Luminescence dating of transgressions in the Bohai Coast China since the Middle Pleistocene

Abstract

Coastal areas hold major social and economic value. Understanding past coastal evolution is therefore crucial to anticipate future changes which will affect these areas of high significance. The Bohai Sea, situated at the transition zone between the East Eurasian Continent and West Pacific Ocean, is an area particularly sensitive to sea-level changes and sediment inputs. Due to the continuous subsidence of the Bohai basin since the Cenozoic, thick sediment sequences accumulated progressively in the Bohai Coast, providing a valuable proxy record of climate and environmental evolution. Sedimentary sequences in the Bohai Coast indicate three main transgressive and regressive phases, associated with the regional sea-level change and terrestrial influence since the Middle Pleistocene. The chronology of these transgressions and regressions is however not well constrained, and requires a thorough investigation. The main objective of this thesis is to establish a reliable chronological framework for the three transgressions identified in the Bohai Coast since the Middle Pleistocene, using Optically Stimulated Luminescence (OSL) dating. A careful validation of different OSL approaches is first conducted. The quartz OSL signal was fully reset for materials from the North Bohai Coast, while the K-feldspar luminescence signals were well bleached for the pre-Holocene deposits, validating the use of this dosimeter to establish a robust chronology of the Bohai sediments. To correct the undesirable signal loss over geological time scale associated with the use of this mineral, the fading correction method based upon the theory of power-law decay of tunnelling is tested. Fading corrected ages in agreement with the reference chronology confirm the validity of this fading correction method. Quartz OSL dating is applied to the coastal core sediments and dune sands from the North Bohai Coast. The quartz and feldspar luminescence chronologies indicate that the earliest transgression occurred ca. 200 ka, correlating with the sea-level highstand during Marine Isotope Stage (MIS) 7. Based on the age-depth relation, the second transgression very likely occurred during MIS 5. Both the radiocarbon dates and the quartz OSL ages show that the transgressive sedimentary facies in association with the rising of the sea-level during MIS 3 is not preserved in the Bohai cores. The last transgression correlates with the Holocene sea-level rise. Luminescence chronology, in conjunction with the historical records of the shoreline migration, reveals that the sea-level constantly stayed at highstand between ca. 6 and 1 ka in the North Bohai Coast, and then retreated rapidly causing the delta progradation. Thin transgressive deposits, equivalent to an annual sediment increment of 2.7×104 m3·a-1 between 6-1 ka, are explained by the flat relief and insufficient sediment supply. The rapid deltaic progradation, which includes an episodic deposition by multiple flooding events at ca. 700 a, resulted in the dramatic increase of sediment increment (9.1×106 m3·a-1) over the last millennia. This sudden increase was triggered by both the winter monsoon enhancement and the reduction of plant cover and soil erosion by human activity. On the contrary, a rapid inland sand deposition after the Little Ice Age was most likely related to the Immigrant and Reclamation Policy.

Durch die hohe sozio-ökonomische Bedeutung von Küstenregionen ist es wichtig, deren geologische Entwicklungsgeschichte zu verstehen, um Aussagen zu künftigen Küstenveränderungen prognostizieren zu können. Das Bohai-Meer, welches in der Übergangszone zwischen dem Eurasischen Kontinent und dem Pazifischem Ozean liegt, reagiert sehr sensibel auf Meeresspiegelschwankungen, sowie auf Änderungen im Sedimenteintrag. Die seit dem Känozoikum anhaltende Subsidenz führte zur Ablagerung von mächtigen Sedimentabfolgen entlang der Küste von Bohai. Diese enthalten wertvolle Informationen über die Klima- und Umweltentwicklung dieses Zeitabschnittes. Sedimentologische Variationen, besonders die der drei Hauptzyklen mit transgressiven und regressiven Sedimente, spiegeln die Umweltveränderungen wider, welche verbunden sind mit Schwankungen des Meeresspiegels und terrestrischer Einflüsse seit dem mittleren Pleistozän. Trotz ihrer Bedeutung ist die zeitliche Abfolge der Transgressionen und Regressionen kaum bekannt und bedarf daher einer eingehenden Untersuchung. Das Hauptziel der vorliegenden Dissertation ist die Erstellung einer belastbaren chronologischen Altersabfolge für drei Transgressions-Phasen, welche seit dem Mittleren Pleistozän entlang der Küste von Bohai stattgefunden haben. Hierzu erfolgte zuerst eine sorgfältige Überprüfung der zur Verfügung stehenden Lumineszenz-Methoden. Das Lumineszenz- Signal des Kaliumfeldspat erwies sich als gut gebleicht und deshalb als geeignet zum Datieren der Bohai-Ablagerungen. Die Fading-Korrekturmethode basiert auf power-law decay of tunnelling ergibt Alter die mit der Referenzchronologie übereinstimmen und somit die Richtigkeit der Fading korrigierten Alter bestätigen. Sedimente aus Bohrkernen der Küstenregion, sowie Dünensande von der Nord-Küste von Bohai wurden mit Hilfe der optisch stimulierte Lumineszenz (OSL) Methode datiert. Die Quarz OSL (innerhalb 50 ka) und Feldspat pIRIR (10-250 ka) Lumineszenz Alter zeigen, dass die früheste Transgression vor c. 200 ka erfolgte, was mit dem Meeresspiegel-Hochstand im Marinen Isotopen Stadium (MIS) 7 korreliert. Basierend auf Alter-Tiefe Verhältnissen ist die zweite Transgression höchstwahrscheinlich im MIS 5 aufgetreten. Sowohl die Radiokarbon- als auch die Quarz-OSL-Alter ergaben, dass transgressive Ablagerungen des Meeresspiegel-Hochstandes während des MIS 3 nicht in den Bohai-Kernen erhalten geblieben sind. Die letzte Transgression korreliert mit dem holozänen Meeresspiegelanstieges. Die Lumineszenz- Chronologie in Verbindung mit Aufzeichnungen über historische Küstenverlagerungen verweisen auf einen konstant oszillierenden Meeresspiegel mit einem Höchststand zwischen ca. 6 und 1 ka entlang der Nord-Küste von Bohai. Hierauf folgt ein schneller Rückgang, welcher eine Delta-Progradation bewirkt. Geringmächtige transgressive Ablagerungen, korrespondierend mit einem jährlichem Sedimentzuwachs von 2.7×104 m3·a-1 im Zeitraum zwischen 6-1 ka, sind durch das flache Relief und die insuffiziente Sedimentzufuhr bedingt. Die schnelle Progradation, inklusive der episodischen Ablagerung durch häufige Flutereignisse der letzten 700 a, resultiert in einem dramatischen Anstieg des Sedimentzuwachses auf 9.1×106 m3·a-1 im letzten Jahrtausend. Diese Zunahme wurde ausgelöst durch die Intensivierung des Wintermonsuns, sowie durch menschliche Aktivität. Die Ablagerung von Sand steigt seit dem Ende der Kleinen Eiszeit rapide an, welches in Zusammenhang mit menschlichen Eingriffen in den Naturhaushalt steht.