"The riddle of the sands": Luminescence dating of coastal sediments from the southern Baltic Sea and southern North Sea coast

Abstract

A better understanding of coastal sedimentary processes and the relating controlling environmental parameters (e.g. climate, sea-level, sediment supply, and vegetation cover) is crucial for developing concepts of enhanced coastal protection. Past changes of the environmental parameters are recorded in coastal sedimentary archives. Thus, Holocene barrier-spits are an important natural laboratory to investigate the cause-effect relationship between developments of coastal sedimentary systems (e.g. beach plains, foredune plains) and the controlling environmental parameters and furthermore to study the regional and local significance of e.g. supraregional sea-level or climate fluctuations. This task requires, in addition to investigations of the coastal sedimentary setting, a reliable estimation of depositional ages from different sedimentary settings. The main objective of the thesis is to establish significantly improved chronologies of three barrier-spits located at the southern Baltic Sea (Świna-barrier, Darss-Zingst) and the southern North Sea coast (northern spit of Sylt) by means of luminescence dating. The second main objective is to improve the applicability of luminescence dating methods for the reconstruction of Holocene coastal evolution in general. The luminescence dating of the very detailed foredune succession at the Świna-barrier reveals that progradation of the foredune plain and thus development of the Holocene barrier-spit started subsequently after the main phase of the Littorina transgression when the fast sea-level rise decelerated (after ~5500-5000 BC). The minor sea-level fluctuations after 5000 BC are not recorded in the investigated sediment sequences of the southern Baltic Sea. However, the data reveals that the late Subatlantic transgression (~800 AD) caused a significant decrease of the progradation dynamics at the Świna-barrier and an alteration of the sediment dynamics in Darss-Zingst. Furthermore, the data indicate that the formation of foredunes and swash-bars (i.e. foredune or beach plain progradation) likely correlates to warmer, milder and calmer phases within the mid- to late-Holocene, whereas time gaps within the chronology of the Świna- barrier foredune progradation (i.e. periods of an erosive or stagnant foredune plain) correlate to phases of enhanced aeolian activity (at ~2200 BC, ~900 BC, ~100 AD, ~600 AD, ~1000 AD, and ~1550 AD) and in four out of six cases to general climatic shifts (at ~2200 BC, ~900 BC, ~600 AD, and ~1550 AD) to colder and stormier conditions within the Holocene. It is well proven for the investigated Holocene coastal sediments that optically stimulated luminescence (OSL) of quartz applying the single-aliquot regenerative-dose (SAR) protocol is a reliable dating method. Single-grain quartz OSL makes it possible to date incomplete bleached sediments as well as sediment mixtures. Moreover, it is shown for the investigated sediments that the measurement of approved small aliquots of quartz can be used as reliable proxy for single-grain measurements. Nevertheless, in a few regional and sedimentary settings quartz is not suitable as luminescence dosimeter. The thesis shows that feldspar can be used as an alternative dosimeter if the post-IR IRSL (pIRIR) signal and a modified pIRIR measurement protocol are used for dating. However, residual doses and thermal transfer are more significant for the pIRIR signal than for quartz OSL and the conventional IRSL feldspar signal. Furthermore, luminescence signal zeroing of the pIRIR is slow and thus the probability of incomplete bleached feldspar is significantly higher than for quartz OSL. However, distinct populations of well-bleached feldspar grains within incomplete bleached sediment samples are detected by single-grain pIRIR measurements.

Ein besseres Verständnis von küstennahen Sedimentationsprozessen und den bedingenden natürlichen Steuerungsfaktoren (z.B. Klima, Meeresspiegel, Sedimentverfügbarkeit und Vegetationsbedeckung) ist Grundvoraussetzung für die Entwicklung von verbesserten Küstenschutzkonzepten, da die Veränderlichkeit der natürlichen Steuerungsfaktoren in der Vergangenheit in Küstensedimentarchiven dokumentiert ist. Holozäne Nehrungssysteme sind somit ein wichtiges natürliches Labor, um die Wechselbeziehung zwischen der Entwicklung von küstennahen Sedimentsystemen (z.B. Strandwallsysteme) und den natürlichen Steuerungsfaktoren zu untersuchen. Darüber hinaus kann die regionale und lokale Wirksamkeit von überregionalen Meeresspiegel‐ und Klimaschwankungen erforscht werden. Dazu ist neben der Untersuchung der Küstensedimentsysteme eine verlässliche Altersbestimmung verschiedener küstennaher Sedimente unbedingt erforderlich. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es mittels der Lumineszenz‐Datierungsmethode, einen nachhaltig verbesserten geochronologischen Rahmen für drei Nehrungssysteme der südlichen Ostseeküste (Świna‐Pforte, Darss‐Zingst) und der südlichen Nordseeküste (nördliche Nehrung Sylt) aufzustellen.Ein zweites Hauptaugenmerk liegt auf der Verbesserung der Anwendbarkeit der Lumineszenz‐Methode zur Rekonstruktion holozäner Küstenentwicklungen. Die Lumineszenz‐Datierung der sehr detaillierten Abfolge von überdünten Strandwällen der Świna‐Pforte zeigt, dass die Progradation des Strandwallsystems und somit auch die Entwicklung des Nehrungssystems unmittelbar nach der Hauptphase der Littorina‐Transgression, als sich der zunächst schnelle Meeresspiegelanstieg verlangsamte (nach ca. 5500‐5000 v. Chr.), startete. Die kleineren Meeresspiegelschwankungen nach 5000 v. Chr. sind dagegen in den untersuchten Sedimentsequenzen der südlichen Ostseeküste nicht dokumentiert. Nur die jungsubatlantische Transgression um ca. 800 n. Chr. verursachte eine nachweisbare Verringerung der Progradationsdynamik an der Świna‐Pforte und eine Umstellung der Sedimentdynamik auf Darss‐Zingst. Des Weiteren lassen die Daten schließen, das die Bildung von überdünten Strandwällen und somit die Progradation eines Strandwallsystems, sehr wahrscheinlich mit wärmeren, milderen und ruhigen klimatischen Phasen innerhalb des mittleren bis späten Holozäns korreliert. Die Zeitlücken in der Chronologie der Strandwallprogradation der Świna‐Pforte, das heißt ein stagnierendes oder erosives Strandwallsystem, hingegen, korrelieren mit Phasen erhöhter äolischer Aktivität (um ca. 2200 v. Chr., 900 v. Chr., 100 n. Chr., 600 n. Chr., 1000 n. Chr. und ca. 1550 n. Chr.), die in vier von sechs Fällen (2200 v. Chr., 900 v. Chr., 600 n. Chr. und ca. 1550 n. Chr.) mit generellen klimatischen Verschlechterungen innerhalb des Holozäns in Verbindungen stehen. Es ist erwiesen, dass die Optisch Stimulierte Lumineszenz (OSL) von Quarz unter Anwendung des „single‐aliquot regenerative‐dose“ (SAR) Messprotokolls eine verlässliche Methode ist, um die zu untersuchenden holozänen Küstensedimente zu datieren. Die Analyse von Quarz‐Einzelkörnern ermöglicht darüber hinaus die Datierung von schlecht gebleichten Sedimenten oder Sedimentgemischen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Messung von überprüften kleinen Quarz‐Aliquots als ein zuverlässlicher Proxy für die Messung von Quarz‐Einzelkörnern genommen werden kann. In einigen Regionen oder sedimentären Umgebungen ist die Verwendung von Quarz als Lumineszenz‐Dosimeter eingeschränkt oder unmöglich. Die vorgelegte Arbeit zeigt, dass Feldspat als alternatives Lumineszenz‐Dosimeter verwendet werden kann, wenn das post‐IR IRSL (pIRIR) Signal und ein modifiziertes pIRIR Messprotokol zur Anwendung kommt. Jedoch haben „residual doses“ und „thermal transfer“ eine größere Signifikanz für das pIRIR Feldspatsignal als für das Quarz‐ (OSL) und das konventionelle (IRSL) Feldspatsignal. Darüber hinaus, ist die Signalnullsetzung des pIRIR Feldspatsignales langsamer und somit ist die Wahrscheinlichkeit von schlechter Bleichung signifikant erhöht im Vergleich zur Quarz OSL. Dennoch konnten Alterspopulationen von gut gebleichten Feldspatkörnern in schlecht gebleichten Sedimenten mittels der pIRIR Einzelkorndatierung identifiziert werden.