Technische Hochschule Aachen, 2001

Häuselmann Philipp. Sur la spéléogenèse dans les Alpes et au Mexique : Der Einfluss regionaler Grundwasserfliesssysteme auf die Initialphase der Speläogenese tiefer Karstsysfeme (L'influence des systèmes de circulation souterraine à l'échelle régionale sur la phase initiale de spéléogenèse des systèmes karstiques profonds), Michael Denneborg, Thèse en Sciences naturelles, Rheinisch-Westfàlische Technische Hochschule Aachen, 2001. In: Karstologia : revue de karstologie et de spéléologie physique, n°40, 2e semestre 2002. 20 ans de karstologie. Karst et carrières souterraines dans le Barrois. p. 61

Cross-formational flow, diffluence and transfluence observed in St. Beatus Cave and Sieben Hengste (Switzerland)

Observations in St. Beatus Cave and neighbouring caves revealed complex water flowpaths that can be used for explaining the behaviour of tracing experiments. The observations prove that even in vadose conditions, cross-formational flow, diffluences and transfluences are a quite common feature. Therefore, also the vadose karst has a very complex organisation