Reconstruction of a palaeolake system at the UNESCO World Heritage Site Tsodilo Hills, Kalahari, Botswana: LGM climate, weather and environmental variation

Abstract

One of the most pressing problems of the 21st century is the current human-induced climate change. In order to assess the expected impacts of climate change, the understanding of past climatic conditions and the reconstruction of the respective paleo-environments is of great importance, as this provides information about possible environmental responses to corresponding climate changes. Especially, the late Quaternary climate of southern Africa is still controversially discussed because palaeoclimate modelling and reconstruction from various proxies of different systems are contradictory. Some contradictions can be related to dating uncertainties, others to the complexity of the systems. The large Quaternary lacustrine systems in the Kalahari, for example, are influenced by tectonics and have inter regional catchments and, therefore, complicate the identification of climatic and non-climatic signals in sedimentary proxy records. The first part of this dissertation focusses on the reconstruction of a small palaeolake basin west of the Tsodilo Hills. With its regional catchment that lies solely in the Kalahari, the Palaeolake Tsodilo has high potential as a palaeoclimate archive. The palaeolake has already been shown to have been active at least during Last Glacial Maximum (LGM) and mid Marine Isotope Stage (MIS) 3 and archaeological studies have explored signs of human occupation of the hills for the last 100 ka. The latter is especially interesting, as the region of the Okavango Delta, where the hills are located, was recently considered the geographic origin of evolutionary modern humans and it was proposed that subsequent out-of-homeland migration was induced by climate shifts. Therefore, the first objective of the present dissertation is to gain more reliable information about the hydrological dynamics of the fluvio-lacustrine system using a multi-method approach, with focus on the evolution of the lake during ca. 43–19 ka BP. Thus, also a better understanding of the Late Pleistocene environment of the ancient Tsodilo people can be obtained, concerning the palaeo-hydrological conditions. The multidisciplinary approach included different remote sensing and geophysical methods, comprehensive application of differential GPS, and sedimentological analyses concentrating on the lake beds. A high-resolution digital elevation model from the TanDEM-X mission and multiple Landsat images were analysed to identify geomorphological features, such as shorelines or channels, and related processes. Furthermore, differential GPS measurements as well as ground-penetrating radar and seismic refraction surveys enabled a deeper investigation of these structures. Using this approach, four palaeo-shorelines could be identified. Three of these indicate highstands during which the Tamacha palaeo-river drained the Palaeolake Tsodilo towards the Okavango Panhandle. Furthermore, the two highstands during mid MIS 3 and LGM are related to periods of largely increased fish consumption by humans as has been documented by archaeologists. The palaeolake probably had its greatest extent about 100 ka ago or earlier, when it was about ca. 70 km2 in size and 16 m deep. A single (neo-)tectonic fault could be detected, so geologically, the Tsodilo Hills were comparatively calm. The findings suggest that there have been major hydrological changes during the Late Pleistocene from MIS 3 to the LGM, which yet need to be further investigated. The identified spatial and stratigraphical interrelations of geomorphological processes are relevant for the palaeo-hydrological interpretation of sediment records of Palaeolake Tsodilo regarding the role of the sediment cascade and can enable to separate climatic and non-climatic signals. In the second part of this dissertation, the focus lies on the investigation of stable isotope patterns in modern precipitation. To asses the palaeoclimate and to answer the question of where the moisture that fed the Quaternary lacustrine systems in the Kalahari came from and when, different proxies within the lake sediments can be used. The δ18O and δ13C values in fossil gastropod shells, for example, are often used to reconstruct palaeoclimate and its variability. By analysing these C and O stable isotopes, it is possible to draw conclusions about the hydro-climatic conditions at the location of precipitation, but also at the moisture source region and along the moisture trajectory. However, in order to interpret such information from palaeo-archives, a sound understanding of the present climate and stable water isotope patterns of the region is needed as a reference. The second objective of the dissertation is therefore, to investigate spatial differences in the isotopic composition of water in southern Africa, and moreover to examine relationships between the stable isotopic composition of water and the corresponding moisture source regions and transport patterns. In a first step, end-member modelling allowed to analyse the precipitation distributions over the year in southern Africa. Collected water samples from the different identified rainfall zones (RFZs) were then measured for their isotopic composition and a comparison of the compositions made among the RFZs. Backward trajectories were calculated to determine the main moisture uptake regions for the different RFZs. Finally, the relationship between the isotopic composition and transport characteristics were investigated. Five RFZs were identified for southern Africa of which some are significantly differing in their isotopic compositions. Furthermore, the isotopes are generally lighter during rainfall season compared to off-season. Differing moisture source regions could be identified for the RFZs and characteristic driving atmospheric forces assigned for the zones. The results furthermore show the importance of the amount effect for the general isotopic composition over whole southern Africa as well as a great importance of the travelled distance of the moisture. The diagnosed patterns and relationships enhance our understanding of the atmospheric water cycle of southern Africa and the connected stable water isotopes. Future work should focus on more detailed relationships between the stable isotopic composition of water and the corresponding moisture source regions and transport patterns within the single RFZs. However, the presented findings already have potential to be used for further applications, for example, the interpretation of palaeoclimate proxies from other lake records across southern Africa. These two studies allowed to reconstruct active stages of the fluvio-lacustrine system at the Tsodilo Hills during late Quaternary and to analyse the relationship of the modern climate and stable isotopes of water as an interpretation basis for proxiies to reconstruct moisture sources and precipitation patterns. These results are a prerequisite for follow-up steps to better understand the southern African palaeoclimate of the Late Pleistocene, such as to analyse the isotopic characteristics of fossil mollusc shells at Palaeolake Tsodilo and additional locations around southern Africa. Drawing conclusions about the palaeoclimate regarding moisture sources and precipitation seasonality, based on the knowledge gained within this thesis about modern moisture trajectories and related isotope compositions of water, might then allow to answer the question where and when the moisture feeding the large Quaternary lacustrine systems in the Kalahari came from and to resolve some of the contradictions about the late Quaternary climate.

Eines der drängendsten Probleme des 21. Jahrhunderts ist der gegenwärtige, vom Menschen verursachte Klimawandel. Um die zu erwartenden Auswirkungen des Klimawandels abschätzen zu können, ist das Verständnis vergangener klimatischer Bedingungen und die Rekonstruktion der jeweiligen Paläolandschaften von großer Bedeutung, da dies Aufschluss über mögliche Reaktionen der Umwelt auf entsprechende Klimaänderungen gibt. Besonders das spätquartäre Klima des südlichen Afrikas wird nach wie vor kontrovers diskutiert, da die Modellierung des Paläoklimas und die Rekonstruktion anhand verschiedener Proxies aus unterschiedlichen Systemen widersprüchlich sind. Einige Widersprüche lassen sich auf Datierungsunsicherheiten zurückführen, andere auf die Komplexität der Systeme. Die großen quartären lakustrinen Systeme in der Kalahari beispielsweise werden tektonisch beeinflusst und haben überregionale Einzugsgebiete, was die Identifizierung von klimatischen und nichtklimatischen Signalen in sedimentären Proxy-Datensätzen erschwert. Der erste Teil dieser Dissertation konzentriert sich auf die Rekonstruktion eines kleinen Paläoseebeckens westlich der Tsodilo Hills. Mit seinem regionalen Einzugsgebiet, das ausschließlich in der Kalahari liegt, hat der Paläosee Tsodilo großes Potenzial als Paläoklimaarchiv. Es wurde bereits nachgewiesen, dass der Paläosee zumindest während des letzten glazialen Maximums (Last Glacial Maximum, LGM) und des mittleren marinen Isotopenstadiums (MIS) 3 aktiv war, und bei archäologischen Untersuchungen wurden Anzeichen für eine menschliche Besiedlung der Hügel während der letzten 100 ka gefunden. Letzteres ist besonders interessant, da die Region des Okavango-Deltas, in der sich die Hügel befinden, vor kurzem als geografischer Ursprung des evolutionären modernen Menschen in Erwägung gezogen wurde und angenommen wird, dass die anschließende Migration aus der Heimat durch Klimaveränderungen veranlasst wurde. Daher besteht das erste Ziel der vorliegenden Dissertation darin, die Phasen des fluvio-lakustrinen Systems mit Hilfe eines multimethodischen Ansatzes zu rekonstruieren, wobei der Schwerpunkt auf der Entwicklung des Sees während ca. 43–19 ka BP liegt. Auf diese Weise lässt sich auch ein besseres Verständnis der spätpleistozänen Umwelt der früheren Tsodilo-Bevölkerung erlangen, insbesondere hinsichtlich der paläohydrologischen Bedingungen. Der multidisziplinäre Ansatz umfasste verschiedene Fernerkundungs- und geophysikalische Methoden, eine eingehende Anwendung von Differential-GPS und sedimentologische Analysen, die sich auf den Seeboden konzentrierten. Ein hochauflösendes digitales Höhenmodell aus der TanDEM-X-Mission und mehrere Landsat-Bilder wurden analysiert, um geomorphologische Strukturen, wie Uferlinien oder Flussläufe, und damit verbundene Prozesse zu identifizieren. Darüber hinaus ermöglichten differentielle GPS-Messungen sowie Bodenradar- und seismische Refraktionsmessungen eine genauere Untersuchung dieser Strukturen. Mit diesem Ansatz konnten vier Paläo-Uferlinien identifiziert werden. Drei davon deuten auf Hochphasen hin, in denen der Paläofluss Tamacha den Paläosee Tsodilo in Richtung Okavango-Panhandle entwässerte. Darüber hinaus stehen die beiden Hochphasen während des mittleren MIS 3 und des LGM im Zusammenhang mit Perioden, in denen der Fischkonsum der Menschen stark zunahm, wie von Archäologen dokumentiert wurde. Der Paläosee hatte seine größte Ausdehnung wahrscheinlich vor etwa 100 ka oder früher, als er ca. 70 km2 groß und 16 m tief war. Es konnte eine einzige (neo-)tektonische Verwerfung festgestellt werden, so dass die Tsodilo Hills geologisch gesehen vergleichsweise ruhig waren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es während des Spätpleistozäns vom MIS 3 bis zum LGM große hydrologische Veränderungen gegeben hat, die jedoch noch genauer untersucht werden müssen. Die ermittelten räumlichen und stratigraphischen Zusammenhänge geomorphologischer Prozesse sind für die paläohydrologische Interpretation der Sedimentaufzeichnungen des Paläosees Tsodilo im Hinblick auf die Rolle der Sedimentkaskade von Bedeutung und können die Trennung klimatischer und nicht-klimatischer Signale ermöglichen. Im zweiten Teil dieser Dissertation liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung von Mustern der stabilen Isotope in den Niederschlägen der heutigen Zeit. Zur Beurteilung des Paläoklimas und zur Beantwortung der Frage, woher und wann die Feuchtigkeit kam, die die quartären lakustrinen Systeme in der Kalahari speiste, können verschiedene Proxies in den Seesedimenten als Paläoarchive verwendet werden. Die δ18O- und δ13C-Konzentrationen in fossilen Schneckenschalen werden zum Beispiel häufig zur Rekonstruktion des Paläoklimas und seiner Variabilität verwendet. Durch die Analyse diese stabilen Isotope lassen sich Rückschlüsse auf die klimatischen und physikalischen Bedingungen am Ort des Niederschlags, aber auch im Bereich der Feuchtigkeitsquelle und entlang des Feuchtigkeitsverlaufs ziehen. Um solche Informationen aus Paläoarchiven zu interpretieren, ist jedoch ein fundiertes Verständnis des gegenwärtigen Klimas und der Muster stabiler Wasserisotope in der Region als Referenz erforderlich. Das zweite Ziel der Dissertation besteht daher darin, die räumlichen Unterschiede in der Isotopenzusammensetzung des Wassers im südlichen Afrika zu untersuchen und darüber hinaus die Beziehungen zwischen der stabilen Isotopenzusammensetzung des Wassers und den entsprechenden Feuchtigkeitsherkunftsgebieten und Transportmustern zu untersuchen. In einem ersten Schritt ermöglichte die Modellierung der End-member eine Analyse der Niederschlagsverteilung über das Jahr im südlichen Afrika. Gesammelte Wasserproben aus den verschiedenen identifizierten Regenfallzonen (RFZ) wurden dann auf ihre Isotopenzusammensetzung hin gemessen und ein Vergleich der Zusammensetzungen zwischen den RFZ vorgenommen. Es wurden Rückwärts-Trajektorien berechnet, um die wichtigsten Regionen für die Feuchtigkeitsaufnahme in den verschiedenen RFZ zu bestimmen. Schließlich wurde die Beziehung zwischen der Isotopenzusammensetzung und den Transporteigenschaften untersucht. Für das südliche Afrika wurden fünf RFZ ermittelt, von denen sich einige in ihrer Isotopenzusammensetzung signifikant unterscheiden. Außerdem sind die Isotope während der Regenzeit im Allgemeinen leichter als außerhalb der Regenzeit. Für die Niederschlagszonen konnten unterschiedliche Feuchtigkeitsquellen identifiziert und den Zonen charakteristische treibende atmosphärische Kräfte zugeordnet werden. Die Ergebnisse zeigen darüber hinaus die Bedeutung des Mengeneffekts für die allgemeine Isotopenzusammensetzung über dem gesamten südlichen Afrika sowie eine große Bedeutung der zurückgelegten Entfernung der Feuchtigkeit. Die festgestellten Muster und Beziehungen verbessern unser Verständnis des atmosphärischen Wasserkreislaufs im südlichen Afrika und der damit verbundenen stabilen Wasserisotope. Zukünftige Arbeiten sollten noch detaillierter die Beziehungen innerhalb der einzelnen RFZ zwischen der stabilen Isotopenzusammensetzung des Wassers und den entsprechenden Feuchtigkeitsquellgebieten und Transportmustern untersuchen. Die vorgestellten Ergebnisse haben jedoch bereits jetzt das Potenzial, für weitere Anwendungen genutzt zu werden, zum Beispiel für die Interpretation von Paläoklima-Proxies. Die beiden Studien ermöglichten die Rekonstruktion aktiver Phasen des fluvio-lakustrinen Systems in den Tsodilo Hills während des späten Quartärs und die Analyse der Beziehung zwischen dem modernen Klima und stabilen Wasserisotopen als Interpretationsgrundlage für die Rekonstruktion von Feuchtigkeitsquellen und Niederschlagsmustern. Diese Ergebnisse sind eine Voraussetzung für weitere Schritte zum besseren Verständnis des Paläoklimas im südlichen Afrika während des Spätpleistozäns, wie z.B. der Analyse der Isotopeneigenschaften fossiler Molluskenschalen am Paläosee Tsodilo und an weiteren Standorten im südlichen Afrika. Rückschlüsse auf das Paläoklima hinsichtlich der Feuchtigkeitsquellen und der Saisonalität der Niederschläge, die auf den im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen über die modernen Feuchtigkeitsverläufe und die damit verbundenen Isotopenzusammensetzungen des Wassers beruhen, könnten es dann ermöglichen, die Frage zu beantworten, woher und wann die Feuchtigkeit kam, die die großen quartären lakustrinen Systeme in der Kalahari speiste, und einige der Widersprüche über das Klima des späten Quartärs aufzulösen.