Climate Signals in Coastal Deposits

Abstract

Die Arbeit stellt den Aufbau und die Entwicklung Holozäner Küstenlandschaften entlang der polnischen Ostseeküste vor und erörtert ihr Potenzial zur Nutzung als Klimaarchiv. Um marine und äolische Systeme als Archiv für Windfeldänderungen nutzen zu können, ist ein umfangreiches Verständnis über deren Architektur und einflussnehmenden Prozesse unabdingbar. Der nahe Untergrund von Barrieresystemen und Dünen wurde mit Hilfe des Georadars (GPR), Sedimentbohrkernen und Gräben untersucht. Hydroakustische Daten aus der Pommerschen Bucht vervollständigen den Datensatz und geben Aufschluss über on-offshore Sedimentationsprozesse. Barrieren entwickelten sich im Zuge eines verlangsamten Meeresspiegelanstieges seit etwa 6500 BP unter dem Einfluss küstenparallel transportierten Moränenmaterials. Abhängig von einem lokal variierenden Meeresspiegelanstieg, Wellenenergie und Sedimentzufuhr unterscheiden sich die beiden untersuchten Barrieresysteme jeweils in ihrer Genese und Architektur. Die progradierende Abfolge der Wolinbarriere besteht aus einem küstenparallel-orientiertem Spit und einer seewärtig progradierenden Strandebene. Es wird gezeigt, dass die Generierung von Spits oder Strandebenen an den dominierenden Einfluss von Küstenlängsströmungen oder Wellen geknüpft und abhängig von der Richtung des Barrierewachstums ist. Vordünen zeigen die Progradationsrichtung während des Barrierewachstums an und sind charakteristisch für regressive Systeme. Die Entwicklung der landwärtig migrierenden Łeba Barriere ist von overwash und äolischem Sedimenteintrag in die Lagune dominiert. Eine flache Barriere erlaubt einen landwärts gerichteten Sedimenttransfer und die Ablagerung von washover fans im Verlauf erhöhter Wellenenergie und Wasserstände, ausgelöst durch Stürme. Eine Stabilisierung der Barriere durch Vegetation und Dünen verhindert overwash Sedimentation, jedoch wird die landwärtige Verlagerung der Barriere durch den signifikanten Beitrag von Dünen sichergestellt. Die Migration transgressiver Dünen in die Lagune erhält somit den Sedimenthaushalt der Barriere aufrecht. Heute bedeckt ein Wanderdünengürtel, bestehend aus acht Dünen, die Łeba Barriere. Die Dünen liefern ein Proxy zur Rekonstruktion jährlicher Windintensitäten, der auf saisonal variierenden sedimentären Eigenschaften basiert. Quartzsand-dominierende Intervalle und Intervalle mit Lagen angereicht mit Schwermineralen sind im GPR als alternierende Reflektionspakete mit niedrigen oder hohen Amplitude abgebildet. Dieses alternierende Muster wird sedimentärer „bar code“ genannt. Quartz-dominierende oder Schwerminerallagen-angereicherte Intervalle entstehen aufgrund subjährlich wechselnder Windrichtungen. Die jährliche Netto-Sedimentation am Leehang der Düne spiegelt sich deshalb in einem Paar von jeweils einem Paket niedriger und hoher Amplituden wieder. Variationen der jährlichen bar code Mächtigkeit ist direkt auf Änderungen in der Windintensität zurückzuführen. Der zeit-basierte Proxy reicht 26 Jahre zurück und wurde mit meteorologischen Daten verglichen und validiert. Analog zu dendrochronologischen Methoden nutzt der vorgestellte Ansatz subjährliche Intervalle in den Sedimenteigenschaften von Dünen um anschließend ein Proxy für jährliche Änderungen in der Windintensität zu erstellen. Diese Methode zur Erstellung eines Wind-Proxys kann auf Gebiete und Zeitspannen angewendet werden, für die keine meteorologischen Daten zur Verfügung stehen.

The purpose of this study is to reconstruct the development of Holocene coastal landscapes along the Polish Baltic Sea coast and to evaluate the generation of a proxy record for wind field variations. The direct response of marine and aeolian systems to changes in the wind field makes them exceptionally valuable for serving as climate archives. A key prerequisite to access the climate record is to have a comprehensive understanding of the barrier and dune architecture and their forming processes. The near subsurface of barrier and dune systems were studied by an integrated approach of using ground-penetrating radar (GPR), sediment cores, and sampling trenches. A complementing hydroacoustic data set, obtained in the Pomeranian Bight, provides an understanding of on-offshore sedimentation. The data obtained was used to reveal the architecture and evolution of each barrier system and illustrate the contemporaneous development of regressive (Wolin) and transgressive (Łeba) barrier systems along the southern Baltic Sea coast. The formation of spits and barriers is linked to a decelerating rate of sea level rise since 6500 BP and alongshore transported eroded moraine material. The Wolin barrier is characterized by a progradational sequence comprising of an alongshore growing spit and a seaward prograding beach plain. The formation of either spits or beach plains is associated to the predominance of longshore currents or waves and depends on the progradation direction of the barrier. The alongshore-parallel spit, attached in the east to a Pleistocene headland, is the result of current-dominated sediment transport. The shift from spit to beach-plain sediments is the result of restricted accommodation space for further spit growth and is accompanied by a change towards a wave-controlled sedimentation. The seaward prograding beach succession is therefore subject to greater sediment reworking by waves, especially during storms, evident from numerous unconformities in the sedimentary record. The dominating progradational character of the barrier system is attributed to a sediment supply high enough to compensate the accommodation space, a temperate wind and wave energy, and to only small fluctuations in the local sea level. Foredunes atop the barrier, characteristic for regressive systems, indicate the direction of barrier progradation through time. The development of the landward migrating Łeba barrier is controlled by overwash and aeolian sediment influx into the adjacent lagoon. In absence of topographic barrier constraints, washover fans developed as a result of the landward sediment transfer from the coast under the influence of elevated wave and water levels during storm surges. Since barrier stabilization by vegetation and dunes prevented overwash, a significant dunal contribution guarantees an ongoing landward barrier migration. Transgressive dunes are periodically prominent on the barrier and migrated into the lagoon maintaining therefore the sediment budget of the barrier. This highlights the importance of dunes for barrier development. The formation of dunes on top of the Łeba barrier since 3000 BP, as the result of barrier stabilization, is an indicator for a nearly stable sea level. At present, the Łeba barrier is covered by a transgressive dune field, composed of eight dunes which bear a record of annual wind intensity. Integrated geophysical and sedimentological data show inter-annual changes in the sedimentary properties. Intervals dominated with quartz sands and intervals showing layers enriched in heavy minerals are imaged by GPR as alternating reflection packages of low and high amplitudes. This log of alternating reflection packages is termed a sedimentary “bar code”. The deposition of quartz-dominated intervals or layers enriched in heavy minerals is attributed to sub-yearly changes in the wind field. Hence, the annual net-sedimentation at the dune lee-side is imaged by a paired low and high amplitude package. Variations in the annual bar code thickness are directly linked to annual variations in the wind intensity. The time-based wind proxy covers the time period 1987 to 2012 and was tested and validated against a time series of instrumental weather data. Analogue to dendrochronological methods, this new approach uses sub-yearly intervals in the sedimentary record of dunes, which allows providing a proxy of annual wind-intensity variations, applicable to areas and time periods lacking of instrumental observation.