Responses of regional sedimentary archives to Late Quaternary climate change: Luminescence dating of coastal, lacustrine and aeolian deposits from northern China and Germany

Abstract

Chronology is the backbone of history. Geochronology plays the same role in geosciences research. The optically stimulated luminescence (OSL) dating is one of the most intensively and commonly applied numerical dating techniques in determining the age of Late Quaternary sediments. This dissertation focuses both on quartz OSL dating applications of Late Quaternary sediments to refine the chronological framework of regional sedimentary records and on methodological development in feldspar luminescence dating. For that reason, three sedimentary archives were chosen from northern China and Germany. Given validation of any dating method by comparison with other methods is necessary, radiocarbon dating is carried out as independent age control whenever possible. The research samples were collected from three different sedimentary archives, which are the Garding-2 core (240 m) drilled in the Eiderstedt Peninsula from the German North Sea coast, loess in central and western Qilian Shan in northwestern China and Huangqihai Lake from the East Asian monsoon marginal area in northern China. The quartz OSL dating using single-aliquot regenerative-dose (SAR) protocol is primarily carried out for all three case studies. For the Garding-2 core, sand-sized quartz fractions are extracted from the uppermost 26 m of the core. The luminescence performance demonstrated that the quartz OSL signals from the coastal sediments were sufficiently bleached prior to deposition. The OSL ages coupled with 14C ages are proven to be reliable and robust. For the loess sediments from the central and Qilian Shan area, fine-grained quartz fractions are used to conduct OSL dating. Relatively larger uncertainty of the quartz OSL ages is observed for some of the loess samples due to their low OSL sensitivity, which probably related to a short sedimentation history of the particles from the source region to depositional site. The routine quartz OSL dating encounters major problems in dating the samples from Huangqihai Lake due to the chemical irremovable feldspar contamination and the samples from the deeper part of the Garding-2 core because of the quartz signal saturation. To deal with the feldspar contamination, a post-IR OSL dating protocol using pulsed stimulation is employed to discriminate against the unwanted feldspar signals. Typical quartz OSL signals are observed after pulsing indicating that the feldspar contamination can be sufficiently removed. The obtained pulsed OSL ages are generally in stratigraphic order in the geographical context and agree with independent age control from four radiocarbon ages. By applying the suitable dating protocols of quartz OSL, the chronological frameworks of each sedimentary archive are established. The 16 ka coastal sedimentary record generated from the Garding-2 core reveals that after last deglaciation the transgression started in the early Holocene and the sea level reached the core site at around 8.3 ka and continued to rise with a decelerated rate until around 3 ka. In northern China, the OSL chronology of loess demonstrates that the deposition of dust was widespread since the last deglaciation (~13 ka) until ~3.6 ka in the northern piedmont of the central and western Qilian Shan area. During the last glacial period, loess sedimentation is only sporadically and episodically registered which is dated back at least to ~80 ka. The OSL ages obtained from a series of outcrops from Huangqihai Lake in northern China indicated a lake highstand during the early Holocene (~10−8 ka). The previously reported high lake level during MIS 3 that extensively occurred in northern and western China is not supported by the current record. As an alternative dosimeter, feldspar has much higher saturation doses compared to quartz, which shows great potential in extending the age range of luminescence dating and thus allowing the determining of older geological events (likely back to Mid-Pleistocene). The recently developed post-IR IRSL (pIRIR) dating of feldspar at elevated temperature is tested using either sand-sized K-rich feldspar or polymineral fine grains from the Garding-2 core sediment and the Qilian Shan loess. The pIRIR and the corresponding IR50 signals are systematically investigated under various preheat and stimulation temperatures in terms of residual dose, fading rate and dose recovery measurements. Previously reported general behaviours of the pIRIR signal are confirmed, e.g. the higher preheat and stimulation temperatures are used, the higher residual and lower fading can be expected. The pIRIR dating of feldspar yields ages up to more than 400 ka without saturation, which is very promising for the investigation of the deeper part of the Garding-2 core. The pIRIR De plateau is observed for the polymineral fine grains from four loess samples with different ages. However, the dating implication of the pIRIR De plateau cannot be fully understood so far. Further investigations are still imperative in order to unveil the fundamental mechanisms of the pIRIR signal.

Die nummerische Altersbestimmung ist die Basis für eine verlässliche zeitliche Rekonstruktion von Sedimentarchiven in den Geowissenschaften. Die Optisch Stimulierte Lumineszenz (OSL)-Datierungsmethode ist eine in den letzten Jahrzehnten etablierte und weit verbreitete Altersbestimmungsmethode, mit der das Ablagerungs- oder Sedimentationsalter von (spät) quartären Sedimenten bestimmt werden kann. Der methodische Schwerpunkt dieser Dissertation liegt auf der Anwendung von Quarz-OSL für oberpleistozäne und holozäne Sedimente sowie die methodische Weiterentwicklung der Lumineszenz-Datierung von Feldspäten. Die Validierung der hier angewandten Datierungsmethode durch Vergleich mit anderen anerkannten und verlässlichen Altersbestimmungsmethoden ist notwendig; aus diesem Grund wird in dieser Arbeit, wann immer geeignetes Material zur Verfügung steht, die 14C-Altersbestimmungsmethode zur unabhängigen Alterskontrolle angewendet. Sedimentproben aus drei unterschiedlichen Sedimentarchiven werden bearbeitet: aus dem Garding-2 Sedimentkern (240 m Endteufe), der auf der Eiderstedter Halbinsel unweit der Nordseeküste erbohrt wurde, Lösse aus den zentralen und westlichen Qilian Bergen im nordwestlichen China sowie Sedimente vom Huangqihai See im nördlichen China, in einer Region aus dem Grenzbereich des ostasiatischen Monsuns. An allen drei Fallstudien wurde die Quarz-OSL-Datierung unter Anwendung des „single-aliquot regenerative-dose“ (SAR) Messprotokolls durchgeführt. Aus dem Kern der Bohrung Garding-2 wird die Quarz- Grobkornfraktion aus Proben der obersten 26 m extrahiert. Die Lumineszenz- Qualitätstests zeigen, dass das Quarz-OSL Signal der küstennahen Sedimente vor der letzten Ablagerung ausreichend gebleicht worden ist, somit diese Datierungsvoraussetzung erfüllt ist. Der aus der Kombination von OSL- und 14C- Altern abgeleitete zeitliche Rahmen ist robust und beweist die sehr gute Verlässlichkeit von OSL-Datierungen dieser Sedimente aus Norddeutschland. Für die Lösse aus den zentralen und westlichen Qilian Bergen wird die Quarz- Feinkornfraktion zur Datierung verwendet. Für einige Lößproben wird eine relativ große Streuung der OSL-Alter aufgrund der geringen Sensitivität der Quarze aus diesem Gebiet festgestellt. Diese geringe OSL-Sensitivität ist wahrscheinlich in der kurzen Sedimentationsgeschichte der Sedimentpartikel begründet, d.h. wenige Erosions- und Ablagerungszyklen. Die routinemäßige OSL- Datierung der Quarz-Grobkornfraktion aus dem Huangqihai-Seegebiet weist massive Datierungsprobleme aufgrund chemisch nicht löslicher Feldspat- Kontaminationen auf. Um das Problem der Feldspat-Kontamination zu lösen, wird ein post-IR OSL-Datierungsprotokoll mit gepulster Stimulation erstmalig für diese Sedimente entwickelt und angewendet. Hierdurch ist eine eindeutige Unterscheidung zwischen dem Quarz-Signal und dem in diesem Fall „unerwünschten“ Feldspat-Signal möglich. Nach dem „Pulsing“ werden Quarz- Signale aufgezeichnet; sie beweisen, dass die Feldspat-Kontamination ausreichend eliminiert wurde. Die berechneten „gepulsten“ OSL-Alter sind im geographischen Kontext stratigraphisch konsistent und stimmen mit der unabhängigen Alterskontrolle durch 14C-Alter gut überein. Durch die Anwendung geeigneter Quarz-OSL Datierungsprotokolle werden robuste chronologische Zeitrahmen für die drei untersuchten Sedimentarchive erstellt. Der bearbeitete Teil des Bohrkerns Garding-2 umfasst zeitlich die letzten 16.000 Jahre. Die 14C- und OSL-Datierungen zeigen übereinstimmend, dass die Meerestransgression die Bohrlokalität um etwa 8.300 Jahren vor heute erreichte. Danach stieg der Meeresspiegel weiter (mit geringerer Rate) bis ca. 3.000 Jahre vor heute an. Die OSL-Datierungsergebnisse aus dem nördlichen China zeigen, dass die Staubablagerungen und die Lößentstehung von ca. 13.000 Jahren vor heute bis ca. 3.600 Jahren vor heute im nördlichen Vorland der Qilian Berge weit verbreitet gewesen sind. Lösse des letzten Glazial sind dagegen nur sporadisch mit Altern bis etwa 80.000 Jahren vor heute nachweisbar. Die OSL-Alter von mehreren Aufschlüssen am Huangqihai im nördlichen China beweisen einen Seespiegel-Hochstand während des frühen Holozäns (ca. 10.000 bis 8.000 Jahren vor heute). Der in früheren Arbeiten für das nördliche und westliche China weitverbreitete und postulierte Seespiegelhochstand während des MIS 3 konnte durch die Untersuchungen für den Huangqihai nicht nachgewiesen werden. Feldspäte eignen sich aufgrund ihrer höheren Sättigungsdosen des Lumineszenzsignals im Vergleich zu Quarz als alternative Dosimeter und zeigen somit großes Potential für die Ausweitung der Datierungsgrenze der OSL bis in das Mittel-Pleistozän. Das kürzlich entwickelte post-IR IRSL (pIRIR)-Protokoll für Feldspäte bei höheren Temperaturen wird für die Grob- und Feinkornfraktion an Sedimenten der Bohrung Garding-2und an Lössen aus den Qilian Bergen detailliert untersucht. Die pIRIR- und das korrespondierende IR50-Signal wurden bei verschiedenen Vorheiz- und Stimulationstemperaturen systematisch untersucht (Residualdosis, Fading-Rate, Dose recovery etc.). Für die pIRIR- Signale konnte bestätigt werden, dass je höher die Vorheiz- und Stimulationstemperaturen sind, desto größer ist die Residualdosis (unbleichbarer Rest) und desto geringer ist die Fading-Rate. Die pIRIR- Datierung von Feldspäten erreicht für Proben aus dem tieferen Abschnitt der Bohrung Garding-2 Sedimentationsalter von mehr als 400.000 Jahren (ohne die Sättigung zu erreichen). Dies sind vielversprechende Resultate für die weitere Untersuchung von Proben der Bohrung Garding-2. Das pIRIR Äquivalentdosis- Plateau von polymineralischen Feinkornproben (Löss aus den Qilian Bergen) wurde für Proben unterschiedlichen Alters nachgewiesen. Jedoch sind die Datierungskonsequenzen noch nicht vollständig verstanden. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die fundamentale Mechanismen und Prozesse der pIRIR-Signale zu verstehen.