Application of OSL dating on coastal sediments: Case studies from shallow marine sediments of Southern North Sea, Germany, and coastal sub-surface and surface sediments from south India

Abstract

The main aim of this research work is the application of contemporary techniques in optically stimulated luminescence (OSL) dating to reveal the chronology of coastal deposits from various geographical and geological settings and to investigate the relationship between periods of sediment accumulation and climate change. To address this concern, samples were collected from three different areas, namely, 1) shallow continental shelf sediments from Southern North Sea, 2) inland and coastal dunes as well as deltaic sediments from the south east coast of India and 3) palaeo-beach ridges from the south west coast of India. The reliability of the OSL ages obtained is assured using independent age controls such as radiocarbon (14C) dating whenever possible. Additionally, sedimentological techniques such as grain size analysis, quartz grain surface texture analysis using scanning electron microscopy (SEM) and heavy mineral studies are applied to characterise the grain transportation and sedimentary provenance. The study on continental shelf sediments of Southern North Sea provided an insight into the fate of Late Weichselian and Early Holocene sediments accumulated in the German sector of the Southern North Sea. The study revealed that sedimentation continued to take place during the late deglaciation period over an extended period of time (between 19 ka and 8 ka) until the early Holocene transgressing sea occupied the area. A possible interface of the Pleistocene-Holocene sediments along the core transect is provided based on lithology and measured OSL and radiocarbon ages. Older samples collected from the sub-surface sediments of Cauvery delta, southeast India helped to understand another aspect of OSL dating, namely the use of feldspar as a dosimeter for age determination. Due to early saturation of quartz OSL signal, the samples from this area showed the necessity to apply infrared stimulated luminescence (IRSL) dating to potassium feldspar. Making use of the lately introduced technique called elevated temperature post-IR IRSL the chronology of the area could be elucidated. The measured OSL ages revealed that except an upper layer of Holocene sediments (< 5m), the majority of the upper ~50m of Cauvery delta sediments were deposited between marine isotope stage (MIS) -5 and MIS-10 or older. The OSL ages obtained from the dune sediments in the east coast of South India revealed the chronology of dune formation/ sand mobility. It outlines the possible evolution of coastal dunes of the Cauvery delta region with widespread periodic dune formation/ reactivation having taken place during the Late Holocene to very recent times due to a variety of reasons such as climatic variation and land use changes. The sand mobility index calculated based on threshold wind speed, precipitation and evapo-transpiration showed that dunes in the area have been largely active during the past century. The OSL dating of sand collected from the beach ridges along the west coast of South India proved to be divided into two main stages of ridge formation close to 3 and 4 ka. These results indicate a possible stage of wide spread beach ridge formation during middle to late Holocene period, providing evidence for a regressing sea on the west coast of India particularly in the coasts of Kerala during that time. The findings of these individual studies not only contribute to the understanding of the regional palaeo-climate but also help to assess climate change of a particular time involved in a global palaeo- environmental context. The studies unravel interesting changes in the investigated coastlines during late Pleistocene to Holocene time which provides a chronological frame for events of deposition resulting from periodic transgression and regression, palaeo-aridity and enhanced windiness. The results correlate well with the early Holocene transgression and middle Holocene sea level high stand in both Southern North Sea and east and west coasts of South India.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, basierend auf modernen Techniken der optisch stimulierten Lumineszenz (OSL) Chronologien für Küstensedimente unterschiedlichen Ursprung zu erstellen. Diese Chronologien sollen dann genutzt werden, um die Beziehung von Sedimentakkumulation und Klimawandel zu untersuchen. Um dieser Fragestellung gerecht zu werden, wurden die Sedimente von drei Gebieten bearbeitet: 1) flach-kontinentalen Schelfsedimente der südlichen Nordsee, 2) Inlands- und Küstendünen sowie deltaische Sedimente der südöstlichen Küste Indiens, und 3) Paläo-Strandwälle der Südwest-Küste Indiens. Die Zuverlässigkeit der Lumineszenzalter wurde, wenn möglich, durch unabhängige Alterkontrollen wie beispielsweise Radiokarbondatierung (14C) überprüft. Zusätzlich wurden sedimentologische Daten (Korngrößenverteilung, Oberflächenstruktur von Quarzkörnern mittels Rasterelektronenmikroskopie, Schwermineralanalyse) durchgeführt, um den Transportmechanismus sowie das Herkunftsgebiet der Sedimente zu bestimmen. Die Arbeit an den Sedimenten des Kontinentalschelfs der südlichen Nordsee (Deutschland) hat es ermöglicht, eine Übersicht über die Sedimentakkumulation von Spät-Weichsel bis ins Frühholozän zu erhalten. Während der späten Abschmelzphase erfolgte über einen langen Zeitraum (zwischen 19 ka und 8 ka) Sedimentation, die im Frühholozän durch die Meerestransgression beendet wurde. Die Pleistozän-Holozän-Grenze entlang des untersuchten Transekts konnte durch lithologische Untersuchungen sowie mittels der OSL- und 14C-Alter bestimmt werden. Ältere Sedimentproben aus dem Untergrund des Cauvery Deltas, Südost-Indien, haben neben angewandten Fragestellungen zu einem besseren Verständnis von der Verwendung von Feldspat als Dosimeter beigetragen. Wegen der Sättigung des OSL-Signals in den Proben wurde das infra-rot stimulierter Lumineszenz (IRSL)-Signal von Kaliumfeldspat zur Altersbestimmung verwendet. Mittels eines post-IR IRSL-Signals konnte die Chronologie des Untersuchungsgebietes geklärt werden: Die Alter weisen darauf hin, dass, abgesehen von einer geringmächtigen holozänen Lage (< 5m), der Großteil der ~50 m mächtigen Deltasedimente zwischen MIS 5 und MIS 10 abgelagert wurde. Durch die OSL-Alter der Dünensedimente an der Ostküste Südindiens konnten die Dünenformation sowie die Sandmobilitätsphasen in einem zeitlichen Kontext erfasst werden. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Küstendünen in der Region des Cauvery Delta periodischen Abläufen von Dünenformation und Reaktivierung seit dem Spätholozän bis heute ausgesetzt ist. Gründe hierfür mögen zum einen in Klimavariationen, aber zum anderen auch im Landnutzungwandel liegen. Der Sandmobilitätsindex, welcher auf Grundlage der maximalen Windgeschwindigkeit, der Niederschläge sowie der Evapotranspiration berechnet wurde, zeigt, dass die Dünen in der Region während des letzten Jahrhunderts größtenteils aktiv waren. Die OSL-Datierungen von Strandwällen entlang der Westküste Südindiens konnten zeigen, dass es zwei Hauptphasen, eine ~3 ka und eine ~4 ka, der Formation gab. Zusammengenommen könnten diese Ergebnisse auf eine insgesamt aktive Phase der Strandwallformation vom Mittel- bis Spätholozän hindeuten, was ein Hinweis für den Rückgang des Meeresspiegels an der Westküste Indiens, vor allem an den Küsten Kerelas, zu dieser Zeit sein kann. Die Erkenntnisse aus den einzelnen Studien tragen nicht nur zum Verständnis der regionalen Paläoklimas bei, sondern leisten auch einen Beitrag, den Klimawandel zu einer bestimmten Zeit in einem globalen Kontext zu beurteilen. Die Arbeiten zeigen interessante Veränderungen entlang von unterschiedlichen Küstenlinien seit dem Spätpleistozän auf, wodurch ein chronologischer Rahmen für das Ablagerungsgeschehen durch Transgression und Regression, Paläo-Trockenheit und verstärkte Windtätigkeit gegeben ist. Die Ergebnisse korrelieren gut mit der Transgression im Frühholozän und mit dem Meeresspiegelhochstand im mittleren Holozän sowohl in der südlichen Nordsee als auch an der Ost- und Westküste Südindiens.