Environmental magnetism and magnetostratigraphy of the Pliocene and Pleistocene sediments of the Heidelberg Basin

Titelangaben

Scheidt, Stephanie:
Environmental magnetism and magnetostratigraphy of the Pliocene and Pleistocene sediments of the Heidelberg Basin.
Bayreuth , 2018 . - XII, 164 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

The Heidelberg Basin is a broad basin structure in the northern part of the Upper Rhine Graben (URG) in southwestern Germany. The quasi-continuous Miocene to Pleistocene sedimentary infill is mainly fluvial in origin; however, it also includes minor lacustrine intercalations and sporadic pedogenic overprints. The basin has received increased attention from the geoscientific community as a result of the Heidelberg Basin Drilling Project, in which long drill cores (between 300m and 500m) have been obtained from three areas within the basin (Ludwigshafen, Viernheim, and Heidelberg). The combined efforts of scientists from various disciplines have been directed towards obtaining a better understanding of the geological evolution of the basin, including the effects of climate change and tectonics. This PhD work was intended to establish a comprehensive temporal framework for the entire sequence using magnetic polarity stratigraphy and to assess the palaeoenvironmental evolution of the basin through detailed investigations of the mineral magnetism and environmental magnetism of the sediments. The highly energetic environment in which the sediments were deposited represents a particular challenge in this work; the signal of environmental change is affected by variations in grain size and sedimentary composition and interrupted by hiatuses. However, the results of the three studies presented here reveal that the Heidelberg Basin is an outstanding archive of climate and environmental changes. Furthermore, this work demonstrates that rock magnetic analyses of fluvial sediments can produce valuable information on palaeoenvironments and the evolution of palaeoclimatic conditions. Age constraints extending to the Pliocene-Pleistocene boundary are obtained by identifying the majority of the boundaries that separate magnetic chrons and subchrons. An age model that averages out short-term variations is applied to the portions of the cores below the Gauss-Matuyama boundary (GMB). Thereby, ages of >4 Ma and >5 Ma are deduced for the deepest portions of the Heidelberg and Viernheim cores, respectively. Core P36 from the Ludwigshafen area is affected by strong drilling-induced overprinting, by which its older parts provide no age information. A wide range of techniques and methods are applied in mineral magnetic characterisation. Among other properties, magnetic susceptibility and natural remanent magnetisation (NRM) intensities were determined for bulk samples and magnetically extracted fractions. Further, measurements of isothermal remanent magnetisation (IRM) were performed, and backfield IRM curves and hysteresis curves were obtained. Thermomagnetic measurements of magnetic extracts, first-order reversal curves (FORCs) and coercivity analyses of bulk samples are shown to be particularly useful in disentangling the complex magnetic mineralogy. The results of the rock magnetic techniques are complemented by scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray (SEM/EDX) spectroscopic analyses of selected magnetic minerals and wavelength dispersive X-ray fluorescence (WD-XRF) analyses of bulk samples. Considering all of the results, the cores are divided into two sub-sections based on their magnetic mineralogical characteristics. The boundary between the sub-sections is located just below the Pliocene-Pleistocene boundary and is defined at the GMB. The lower parts of the P36 and Viernheim cores generally display relatively weak magnetic characteristics; authigenic haematite, haemo-ilmenite, Fe-chromite and goethite dominate the magnetic mineral assemblage. The upper parts of these cores are dominated by sulphides, especially greigite. Ilmenite, Fe-chromite, and strongly corroded magnetite remainders are present. The magnetic mineral assemblage of the Heidelberg core differs from those of the other two cores in that its lower and upper parts contain greigite and detrital haematite, respectively. This disparity is assumed to be related to greater rates of subsidence and accumulation at the Heidelberg site and inputs of Lower Triassic clastics from the Neckar River catchment. Combined with information available from the literature, the rock magnetic data are interpreted to indicate that the climate within the study area was Mediterranean to subtropical during the Pliocene. Repeated fluctuations of the groundwater table drove redox fluctuations in the floodplain areas. Climatic and environmental conditions changed rapidly at the very end of the Pliocene. The mineral magnetic record preserves evidence of groundwater level stabilisation and climatic cooling. Variations in the magnetic mineralogy of the Pleistocene-age portions of the cores are not readily attributed to changes in climatic conditions. The future incorporation of information from palynological and clay mineralogical studies is expected to add to the outcomes of this study substantially. This work supplements existing knowledge of the palaeoenvironmental and palaeoclimatic evolution of northwestern Europe with information obtained in a region from which few data were previously available. In particular, continental sedimentary records rarely preserve information on the progressive intensification of glaciation in the Northern Hemisphere. The sequence of events recorded in the sediments of the Heidelberg Basin is tentatively placed in the context of scenarios that are based on similar sequences of events that have been reconstructed elsewhere in the Northern Hemisphere. Thus, this study reveals that the Heidelberg Basin preserves an exceptional record of the evolution of the climate of the Northern Hemisphere from a greenhouse state to an icehouse state.

Abstract in weiterer Sprache

Das Heidelberger Becken ist eine weite, Beckenstruktur im nördlichen Oberrheingraben in Südwest-Deutschland. Die miozäne bis pleistozäne, quasi-kontinuierlich abgelagerte Beckenfüllung ist vorwiegend fluvialen Ursprungs, enthält jedoch untergeordnet auch lakustrine Einschaltungen und sporadisch pedogene Überprägungen. Das Becken rückte verstärkt in den Blickpunkt der geowissenschaftlichen Gemeinschaft, als das Bohrprojekt `Heidelberger Becken´ Tiefbohrkerne (zwischen 300 m und 500 m) aus drei Bereichen des Beckens (Ludwigshafen, Viernheim, Heidelberg) der wissenschaftlichen Bearbeitung zur Verfügung stellte. Die kollektiven Anstrengungen der Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen galten dem besseren Verständnis der geologischen Evolution des Beckens, inklusive der Einflüsse von Klimaveränderung und Tektonik. Diese Dissertation hatte zum Ziel mittels Magnetostratigraphie einen Zeitrahmen für die gesamte Abfolge zu etablieren und die Entwicklung der Paläoumweltentwicklung durch eine detaillierte magnetomineralogische und umweltmagnetische Charakterisierung der Sedimente darzustellen. Die Bedingungen des hochenergetischen Ablagerungsmilieus stellen hierbei eine besondere Herausforderung dar. Die Signale der Umwelt- und Klimaveränderungen werden durch Korngrößeneffekte und Kompositionsvariationen überlagert und durch Hiaten unterbrochen. Ungeachtet dieser Bedingungen, zeigen die Ergebnisse der drei hier präsentierten Studien, dass das Heidelberger Becken ein hervorragendes Archiv für Klima und Umweltbedingungen darstellt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass gesteinsmagnetische Analysen an fluvialen Sedimenten wertvolle Informationen zur Paläoklima- und Paläoumweltentwicklung beisteuern können. Die chronostratigraphische Einstufung bis runter zur Pliozän-Pleistozän Grenze beruht im Wesentlichen auf der Erfassung von magnetostratigraphischen Chronen und Sub-Chronen. Die Altersdaten der Kernbereiche unterhalb der Gauß-Matuyama Grenze (GMB) wurden mittels eines Altersmodels hergeleitet, in dem kurzzeitige Variationen herausgemittelt werden. So konnten Alter von >4 Millionen Jahre und >5 Millionen Jahre für die tiefsten Bereiche der Kerne Heidelberg und Viernheim bestimmt werden. Der Kern P36 aus dem Ludwigshafener Gebiet ist durch eine starke, bohrinduzierte Remanenz überprägt und liefert daher im pliozänen Bereich keine Altersdaten. Die magnetomineralogische Charakterisierung der Sedimente beruht auf einer Anzahl verschiedener Techniken und Methoden. Unter anderem, wurde die magnetische Suszeptibilität und die natürliche remanente Magnetisierung (NRM) von Gesamtprobenmaterial und von magnetisch extrahierten Mineralen bestimmt. Weiterhin wurden Messungen der Erwerbs- und -Rückkurven der isothermalen remanenten Magnetisierung (IRM) sowie Hysteresekurven durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass thermomagnetische Messungen von magnetischen Extrakten, sowie `first order reversal curve‘ (FORC) Messungen und Koerzivitätsanalysen von Gesamtprobenmaterial besonders gut geeignet sind, der komplexen Magnetomineralogie auf den Grund zu gehen. Die Ergebnisse der gesteinsmagnetischen Techniken werden durch eine Kombination von Rasterelektronenmikroskop Analysen und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (SEM/EDX) ausgewählter magnetischer Minerale und wellenlängendispersiven Röntgenfluoreszenzanalysen (WD-XRF) des Gesamtprobenmaterials vervollständigt. Unter Berücksichtigung aller Resultate werden die Kerne auf Basis ihres magnetomineralogischen Charakters in zwei Teile untergliedert. Die Grenze befindet sich knapp unterhalb des Pliozän-Pleistozän Übergangs, die durch die GMB definiert ist. Der untere Teil der Kerne P36 und Viernheim ist generell schwacher magnetisch als der obere. Authigener Hämatit, Hämo-Ilmenit, Eisen-Chromit und Goethit dominieren die Magnetomineralogie. Der obere Teil dieser Kerne ist dagegen durch Sulfide (insbesondere Greigit) dominiert. Ilmenit, Eisen-Chromit und stark korrodierte Reste von Magnetit- Mineralen sind ebenfalls vorhanden. Die Vergesellschaftung der magnetischen Minerale vom Kern Heidelberg unterscheidet sich deutlich von der der anderen zwei Kerne: Greigit ist auch im unteren Teil vorhanden und der obere Teil enthält detritischen Hämatit. Die Unterschiede werden vermutlich durch höhere Subsidenz- und Akkumulationsraten und durch den Eintrag triassischer Sedimente aus dem Einzugsgebiet des Neckars bedingt. Durch die Kombination der gesteinsmagnetischen Interpretation mit den in der Literatur verfügbaren Informationen zeichnet sich ein mediterranes bis subtropisches Klima-Szenario ab. In den Flussauen führten wiederkehrende Schwankungen des Grundwasserspiegels zu Redox-Fluktuationen. Am Ende des Pliozäns änderten sich die Klima- und Umweltbedingungen rapide. Die magnetomineralogischen Hinweise deuten auf eine Stabilisierung des Grundwasserspiegels und auf eine Abkühlung der klimatischen Verhältnisse. Variationen der magnetischen Minerale der quartären Kernbereiche können nicht ohne weiteres als Klimaindikatoren verwendet werden. Es wird jedoch erwartet, dass das Einbinden von Resultaten palynologischer Studien oder tonmineralogischer Analysen diesbezüglich weitere Erkenntnisse liefern wird. Diese Arbeit ergänzt das bestehende Wissen über den Verlauf der Paläoumwelt- und Paläoklimaentwicklung über eine Region von Nordwest-Europa, in der bislang nur wenig Information verfügbar ist. Besonders Daten zum Verlauf der Intensivierung der Vereisung der nördlichen Hemisphäre sind selten in kontinentalen Sedimenten dokumentiert. Die in den sedimentären Archiven des Heidelberger Beckens gespeicherten Abläufe der klimatischen Ereignisse werden mit Szenarien verglichen, die ähnliche Abläufe andernorts in der nördlichen Hemisphäre belegen (Atlantik, China, Russland). Hierdurch wird deutlich, dass im Heidelberger Becken eine exzeptionelle Aufzeichnung der Entwicklung des nordhemisphärischen Treibhausklimas zum Eishausklima erhalten ist.