On the applicability of post-IR IRSL dating to different environments

Abstract

Quaternary deposits contain detailed information on palaeoenvironmental changes, and especially terrestrial sediment archives are of great importance because these records reflect regional and sometimes even local palaeoenvironmental conditions. However, in order to apply and interpret qualitative analyses to reconstruct the palaeoenvironment, reliable chronologies are needed. Luminescence dating techniques are suitable to set up chronological frameworks for various Quaternary deposits; however, until recently luminescence dating was restricted to the last glacial cycle. Much effort has been put into developing new luminescence dating techniques to extend the dateable age range beyond the Eemian. One promising technique to address this issue is post-IR infra-red stimulated luminescence (IRSL) dating, which makes use of an IRSL signal from feldspar which is less affected by anomalous fading, i.e. a signal decrease with time resulting in an age underestimation. The overall objective of this thesis is to test the applicability of post-IR IRSL dating in its different forms to aeolian, coastal and shallow marine environments. In a first study, the applicability of a recently presented dating protocol (referred to as pIRIR225) is tested on coastal and shallow marine sediments from Sardinia. The dating results suggest that the deposits under study are Eemian and older, which is in agreement with formerly published amino acid racemisation data but in contrast to radiocarbon ages. In a second study, the pIRIR225 dating protocol is, for the first time, successfully tested on polymineral fine grains (4-11 μm) extracted from Austrian loess. An enhanced post-IR IRSL protocol (referred to as pIRIR290) is subsequentely applied to another loess/palaeosol sequence in Lower Austria. For the first time, a natural IRSL signal is found in saturation on a laboratory generated growth curve. This implies that for this specific signal anomalous fading is negligible, which, theoretically allows for dating up to ~300-350 ka. In the subsequent study, the two dating protocols (pIRIR225 and pIRIR290) are compared for several samples from three loess sections in order to investigate the differences in luminescence characteristics and age estimates for the two IRSL signals under question. Based on the new dating technique it is possible to unravel the chronostratigraphy - also beyond the Eemian - of the palaeosols preserved in the loess sequences. However, the four presented dating studies lack reliable independent age control, and thus it is important to test the reliability of post-IR IRSL dating on known-age samples. Therefore, Japanese loess derivates, for which independent age control ranging from 25 ka to 600 ka is available, are dated using pIRIR290. For all exept the youngest samples good agreement (within 10%) of the ages is found; for the youngest material pIRIR290 overestimates. The overestimation might be due to a residual signal which either cannot be removed (bleached) prior to deposition or originates from thermal transfer. In order to make a statement on the lower dating limit using post-IR IRSL dating it is crucial to investigate the cause and the size of such a residual signal. This is done on naturally bleached modern dust collected from roads in and buildings near the Chinese loess plateau and it can be shown that a great proportion of this residual signal is caused by thermal transfer; for older material such processes are of second order importance. In conclusion, post-IR IRSL dating is applicable to all sediments under investigation. The upper dating limit is extended to ~300-350 ka for European loess; for material with lower dose rates dating beyond 350 ka is feasible. However, the lower dating limit is hampered due to residuals signals, and it is not adviseable to use the protocols presented here for Holocene samples. Future research needs to concentrate on finding an ISRL dating procedure which is neither affected by anomalous fading nor thermal transfer so that one protocol can be used to date both young and old material.

Quartäre Ablagerungen enthalten detaillierte Informationen über die Umweltveränderungen der Vergangenheit. Insbesondere terrestrische Sedimentarchive sind von besonderer Bedeutung, weil darin regionale, und manchmal sogar lokale Paläoumweltbedingungen gespeichert sind. Um die Umweltbedingungen basierend auf qualitativen Analysen rekonstruieren zu können, sind allerdings zuverlässige Chronologien unabdingbar. Lumineszenzdatierungstechniken sind geeignet, um derartige chronologische Rahmen für zahlreiche Quartärsedimente zu erstellen, jedoch war diese Datierungemethode bis vor kurzem auf den letzten glazialen Zyklus beschränkt. In den letzten Jahren wurde viel Arbeit in die Weiterentwicklung in die Lumineszenzdatierungstechniken investiert, um Datierungen über die Eem- Warmzeit hinaus zu ermöglichen. Eine diesbezüglich sehr vielversprechende Methode ist post-IR infra-rot stimulierte Lumineszenz (IRSL). Dabei nutzt man ein IRSL-Signal von Feldspäten, welches weniger anomales Fading (Signalverlust mit der Zeit, der zur Altersunterbestimmung führt) aufweist. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist, die post-IR IRSL-Datierung in ihren unterschiedlichen Formen an äolischen und flachmarinen Sedimenten sowie an Küstenablagerungen zu testen. Dabei wird in der ersten Studie das in der Fachliteratur vorgestellte neue Datierungsprotokoll (im Folgenden als pIRIR225 bezeichnet) an verschiedenen Sedimenten Sardiniens getestet. Die Datierungsergebnisse zeigen, dass die Ablagerung der Sedimente im Eem oder noch davor erfolgte; dies ist in Übereinstimmung mit ehemals publizierten Ergebnissen von Aminosäurerazemisierungen, jedoch im Kontrast zu Radiokarbondatierungen. In der zweiten Studie wird erstmalig das pIRIR225-Protokoll erfolgreich an polyminerlischen Feinkörnern (4-11 μm) österreichischer Lösse angewendet. Ein weiterentwickeltes post-IR IRSL-Datierungsprotokoll (im Folgenden als pIRIR290 bezeichnet) findet in der daran anschließenden Studie an niederösterreichischen Lössen seine Anwendung. Zum ersten Mal kann ein natürliches IRSL-Signal in Sättigung beobachtet werden, was impliziert, dass für das pIRIR290-Signal kein oder nur sehr geringes anomales Fading vorhanden ist. Somit ist theoretisch eine Datierung bis ~300-350 ka möglich. In der darauffolgenden Studie werden für Lössproben aus Niederösterreich die beiden neuen Datierungsprotokolle (pIRIR225 und pIRIR290) im Hinblick auf Lumineszenzeigenschaften und Alter miteinander verglichen. Basierend auf den neuen Datierungstechniken ist es nun möglich, die lang umstrittene Chronostratigraphie der Löss-Paläoboden-Sequenzen auch über das Eem hinaus zu ermitteln. Die vier vorhergehenden Arbeiten haben einen gemeinsamen Nachteil: Ihnen fehlen zuverlässige unabhängige Alterkontrollen, so dass über die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der post-IR IRSL-Datierung keine Aussage getroffen werden kann; hierfür sind Sedimente mit Material bekannten Alters notwendig. Daher folgen pIRIR290-Datierungen an japanischen Lössderivaten, für die unabhänige Alterkontrollen von 25 ka bis 600 ka vorliegen. Für alle, bis auf die jüngsten Proben, stimmen die pIRIR290-Alter innerhalb von ±10% mit der unabhängigen Alterkontrolle überein; das Alter der jüngsten Proben ist leicht überbestimmt. Ursprung der Überbestimmung könnte ein messbares Restsignal sein, welches entweder auf nicht vollständige Bleichung oder auf thermischen Tranfer zurückzuführen ist. Um das untere Datierungslimit für post-IR IRSL zu bestimmen, ist es notwendig, den Grund für sowie die Größe des Restsignals zu untersuchen. Dafür werden natürlich gebleichte ganz junge Proben benötigt, wie beispielsweise rezenter Staub von den Straßen und auf den Häusern des chinesischen Lössplateaus. Die Experimente zeigen, dass ein Großteil des Restsignals durch thermische Prozesse induziert ist; für ältere Proben sind derartige Prozesse vernachlässigbar gering. Schlussfolgernd ist festzuhalten, dass post-IR IRSL-Datierungen auf alle untersuchten Sedimente anwendbar sind. Die obere Altersgrenze konnte für europäischen Löss auf ~300-350 ka erweitert werden; bei geringerer Dosisleistung kann es auch möglich sein, darüber hinaus zu datieren. Das untere Datierungslimit ist aufgrund von Restsignalen eingeschränkt, und es ist nicht zu empfehlen, die hier aufgeführten Datierungsprotokolle für holozäne Proben zu verwenden. Zukünftige Arbeiten sollten sich darauf konzentrieren, eine Datierungstechnik zu finden, die weder durch anomales Fading (oberes Datierungslimit) noch durch Restsignale (unteres Datierungslimit) beeinträchtigt wird, so dass ein einziges Protokol sowohl für altes als auch für junges Material verwendet werden kann.