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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-67065
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6706/


Climate Archive Dune

Klimaarchiv Düne

Costas Vázquez, Iria

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SWD-Schlagwörter: Düne , Sylt , Sedimentologie , Wind , Elektromagnetische Reflexionsmethode
Freie Schlagwörter (Deutsch): Georadar
Freie Schlagwörter (Englisch): Aeolian activity , climate variability , optically stimulated luminescence , ground-penetrating radar , internal structure
Basisklassifikation: 38.79 , 38.10 , 38.03 , 38.41
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Betzler, Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.11.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 10.04.2014
Kurzfassung auf Englisch: The aim of this study was to access a new archive of temporal wind-field variations recorded in the sedimentary succession of a migrating dune. Dunes are sensitive systems which can reveal environmental variations, such as changes in wind-field variations, vegetation cover or sediment supply, by reflecting changes in dune morphology, internal architecture and/or grain-size variations. Therefore, they are valuable palaeoclimatic archives.

An integrated approach combining geophysical, sedimentological and statistical tools was applied. First, an age model was developed combining optically-stimulated luminescence (OSL) dating and aerial images. Afterwards, the dune development over time and the internal geometry were reconstructed based on observations from aerial images and data obtained with a ground-penetrating radar (GPR). Finally, proxies for wind-field variations were obtained from granulometric measurements of approximately 5000 sediment samples. The granulometric measurements were compared with a time series of meteorological data. A function correlating both datasets enabled the reconstruction of wind-speed variations in a time period without instrumental data.

The results of the age model based on OSL ages compared to an independent age model based on aerial images showed that the five oldest samples agreed the independent age estimates. However, the six youngest samples presented a systematically overestimation of 10 to 40 years due to a combination of small thermal transfer and incomplete bleaching in the medium and slow OSL component.

The aerial images showed that the dune changed from a transverse to a parabolic dune. Variations of the migration rates depend on wind speeds exceeding values of 3 Beaufort and on the annual precipitation. The GPR showed a geometrical change from tabular to convex foreset geometry associated to the geomorphological change of the dune. It also revealed erosional unconformities associated with a period of long lasting easterly storms. Toplap geometries were interpreted to represent periods of higher wind direction variability.

The correlation between the geological and the meteorological record showed that fine and well sorted sediment were related to low wind speeds, whereas coarse and poorly sorted sediment were associated to high wind speeds. A mathematical function describing this relation allowed for the reconstruction of wind-speed variations in the absence of instrumental data on a decadal timescale. Furthermore, sedimentological and meteorological records showed an annual cyclicity expressed by a change in sediment sorting from well to poorly to well sorted, and a change in wind speed from low to high to low, respectively. Additionally, a 3.6 and a 5 yr cycle in the sedimentological record and a 6.5 and 8 yr cycle in the wind-speed record were also observed, most likely associated to the North Atlantic Oscillation (NAO).

In summary, it has been shown that sediments of a migrating dune bear a unique and valuable record of past wind-field conditions. The time series based on granulometric analysis enable the reconstruction of wind speed with values higher than 7 m/s back to 1907. This reconstruction showed that the periods with stronger winds took place at the end of the first decade, beginning and end of the second decade, second half of the 1930s, mid-to-late 1940s, mid-to-late 1950s, and from the mid 1960s to 2003. Migration rates, erosional unconformities, toplap geometries, and geomorphological changes were presumed to be related to specific wind and precipitation conditions.
Kurzfassung auf Deutsch: Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Änderungen des lokalen Windfeldes in der sedimentären Abfolge einer küstennahen Wanderdüne archiviert werden. Dünen sind sensible Systeme, die unmittelbar auf Windfeldvariationen reagieren. Weitere Einflussfaktoren, wie Veränderungen in der Vegetation oder der Sedimentzufuhr, spiegeln sich in einer varianten Dünenmorphologie, der internen Architektur und im Korngrößenspektrum wider. Aus diesen Gründen, sind Dünen ein wertvolles paläoklimatisches Archiv.

Ein integrierter Ansatz aus geophysikalischen, sedimentologischen und statistischen Methoden stand für die Bearbeitung der Aufgabenstellung zur Verfügung. Die Kombination aus optisch stimulierter Lumineszenz (OSL), eine Methode der absoluten Altersdatierung, und Luftbildern ermöglichte ein vielschichtiges Altersmodell. Auf dieser Grundlage konnte die zeitliche Entwicklung der Düne rekonstruiert werden. Die interne Geometrie, die anhand von Georadardaten (ground-penetrating-radar, GPR) ermittelt wurde, liegt mit Hilfe des Altersmodells in einem zeitlichen Kontext. Granulometrische Messungen von etwa 5000 Sedimentproben fungieren als Proxies für Windfeldvariationen. Die Analyse der Korngrößenparameter wurde mit einer Zeitreihe von meteorologischen Daten verglichen. Eine Funktion, die beide Datensätze korreliert, ermöglichte die Rekonstruktion der Windgeschwindigkeitsvariationen in einem Zeitraum ohne aufgezeichnete Daten.

Die Resultate des OSL Altersmodells verglichen mit den Luftbildern zeigen, dass die fünf ältesten OSL Proben mit den Ergebnissen der Luftbildauswertung übereinstimmen. Die sechs jüngsten Proben zeigen dagegen eine systematisch Überschätzung von 10 bis 40 Jahren, was auf eine Kombination von kleinen Thermotransferereignissen und unvollständiger Bleichung in der Mittel- und Langsam-OSL-Komponente zurückgeführt wird.

Die Auswertung der Luftbilder gibt, neben einer Alterseinteilung, ein Bild der geomorphologischen Entwicklung wider und weist Änderungen in der Migrationsgeschwindigkeit der Düne nach. Die aktive Düne veränderte sich seit dem ersten zur Verfügung stehenden Luftbild aus dem Jahr 1936 aus einer Querdüne hin zu einer Parabeldüne. Änderungen in der Migrationsrate sind abhängig von Windgeschwindigkeiten über 3 Beaufort und den jährlichen Niederschlägen. Die Auswertung der GPR-Daten zeigt eine geometrische Veränderung von flachen hin zu konvexen foresets. Der Wechsel in der Geometrie geht mit der geomorphologischen Änderung der Düne einher. In den Radarlinien ermittelte Erosionsdiskordanzen treten während andauernder östlicher Stürme auf. Toplap-Geometrien repräsentieren Perioden mit einer höheren Variabilität der Windrichtung.

Die Korrelation zwischen den sedimentologischen und meteorologischen Aufzeichnungen zeigt, dass feines und gut sortiertes Material mit niedrigen Windgeschwindigkeiten einher gehen, während grobes und schlecht sortiertes Sediment mit hohen Windgeschwindigkeiten korrelieren. Eine mathematische Funktion, die diese Beziehung beschreibt, erlaubt die Rekonstruktion der Windgeschwindigkeitsvariationen in Abwesenheit von instrumentellen Daten auf einer dekadischen Zeitskala. Mit Hilfe der beiden Datensätze konnte eine jährliche Zyklizität festgestellt werden. Dabei ändert sich die Sortierung des Sediment von gut zu schlecht und wieder zu gut simultan mit der Windgeschwindigkeit von niedrig zu hoch zu niedrig. Darüber hinaus wurden ein 3.6- und ein 5-Jahres-Zyklus in der sedimentologischen Abfolge und ein 6.5- und 8-Jahres-Zyklus im Windgeschwindigkeits-Rekord beobachtet, die wahrscheinlich Änderungen in der Nordatlantischen Oszillation (NAO) zugeordnet werden können.

Die Auswertung des umfangreich vorhandenen Datensatzes zeigt, dass Sedimente einer Wanderdüne ein einzigartiges und wertvolles Archiv für Windfeldvariationen liefern. Auf Korngrößen basierende Zeitreihen ermöglichen die Rekonstruktion von Windgeschwindigkeit mit Werten höher als 7 m/s zurück bis zum Jahr 1907. Perioden mit stärkeren Winden treten am Ende des ersten Jahrzehnts, am Beginn und Ende des zweiten Jahrzehnts, in der zweiten Hälfte der 1930er Jahre, Mitte bis Ende der 1940er Jahre, Mitte bis Ende der 1950er Jahre, und ab Mitte der 1960er Jahre bis 2003 auf. Änderungen in der Migrationsgeschwindigkeit, Erosionsdiskordanzen, Toplap-Geometrien und geomorphologische Veränderungen wurden mit bestimmten Wind- und Niederschlagsverhältnissen korreliert.

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