Climate is an important modulator of erosion, which, in combination with tectonic uplift, shapes the surface of the Earth. In cold regions, landscape evolution is dominated by processes associated with the presence or absence of ice. One process, “frost-cracking,” has been shown to be a particularly efficient means of weathering rock, though the link between frost-cracking and erosion is not well-constrained, particularly for the cold, bedrock hillslopes which characterise high-alpine regions. This thesis evaluates the sensitivity of bedrock hillslope erosion rates to temperature using a suite of novel geochemical proxies: combined in-situ He-3, C-14, and Be-10 in quartz. The first scientific study presents results from a 1D numerical model of in-situ cosmogenic Be-10, C-14, and He-3 concentrations, which is used to explore the suitability of these three proxies for quantifying erosion rates in areas undergoing non-steady state erosion. The results from this work suggest that even in stochastically eroding settings, Be-10-derived erosion rates of amalgamated samples can be used to estimate long-term erosion rates; that infrequent large events can lead to bias, which can be identified using C-14; and that the concentration of He-3 relative to that of Be-10, and the palaeothermometric interpretations derived from it, are unaffected by erosional stochasticity. The second scientific study builds off the theoretical considerations presented in the previous chapter and tests the feasibility of actually employing the Be-10-C-14-He-3 system at the Aiguille du Midi in the central Mont Blanc massif. The results presented herein do not suggest a correlation between frost-cracking and erosion rates, with relatively high frost-cracking rates occurring in both rapidly and slowly-eroding surfaces, suggesting that other mechanisms must be responsible for the eventual evacuation of material from the hillslope. The final chapter expands the theoretical work of the modelling and initial field study to sites across the European Alps, wherein 27 new hillslope erosion rates are presented, inferred from cosmogenic nuclide concentrations in samples collected from bedrock hillslopes of varying lithology, hillslope angle, hillslope aspect, elevation, and relief. Results from this work suggest that bedrock temperature alone is not the rate-limiting factor setting erosion rates in these hillslopes, in contrast to previous studies suggesting that frost-cracking dictates rates of erosion in bedrock hillslope landscapes. A final summarising assessment is provided, as well as an outline for future work.
Das Klima ist ein wichtiger Einflussfaktor für die Erosion, die in Verbindung mit der tektonischen Hebung die Oberfläche der Erde formt. In kalten Regionen wird die Landschaftsentwicklung von Prozessen dominiert, die mit der Anwesenheit oder Abwesenheit von Eis zusammenhängen. Ein Prozess, die „Frost-cracking“, hat sich als besonders effizientes Mittel zur Verwitterung von Gestein erwiesen, auch wenn die Verbindung zwischen Frostsprengung und Erosion nicht eindeutig geklärt ist, insbesondere für die kalten, felsigen Hänge, die für hochalpine Regionen charakteristisch sind. In dieser Arbeit wird die Empfindlichkeit der Erosionsraten von Felshängen gegenüber der Temperatur anhand einer Reihe neuartiger geochemischer Indikatoren untersucht: kombinierte in-situ He-3, C-14 und Be-10 in Quarz. In der ersten wissenschaftlichen Studie werden die Ergebnisse eines numerischen 1D-Modells der In-situ-Konzentrationen von kosmogenem Be-10, C-14 und He-3 vorgestellt, mit dem die Eignung dieser drei Proxies zur Quantifizierung von Erosionsraten in Gebieten mit instationärer Erosion untersucht wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass selbst in stochastisch erodierenden Umgebungen die aus Be-10 abgeleiteten Erosionsraten von amalgamierten Proben zur Schätzung langfristiger Erosionsraten verwendet werden können; dass seltene Großereignisse zu Verzerrungen führen können, die mit Hilfe von C-14 identifiziert werden können; und dass die Konzentration von He-3 im Verhältnis zu der von 10Be und die daraus abgeleiteten paläothermometrischen Interpretationen von der Erosionsstochastik unbeeinflusst sind. Die zweite wissenschaftliche Studie baut auf den theoretischen Überlegungen des vorangegangenen Kapitels auf und prüft die Durchführbarkeit des Einsatzes des Be-10-C-14-He-3-Systems an der Aiguille du Midi im zentralen Mont-Blanc-Massiv. Die hier vorgestellten Ergebnisse deuten nicht auf eine Korrelation zwischen Frostriss und Erosionsraten hin, wobei relativ hohe Frostrissraten sowohl in schnell als auch in langsam erodierenden Oberflächen auftreten, was darauf hindeutet, dass andere Mechanismen für die letztendliche Evakuierung von Material aus dem Hang verantwortlich sein müssen. Im letzten Kapitel wird die theoretische Arbeit der Modellierung und der anfänglichen Feldstudie auf Standorte in den europäischen Alpen ausgeweitet, wobei 27 neue Erosionsraten vorgestellt werden, die aus den Konzentrationen kosmogener Nuklide in Proben abgeleitet werden, die an Felshängen mit unterschiedlicher Lithologie, Hillslope Angle, Hillslope Aspect, Höhe und Relief entnommen wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass die Temperatur des Festgesteins allein nicht der ratenbegrenzende Faktor ist, der die Erosionsraten in diesen Hängen bestimmt, im Gegensatz zu früheren Studien, die davon ausgingen, dass die Erosionsraten in Festgesteinslandschaften von Frostrissen bestimmt werden. Abschließend wird eine zusammenfassende Bewertung vorgenommen und ein Ausblick auf künftige Arbeiten gegeben.
