Luminescence based chronologies on Late Pleistocene loess-palaeosol sequences: an applied-methodological study on quartz separates

Titelangaben

Kreutzer, Sebastian:
Luminescence based chronologies on Late Pleistocene loess-palaeosol sequences: an applied-methodological study on quartz separates.
Bayreuth , 2014 . - 226, XLIII S.
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Understanding morphological processes that sculpt former terrestrial landscapes is one of the driving rationales in Quaternary research. Loess records have been found to be valuable archives for reconstructing palaeoenvironmental conditions. However, once identified, characterised and classified by fieldwork, the stratigraphic significance of such records has to be revealed by numerical dating. Luminescence dating, especially optically stimulated luminescence (OSL), is the leading dating approach for establishing chronologies on loess archives. Furthermore, the development of luminescence dating techniques on sediments is closely connected with the history of loess research and vice versa. As part of the European loess belt the Saxonian Loess Region is located in a transition zone between oceanic dominated western and continental dominated eastern climates. The Saxonian Loess Region comprises up to 20 m thick Weichselian loess accumulations, with intercalated palaeosoils. Loess research in Saxony dates back to the late 1950s. For an interdisciplinary research project funded by the German Research Foundation (DFG), since 2008 the Saxonian Loess Region has been re-investigated by fieldwork and laboratory methods. For the first time, during the work on this thesis, high-resolution numerical chronologies were established in the Saxonian Loess Region on five loess sections using OSL dating on quartz separates. Here, age results of these dating from two sections are presented. The dating was employed as a comparison of three quartz grain size fractions (coarse, middle and fine grain) commonly used for luminescence dating. As a survey on four loess sections, three from Germany (Saxony and Saxony-Anhalt) and one from the Czech Republic, these studies investigate the question whether the use of different grain size fractions from one sample yield consistent luminescence characteristics and age results. By combining dating application with methodological investigations, this thesis is intended as contribution towards the establishment of reliable high-resolution numerical chronologies on Late Pleistocene loess-palaeosol sequences based on OSL dating of quartz separates. In summary seven studies are presented along with an extended summary. Four studies (Study I, Study II, Study VI, Study VII) present numerical chronologies using OSL dating techniques on different grain size and (mineral) fractions. Although dating of the quartz fraction is the main focus of this study, in Study VI polymineral fine grain dating results using the post-IR IR protocol are presented for a comparison. Two studies (Study III, Study IV) deal with technical issues that arose during the dating applications. Firstly, an R package for luminescence dating data analysis ('Luminescence') was developed and secondly, the cross-bleaching behaviour of IR-LEDs of the used luminescence readers were quantified. Study V treats the question whether the common practice of using an identical alpha-efficiency (a-value) for the conventional IR50 and pIRIR225 dating is justified under theoretical and empirical viewpoints. It was found that for the established numerical chronologies on loess the fine grain quartz fraction results in reliable age estimates up to the Eemian (MIS 5e, 5d). The high-resolution dating in Saxony uncovered a prominent hiatus of c. 30 ka between the early and the late Weichselian found in all investigated loess sections in Saxony. The fine grain quartz age results are confirmed by the polymineral fine grain dating. The results of a cross-bleaching survey on 10 luminescence readers revealed substantial cross-bleaching behaviour of the IR-LEDs (mean cross-bleaching: c. 0.026 %), in an order of magnitude higher than for blue LEDs. This may lead to systematic underestimations during De determination. The investigation on the a-values of polymineral fine grain samples gave evidence for significant differences between the mean a-values obtained with the IR50 and the pIRIR225 signals; at least by 0.02. The a-value obtained with the pIRIR225 signal is always higher. As consequence of the cross-bleaching measurements a new component for the luminescence readers was developed by the manufacturer, which is capable to reduce the cross-bleaching of the IR-LEDs up to 20-times (Study IV). The developed R package 'Luminescence' was launched in the course of this thesis enabling data analysis and visualising options, which had not been available before.

Abstract in weiterer Sprache

Im Hinblick auf die Rekonstruktion von Paläolandschafts- und Umweltbedingungen haben sich Lössprofile als unverzichtbare terrestrische Archive herausgestellt. Die Überprüfung einer durch Geländeuntersuchungen identifizierten und klassifizierten Stratigraphie, insbesondere hinsichtlich einer gewünschten Parallelisierung mit anderen Profilen, erfordert numerische Datierungen. Für die Datierung von Lössarchiven hat sich die Lumineszenz-, hier speziell die optisch stimulierte Lumineszenz (OSL-), Datierung als eine der führenden Methoden etabliert. Als Teil des europäischen Lössgürtels befindet sich die Sächsische Löss Region (Saxonian Loess Region) in einer Übergangszone zwischen einem ozeanisch und einem kontinental geprägten Klima. In der sächsischen Lösslandschaft finden sich bis zu 20 m mächtige Ablagerungen von weichselzeitlichem Löss mit zwischengeschalteten Paläoböden. Seit 2008 wurden im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten interdisziplinären Forschungsprojektes Lössprofile in Sachsen neu geöffnet und systematisch unter Anwendung von Gelände- und Labormethoden untersucht. In diesem Zusammenhang konnten zum ersten Mal an Lössen in Sachsen hoch aufgelöste OSL-Datierungen an fünf Lössprofilen durchgeführt werden. Neben der Vorstellung neu erstellter Chronostratigraphien ist die vorliegende Datierungsstudie auf einen Vergleich der in der Datierungspraxis üblicherweise herangezogenen Korngrößen (Grobkorn, Mittelkorn, Feinkorn) ausgelegt. Unterschiede sind z.B. aufgrund korngrößenabhängiger Transportprozesse zu erwarten. Als Kombination aus angewandter Datierung und methodischer Untersuchung die Lumineszenzdatierung betreffend, liefert diese Arbeit einen Beitrag zur Erstellung von zuverlässigen hoch aufgelösten numerischen Chronologien an spätpleistozänen Löss-Paläoboden Sequenzen. Es werden sieben Einzelstudien vorgestellt. Eine ausführliche Zusammenfassung liefert die "Extended Summary". Vier Studien (Study I, Study II, Study VI, Study VII) stellen numerische Chronologien unter Anwendung der OSL-Datierung, überwiegend an Quarzen, vor. Es werden Vergleiche hinsichtlich des Alters, basierend auf den Datierungen verschiedener Korngrößen (und Minerale), vorgestellt. In Study VI kommt zusätzlich ein neuartiges Datierungsprotokoll (post-IR IRSL) zum Einsatz, das ursprünglich für K-Feldspäte entwickelt wurde und hier an polymineralischen Feinkornpräparaten Anwendung findet. Zwei weitere Studien (Study III, Study IV) beschäftigen sich mit technischen Aspekten die während der Untersuchungen relevant wurden: (I) Entwicklung eines R Pakets ('Luminescence') zur Datenauswertung und Visualisierung, (II) Untersuchung von Streulichteffekten (cross-bleaching) der Infrarot-LEDs in den genutzten Lumineszenzmessgeräten. Die methodische Studie (Study V) geht schließlich unter Anwendung des post-IR IRSL Protokolls an polymineralischen Feinkornpräparaten der Frage nach, ob die übliche Praxis der Verwendung eines gemeinsamen a-Wertes für die gemessenen Signale des post-IR IRSL Protokolls gerechtfertigt ist. Die Untersuchungen zeigen, dass unter Verwendung von Feinkornquarzpräparaten zuverlässige und hochaufgelöste Datierungen an Lössen bis zum Eem-Interglazial (MIS 5e, 5d) möglich sind. Durch die erstellten hochaufgelösten Chronostratigraphien konnten in den sächsischen Lössprofilen Hiati von ca. 30 ka zwischen der Früh- und der Spätweichselzeit (MIS 3) ausgemacht werden, was sich über sämtliche Profile (sofern die Stratigraphie dies zulässt) verifizieren lässt. Zusammen mit den Erkenntnissen der Pedo- und Lithostratigraphie sind die Datierungsergebnisse als zuverlässig anzusehen. Die Datierungen an polymineralischem Feinkorn (Study VI) konnten die Ergebnisse der Datierungen an Quarzen bestätigen. Die Quantifizierung der Streueffekte der Infrarot-LEDs hat nach Messungen auf 10 Geräten in unterschiedlichen Lumineszenzlaboren ergeben, dass dieser Effekt nahezu an allen untersuchten Geräten auftritt und zu erheblichen Verfälschungen der Messergebnisse führen kann (mittlerer cross-bleaching Effekt ca. 0.026 %). Die Ergebnisse der a-Wert Bestimmungen zeigen, dass die mittleren a-Werte für Polymineralisch-Feinkorn für die gemessenen IR50 und pIRIR225 Signale signifikant (min. um 0.02) voneinander abweichen. Der resultierende a-Wert für das pIRIR225 Signal lieferte in den Untersuchungen einen systematisch höheren Wert. Als Konsequenz aus den Ergebnissen der Messungen zur Streuung der infrarot-LEDs hat der Gerätehersteller ein Bauteil entwickelt, welches den Effekt signifikant zu reduzieren vermag (bis hin zu einer 20-fachen Reduzierung; siehe (Study IV). Das entwickelte R Paket 'Luminescence' ermöglicht bisher nicht realisierbare Auswertungen und konnte für einen Teil der Analysen und zur Erstellung eines großen Teils der in dieser Arbeit präsentierten Grafiken verwendet werden.