Lumineszenzdatierung von Sedimenten zur Rekonstruktion der jungquartären Landschaftsentwicklung in der Mongolei

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, durch die Datierung mittels optisch stimulierter Lumineszenz einen Beitrag zur Rekonstruktion der Umweltgeschichte in der zentralen und südlichen Mongolei zu leisten. Aufgrund der mangelnden Verfügbarkeit geeigneter Archive (Pollenanalysen, 14C-Datierung) ist der Kenntnisstand zu den Umweltbedingungen während des Spätpleistozäns und Holozäns in diesem Gebiet bisher unzureichend. Auch die Literaturangaben über das Paläoklima in den umliegenden Regionen sind sowohl zeitlich als auch räumlich lückenhaft und widersprüchlich. Bei der vorliegenden Untersuchung wurde ein makroskopischer Ansatz gewählt, um einen grundlegenden Kenntnisstand durch die Entschlüsselung von Paläoumweltinformationen aus sedimentären Geo-Archiven zu erzielen. Untersucht wurden vier Teilarbeitsgebiete, die jeweils eine möglichst in sich „geschlossene“ Klima- und Entwicklungsgeschichte aufweisen. Hierbei handelt es sich um ein endorheisches Becken (Tal der Gobi-Seen), zwei Dünenfelder (Mongol Els, Khongoryn Els) und eine punktuell stark anthropogen geprägte Region (Kharkhorin). In jedem dieser Arbeitsgebiete wurden sechs bis sieben Profile beprobt, um verifizierbare Aussagen durch Vergleich der Daten treffen zu können. Im Rahmen der Untersuchung sind drei wesentliche Bereiche bearbeitet worden: a) Die Ermittlung eines geeigneten Messverfahrens innerhalb des Methodenspektrums der optisch stimulierten Lumineszenz b) Die Verknüpfung punktueller IRSL-Alter zu einer Rekonstruktion der Landschaftsgeschichte im Teilarbeitsgebiet c) Die Ausgliederung von überregionalen Phasen geomorphodynamischer Aktivität, aus denen sich durch Korrelation mit in der Literatur beschriebenen Proxies Rückschlüsse auf eine klimatische Steuerung ziehen lassen Im ersten Schritt ging es primär darum, geeignete Messparameter innerhalb des Methodenspektrums der optisch stimulierten Lumineszenz zu entwickeln, welches zu präzisen und richtigen Altersdaten mongolischer Sedimente führt. Im Zuge dieser Untersuchungen wurde festgestellt, dass eine Datierung von Quarzen im Arbeitsgebiet südliche Mongolei nicht aussichtsreich ist. Verschiedene Methoden konnten eine Kontamination der Quarze mit Plagioklasen nachweisen. Dieses Problem konnte weder durch alternative Aufbereitungstechniken noch durch messmethodische Ansätze gelöst werden. In der Folge wurde für alle Proben die Fraktion der Kali-Feldspäte separiert und datiert. Es wurde ein Messprozedere auf Basis des SAR-Protokolls erarbeitet, welches es ermöglicht, eine Äquivalenzdosis mit hoher Reproduzierbarkeit zu ermitteln. Allerdings sind bei der Generierung von Altersdaten mehrere Problembereiche zu berücksichtigen gewesen. Zum Einen wurde gegen Ende der vorliegenden Arbeit „optical cross-talk“ (Bray et al. 2002), also eine nicht vorgesehene Ausleuchtung benachbarter Messpositionen im Zuge der optischen Stimulation des Lumineszenzsignals, festgestellt. Durch systematische Untersuchungen konnte das Problem quantifiziert und ein entsprechendes – tentatives – Korrekturverfahren entwickelt werden. Zum Anderen stellt bei der Datierung von Feldspäten das Problem des „anomalous fading“ eine gewisse Unsicherheit der Altersbestimmung dar. Der damit verbundene Signalverlust wurde unter Laborbedingungen ermittelt und auf geologische Zeiträume extrapoliert (Huntley & Lamothe 2001). Für die Proben in einem Altersbereich >30 ka wurde das Post-IR-IR290°C-Protokoll (Thiel et al. 2011) getestet, welches auf der Stimulation eines „stabileren“ IRSL-Signals mittels hoher Messtemperatur basiert. Die verfügbaren Qualitätskriterien zeigen positive Ergebnisse, was unter methodischen Gesichtspunkten die Anwendbarkeit dieses Protokolls für mongolische Feldspäte belegt. Die damit ermittelten prä-eemzeitlichen und eemzeitlichen Alter sind zudem auch landschaftsgeschichtlich relevant, da ohne die Datierung die unterschiedlichen Reliefgenerationen (>100 ka und <10 ka) nicht erkannt worden wären. Unvollständige Bleichung wurde nur für wenige der untersuchten Proben identifiziert. Um für die betroffenen Proben eine bestmögliche Annäherung an das wahre Sedimentationsalter zu ermöglichen, wurde für diese das Finite Mixture Model nach Galbraith & Green (1990) angewendet (statt des Central Age Models für alle anderen, gut gebleichten Proben). Die Dosisleistung wurde mittels Gamma-Spektrometrie ermittelt. Für einige Proben deuten die Ergebnisse ein radioaktives Ungleichgewicht in der Zerfallsreihe an, eine endgültige Einschätzung könnte nur durch den Vergleich mit Methoden, die die Bestimmung von 238U/234U erlauben, erfolgen. Die Abwägung verschiedener Szenarien der Entstehung eines solchen Ungleichgewichts zeigt jedoch, dass die daraus resultierende Unsicherheit der Altersbestimmung von untergeordneter Bedeutung ist. Trotz der beschriebenen Datierungsprobleme ist eine vergleichsweise hohe Präzision der Ergebnisse gegeben, die relativen Altersfehler liegen bei durchschnittlich 12 %. Ob die ermittelten Ergebnisse jedoch auch den tatsächlichen Zeitpunkt der Verlagerung korrekt widerspiegeln, kann ohne systematische Alterskontrolle nicht abschließend beantwortet werden. Jedoch stimmt das einzige 14C-Alter, welches als Alterskontrolle geeignet ist, mit der ermittelten IRSL-Chronostratigraphie überein. Auch die Tatsache, dass kaum Altersinversionen in den untersuchten Profilen vorkommen, kann als Beleg für die Zuverlässigkeit interpretiert werden. Die Proben, die innerhalb des IRSL-Methodenspektrum mit den Messverfahren SAR-IRSL50°C, Post-IR-IRSL290°C sowie Post-IR-YOSL260°C in Freiberg parallel datiert wurden, liefern ebenfalls übereinstimmende Ergebnisse. Eine Ableitung von geomorphologischen Prozessabfolgen innerhalb der Teilarbeitsgebiete aus den ermittelten Daten erscheint daher zum gegenwärtigen Stand gerechtfertigt – wenn auch unter dem Vorbehalt, dass zwar bestimmte Phasen der Aktivität ermittelt werden können, innerhalb dieser Phasen jedoch gewisse Altersunsicherheiten bestehen. Einige der Aspekte der Landschaftsentwicklung in den Teilarbeitsgebieten können wie folgt zusammengefasst werden: Im endorheischen Becken des Bayan Tochom (Arbeitsgebiet Khongoryn Els) konnte eine Genese der oberflächennahen, kolluvialen/alluvialen Schichten des Schwemmfächers am Übergang zu den Beckensedimenten während und nach dem LGM ermittelt werden. Die Alter der beprobten äolischen Sedimente im Beckenbereich sind jünger als etwa 3,2 ka. Zwischen den Dünen kommt es jedoch auch unter den rezent ariden Bedingungen zu einem episodischen Aufstau von Niederschlags- und Abflusswasser. Für den nordöstlichen Teil des Dünenfeldes Khongoryn Els wurde aus den IRSL-Altern im Profil US eine Prozessabfolge abgeleitet, die eine Entstehung der Wechsellagerung von äolischen Sanden und schluffreichen Sedimenten (durch Aufstau am Dünenfeld) innerhalb eines kurzen Zeitraums während des Spätglazials um 15 ka vermuten lässt. Nach dem Durchbruch des Dünenriegels ab etwa 12 ka erfolgte die Sedimentation der Hochflutlehme und fluvialer Sedimente im Profil KG auf der Nordseite des Dünenzuges. Im Früh- bis Mittelholozän um 8-7 ka war die unter rezenten Bedingungen trockenliegende Endpfanne des Flusses Khongoryn Gol am nordwestlichen Ende des Dünenfeldes Khongoryn Els wassergefüllt. Aus einem Dünenprofil konnten zudem aride Bedingungen seit mindestens 2 ka abgeleitet werden. Für das Becken des Oroog Nuur wurden ausschließlich holozäne Alter ermittelt, die eine Landschaftsentwicklung wie folgt vermuten lassen: Im mittleren Holozän um 7-6 ka lag der Seespiegel 23 m über dem heutigen Niveau (sofern tektonische Einflüsse unberücksichtigt bleiben), ab ca. 4,6 ka war der Wasserstand bereits mindestens um 13 m gefallen. Seit etwa 2 ka findet verstärkt äolische Sedimentation statt. Ähnlich wie im Becken des Bayan Tochom, konnten ton- und schluffhaltige Sedimente identifiziert werden, die im Gelände zunächst als „lakustrine“ Sedimente interpretiert worden waren. Die rezenten Alter dieser Sedimente belegen aber, dass sie durch spülaquatische Prozesse zwischen den Dünenkörpern entstanden sind. Die Datierung der Proben aus dem Strandwall in 20 m Höhe über dem Zentrum des heute ausgetrockneten Seebeckens des Adgin Tsagaan Nuur lässt eine dreiteilige Profilgenese vermuten: Das Alter der Probe ATSW-4 lässt eine Ablagerung der vermutlich fluvialen Sedimente an der Basis vor 33 ka annehmen. Die Alter der beiden Proben am Top des Profils implizieren, dass um 12 ka die Entstehung des Strandwalls bereits mehr oder weniger abgeschlossen war. Die kieshaltige Schlufflage im Luv des Strandwalls hat ein OSL-Alter von 3,6 ka. Dieses Sediment wurde also nachträglich auf den Strandwall abgelagert. Innerhalb des Arbeitsgebietes „Mongol Els“ konnten sehr unterschiedliche Reliefgenerationen ausgegliedert werden. So lässt sich auc dem Alter eines äolischen Sediments am Top einer Düne (Profil ME-T) die Entstehung während des MIS 6 ableiten. Die darüber liegenden schluffreichen Sedimente mit Altern um 120 ka werden als Relikte eines eemzeitlichen Paläosees gedeutet. Die Alter der Sand- und Schlufflagen in einer Senke innerhalb des Dünenfeldes (Profil ME-S) implizieren eine mittelholozäne „Seephase“ um 5 ka. Die Sedimente im Überflutungsbereich an der Dünenfront repräsentieren episodische Überflutungen während einer grundsätzlich ariden Zeit innerhalb der letzten 1,4 ka. Während dieser Zeit sind auch die Dünen am Rande des Dünenfeldes entstanden. Die heterogenen Sedimente des Flusses Savhan Gol, der das Dünenfeld Mongol Els lateral umfließt, weisen Alter auf, die auf eine hohe Geomorphodynamik jeweils an der Wende vom MIS 7 zum MIS 6 und vom MIS 6 zum MIS 5 schließen lassen. Im Arbeitsgebiet „Orchon-Tal“ in der Nähe der historischen Hauptstadt Karakorum wurden spätglaziale Alter von sandigen und sandig-grusigen Sedimenten auf den Oberflächen der Terrassen und der Hänge ermittelt. Kurz danach setzt vermutlich eine kurze Bodenbildungsphase ein, die von der Überdeckung mit Sand um 8,4 ka unterbrochen wird. Eine weitere Bodenbildungsphase im frühen bis mittleren Holozän ist in zwei Profilen (HAR-I-a und HAR-II) zu vermuten. Im späten Holozän ist die geomorphologische Aktivität im Orchontal erhöht, sowohl auf den Terrassen als auch in den Rinnen werden verstärkt Sedimente – vermutlich sowohl äolisch als auch kolluvial-alluvial – abgelagert. Noch weiter beschleunigt wird die Remobilisierung von Sanden durch den Eingriff des Menschen, der insbesondere zur Zeit der Herrschaft Dschinghis Khans (~0,8 ka) deutlich ist. Ein wesentlicher Kritikpunkt an den dargestellten Ergebnissen ist es, dass diese sehr punktuell sind, was eine allgemeine Landschaftsrekonstruktion sowohl in den Teilarbeitsgebieten als auch im gesamten Arbeitsgebiet nur eingeschränkt möglich macht. Die erzielten Befunde müssten in weiteren Untersuchungen systematisch verifiziert werden. Zudem wäre ein breiteres Methodenspektrum zur Charakterisierung der Sedimente wünschenswert. Unter Berücksichtigung dieser einschränkenden Bedingungen wird die beschriebene Prozessdynamik zu einer flächenhaften Interpretation klimatischer Bedingungen verknüpft. Zu den Klimaphasen, die aus den Erkenntnissen in mehreren Profilen vergleichsweise reproduzierbar ermittelt werden konnten, gehören: a) Ein vergleichsweise trockenes Spätglazial (18 ka bis etwa 11/10 ka) mit episodischen Niederschlägen b) Ein Klimaoptimum während des mittleren Holozäns (8 ka bis etwa 5/4 ka) mit hohen Seespiegeln, wassergefüllten Senken sowie Bodenbildung im Orchon-Tal c) Ein Wandel zu trockeneren Bedingungen in der Zeit zwischen etwa 5 ka und 3 ka mit erhöhter kolluvialer Aktivität d) Aridisierung seit etwa 3 ka, die durch Dünenaktivität an mehreren Stellen nachgewiesen wurde e) Verstärkter anthropogener Einfluss im Arbeitsgebiet Orchon-Tal um ~0,8 k

Distribution and timing of Holocene and late Pleistocene glacier fluctuations in western Mongolia

Despite being a key location for paleoglaciological research in north-central Asia, with the largest number of modern and Pleistocene glaciers, and in the transition zone between the humid Russian Altai and dry Gobi Altai, little is known about the precise extent and timing of Holocene and late Pleistocene glaciations in western Mongolia. Here we present detailed information on the distribution of modern and late Holocene glaciers, and new results addressing the geomorphological differentiation and numerical dating (by optically stimulated luminescence, OSL) of Pleistocene glacial sequences in these areas. For the Mongolian Altai, geochronological results suggest large ice advances correlative to marine isotope stages (MIS) 4 and 2. This is in contrast to results from the Khangai mountains, central Mongolia, showing that significant ice advances additionally occurred during MIS3. During the Pleistocene, glacial equilibrium-line altitudes (ELAs) were �500 to >1000m lower in the more humid portion of the Russian and western Mongolian Altai, compared to 300–600m in the drier ranges of the eastern Mongolian Altai. Pleistocene ELAs in the Khangai mountains were depressed by 700–1000 m, suggesting more humid conditions at times of major glaciation than in the eastern Mongolian Altai. This paleo-ELA pattern reveals that the precipitation gradient from the drier to the more humid regions was more pronounced during glacial times than at present

Implications of (reworked) aeolian sediments and paleosols for Holocene environmental change in Western Mongolia

In the semi-arid to semi-humid regions of western Mongolia four different geomorphological aeolian and fluvial archives were investigated in order to gain environmental information of landscape evolution during the late glacial and the Holocene. These archives, which contain aeolian deposits, fluvial sediments, and paleosols, are situated upon glacial moraines, fluvial terraces, floodplains,or mountain slopes. While radiometric dating provides information about the age of the sediment and paleosols, grain size and element distribution provide information about the sediment source and soil development. Extensive aeolian sediment transport occurred from 17 to 10 ka during the late glacial when climate was cold and dry. Since that period the developing steppe and alpine meadow vegetation served as a dust trap. During the warm and wet early to mid-Holocene sediment transport was reduced under a dense vegetation cover. All paleosols of the investigated archives show late Holocene ages which point to an environmental turning point around 3 ka. Since then, the Neoglacial period started with cooler climate conditions and periglacial processes intensified again. Recognizable glacier advances occurred during the Little Ice Age several centuries ago. Since then, global climate change leads to warmer and more arid conditions. During the late Holocene, a new period of strong geomorphological activity started and huge quantities of aeolian, colluvial and fluvial sediment accumulated. These intensified soil relocation processes cannot be explained exclusively by climate change because there are no explicit indications found in the palynological and lacustrine records of Mongolia. This discrepancy suggests that the additional factor of human impact has to be considered, which amplified the climate signal on the landscape. Simultaneously, when the enhanced geomorphological processes occurred, the prehistoric people changed from hunting and gathering to livestock husbandry. A first extensive population growth of the Scythian nomadic tribes is documented for the beginning of the Bronze Age in Central Asia. This temporal concurrence supports the finding of a first extensive human impact on landscape development

Paleolakes in the Gobi region of southern Mongolia

Numerous lakes and remnants of paleolakes exist in western and southern Mongolia. For six basins in the area, detailed geomorphological maps were compiled, based on extensive field studies and remote sensing datasets. Several phases of high and low lake levels were reconstructed and dated by radiocarbon and optically stimulated luminescence. During the marine isotope stage (MIS) 6 lakes in southern and western Mongolia mostly disappeared. In contrast, large paleolakes existed during the last interglacial (MIS 5e) and lasted probably until the beginning of the last glacial. These huge lakes were caused by a strong East Asian summer monsoon, which reached southern and even western Mongolia. During the MIS 3 the monsoon was considerably weaker and most of the lakes were relatively small or even disappeared. Higher lake levels of this period were only recorded at the Orog Nuur. However, at this time the lake was fed by glacial melt water from the Khangai Mountains. The MIS 2 was again a very dry period. The previously supposed phase of synchronous high lake levels and glaciations in southern and western Mongolia is not supported by the data presented here. During the Holocene, lakes in the western and southern part of the study area evolved differently. Early Holocene high lake levels were reconstructed for the western lakes, while most of the southern lakes had highest lake levels in the mid Holocene. These differences can be attributed to different moisture bearing atmospheric systems. In the late Holocene lake levels were generally low and in the last 50 years most lakes completely disappeared due to a strong human usage of the water resources. (C) 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved

Quantification of cross-bleaching during infrared (IR) light stimulation

International audienceThe cross-bleaching behaviour of automated Risø TL/OSL (DA-12, DA-15, DA-20) luminescence readers is investigated. By design, up to 24 or 48 aliquots can be stored on a carousel in a single measurement chamber. Due to this construction, irradiation or illumination on one sample may affect the adjacent position resulting in systematic errors. Previously reported for blue LEDs, such cross-talk (cross-bleaching/illumination) has never been quantified explicitly for the infrared (IR) LEDs, although they are intensively used in IRSL measurements of e.g. feldspar and polymineral samples. In IRSL measurements of feldspar or polymineral samples it is important to keep the time constant between the (midpoint of the) irradiation and the subsequent read out to avoid the malign effects of anomalous fading in laboratory constructed dose response curves. This may be achieved by running all measurements for equivalent dose estimation on a single sample before moving to a subsequent sample (e.g. by using the " run 1 at a time " option in the Risø sequence editor). However, if the measurement sequence is not designed carefully, then using this option may result in a significant depletion of the natural signal on subsequent samples. Here we investigate the size of this reduction due to cross-bleaching from the IR diodes and quantify the cross-bleaching for 10 different Risø TL/OSL readers produced between 1994 and 2011. We find that cross-bleaching from the IR diodes is worse than from the blue diodes. Using the " run 1 at the time " option can result in significant dose underestimation (1) if the sequence is not split into different sets, or (2) if samples are not placed on every 2 nd position. In addition, a newly designed flange for the optical unit of the TL/OSL reader is presented which appears to reduce cross-bleaching significantly