TY - THES A1 - Torres Acosta, Verónica T1 - Denudation processes in a tectonically active rift on different time scales T1 - Denudationsprozesse eines tektonisch aktiven Rifts auf unterschiedlichen Zeitskalen BT - new insights from thermochronology and CRN dating in the Kenya Rift BT - neue Erkenntnisse aus Thermochronologie und CRN-Datierungen im Kenia Rift N2 - Continental rifts are excellent regions where the interplay between extension, the build-up of topography, erosion and sedimentation can be evaluated in the context of landscape evolution. Rift basins also constitute important archives that potentially record the evolution and migration of species and the change of sedimentary conditions as a result of climatic change. Finally, rifts have increasingly become targets of resource exploration, such as hydrocarbons or geothermal systems. The study of extensional processes and the factors that further modify the mainly climate-driven surface process regime helps to identify changes in past and present tectonic and geomorphic processes that are ultimately recorded in rift landscapes. The Cenozoic East African Rift System (EARS) is an exemplary continental rift system and ideal natural laboratory to observe such interactions. The eastern and western branches of the EARS constitute first-order tectonic and topographic features in East Africa, which exert a profound influence on the evolution of topography, the distribution and amount of rainfall, and thus the efficiency of surface processes. The Kenya Rift is an integral part of the eastern branch of the EARS and is characterized by high-relief rift escarpments bounded by normal faults, gently tilted rift shoulders, and volcanic centers along the rift axis. Considering the Cenozoic tectonic processes in the Kenya Rift, the tectonically controlled cooling history of rift shoulders, the subsidence history of rift basins, and the sedimentation along and across the rift, may help to elucidate the morphotectonic evolution of this extensional province. While tectonic forcing of surface processes may play a minor role in the low-strain rift on centennial to millennial timescales, it may be hypothesized that erosion and sedimentation processes impacted by climate shifts associated with pronounced changes in the availability in moisture may have left important imprints in the landscape. In this thesis I combined thermochronological, geomorphic field observations, and morphometry of digital elevation models to reconstruct exhumation processes and erosion rates, as well as the effects of climate on the erosion processes in different sectors of the rift. I present three sets of results: (1) new thermochronological data from the northern and central parts of the rift to quantitatively constrain the Tertiary exhumation and thermal evolution of the Kenya Rift. (2) 10Be-derived catchment-wide mean denudation rates from the northern, central and southern rift that characterize erosional processes on millennial to present-day timescales; and (3) paleo-denudation rates in the northern rift to constrain climatically controlled shifts in paleoenvironmental conditions during the early Holocene (African Humid Period). Taken together, my studies show that time-temperature histories derived from apatite fission track (AFT) analysis, zircon (U-Th)/He dating, and thermal modeling bracket the onset of rifting in the Kenya Rift between 65-50 Ma and about 15 Ma to the present. These two episodes are marked by rapid exhumation and, uplift of the rift shoulders. Between 45 and 15 Ma the margins of the rift experienced very slow erosion/exhumation, with the accommodation of sediments in the rift basin. In addition, I determined that present-day denudation rates in sparsely vegetated parts of the Kenya Rift amount to 0.13 mm/yr, whereas denudation rates in humid and more densely vegetated sectors of the rift flanks reach a maximum of 0.08 mm/yr, despite steeper hillslopes. I inferred that hillslope gradient and vegetation cover control most of the variation in denudation rates across the Kenya Rift today. Importantly, my results support the notion that vegetation cover plays a fundamental role in determining the voracity of erosion of hillslopes through its stabilizing effects on the land surface. Finally, in a pilot study I highlighted how paleo-denudation rates in climatic threshold areas changed significantly during times of transient hydrologic conditions and involved a sixfold increase in erosion rates during increased humidity. This assessment is based on cosmogenic nuclide (10Be) dating of quartzitic deltaic sands that were deposited in the northern Kenya Rift during a highstand of Lake Suguta, which was associated with the Holocene African Humid Period. Taken together, my new results document the role of climate variability in erosion processes that impact climatic threshold environments, which may provide a template for potential future impacts of climate-driven changes in surface processes in the course of Global Change. N2 - Kontinentale Riftsysteme wie das ostafrikanische Riftsystem (OARS) bieten ideale Voraussetzungen, um die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen Extension, Änderungen in der Topographie, Erosion und Sedimentation im Zusammenhang mit Prozessen der Landschaftsentwicklung auf unterschiedlichen Zeitskalen zu untersuchen. Darüber hinaus spielen diese Regionen eine bedeutsame Rolle für die Entwicklung und Verbreitung der Arten und stellen durch eine kontinuierliche Entwicklung von Sedimentationsräumen und die in ihnen gespeicherten Klimasignale wichtige Klimaarchive dar. Rifts sind außerdem wichtige Regionen, in denen Maßnahmen zur Exploration natürlicher Ressourcen zunehmend wichtiger werden. Von Bedeutung ist hier, diese Prozesse und ihre Auslösemechanismen besser zu verstehen und Veränderungen in den tektonischen und geomorphologischen Prozessen der Vergangenheit und der Gegenwart zu identifizieren, deren Raten zu bestimmen und in den Kontext der Landschaftsentwicklung zu setzen. Das OARS ist eine markante tektonische und topographische Erscheinung in Ostafrika, die einen tiefgreifenden Einfluss auf die Verteilung und Menge von Niederschlägen und damit auf die Effizienz von Oberflächenprozessen hat. Das Kenia-Rift ist ein integraler Bestandteil des östlichen Zweigs des OARS und ist durch ausgeprägte Riftflanken mit Abschiebungen, und flacheren Riftschultern sowie vulkanischen Zentren entlang des Grabens gekennzeichnet. In Anbetracht der tektonischen Prozesse im Kenia-Rift während der letzten 60 Millionen Jahre, bilden die Bestimmung der Abkühlungsgeschichte der Riftschultern, sowie die Ablagerungsgeschichte im Riftbecken und auf den Riftschultern die Grundlage für die Rekonstruktion der strukturellen Entwicklung des Rifts. Auf kurzen, hundertjährigen bis tausendjährigen Zeitskalen, spielt tektonische Aktivität aufgrund langsamer Deformationsraten eine untergeordnete Rolle bei der Kontrolle von Erosion und Sedimentation. Dem gegenüber stehen klimagesteuerte Prozesse, die die Verfügbarkeit von Feuchtigkeit, die Niederschlagstätigkeit, die Vegetationsbedeckung sowie die Erosionsprozesse kontrollieren. In dieser Dissertation habe ich thermochronologische Untersuchungen, geomorphologische Geländeergebnisse und morphometrische Analysen an digitalen Geländemodellen kombiniert, um Exhumationsprozesse und Erosionsraten sowie die Wirkung des Klimas auf die känozoische Entwicklung des Kenia-Rifts zu rekonstruieren. Ich präsentiere: (1) neue thermochronologische Daten aus den nördlichen und zentralen Teilen des Kenia-Rifts, um quantitative Angaben zur Exhumationsgeschichte und der thermischen Entwicklung im Känozoikum zu erhalten, die letztlich die Basis für regionale Riftmodelle bilden und die Dynamik der Riftbildung im Inneren eines Kontinents beleuchten; (2) mittlere Denudationsraten (mithilfe des kosmogenen Nuklids 10Be) in Einzugsgebieten des nördlichen, zentralen und südlichen Rifts um Abhängigkeiten der Erosionsprozesse von klimatischen, lithologischen und tektonischen Parametern auf einer Zeitskala von mehreren 10^3 Jahren zu erfassen; (3) Paläo-Denudationsraten im nördlichen Rift, um klimatisch kontrollierte Veränderungen der Umweltbedingungen im Früh-Holozän zu bestimmen. Meine Studien zeigen, dass Zeit-Temperatur-Pfade von Apatit Spaltspurenanalysen, Zirkon-(U-Th)/He-Datierungen und thermischen Modellierung den Zeitraum der Grabenbildung im Kenia Rift zwischen 65-50 Ma und von 15 Ma bis zur Gegenwart definieren. Diese beiden Phasen werden durch schnelle Exhumierung der Riftflanken und Anhebung der Riftschultern begleitet. Zwischen 45 und 15 Ma wurden die Riftschultern und -flanken nur sehr langsam erodiert/exhumiert, und Sedimente aus diesen Gebieten im Rift abgelagert, die zum Teil auf die damaligen Riftschultern sedimentiert wurden. Darüber hinaus ermittelte ich, dass Denudationsraten in spärlich bewachsenen Gebieten heute bis zu 0,13 mm/a erreichen können, während in feuchten und dicht bewachsenen Gebieten ein Maximum von nur 0,08 mm/a erreicht wird, trotz z.T. steilerer Hänge. Die Kombination morphometrischer Untersuchungen und Analysen des kosmogenen Nuklids 10Be zeigt, dass Vegetation und Hangneigung weitgehend die Variabilität von Erosionsraten im heutigen Kenia Rift beeinflussen. Meine Ergebnisse unterstützen mit robusten quantitativen Daten die Hypothese, dass die Vegetationsdecke eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung von Hängen spielt. In einer weiterführenden Pilotstudie konnte ich zeigen, wie Paläo-Denudationsraten zum Verständnis bekannter Perioden der Klimaschwankung und den damit verbundenen Änderungen hydrologischer Bedingungen beitragen können. Diese Beobachtung basiert auf der Analyse kosmogener Nuklide (10Be) an früh-holozänen Deltaablagerungen im nördlichen Kenia Rift, die auf eine Vervierfachung der Erosionsraten in der Anfangsphase eines Wechsels von ariden zu humiden Klimabedingungen hindeuten. Diese Untersuchungen dokumentieren somit die Bedeutung von Klimavariabilität im Erosions- und Sedimentationsregime klimatischer Schwellenregionen und verdeutlichen ein Szenario der Veränderung von Oberflächenprozessen, wie es bei zukünftigen Änderungen des Klimas im Zuge des globalen Wandels erwartet werden kann. KW - denudation processes KW - East African Rift KW - landscape evolution KW - thermochronology KW - cosmogenic radionuclides KW - exhumation processes KW - vegetation cover KW - Denudation KW - Exhumationsprozesse KW - kosmogene Nuklide KW - Landschaftsentwicklung KW - ostafrikanisches Riftsystem KW - Vegetationsbedeckung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-84534 ER - TY - JOUR A1 - Acosta, Veronica Torres A1 - Schildgen, Taylor F. A1 - Clarke, Brian A. A1 - Scherler, Dirk A1 - Bookhagen, Bodo A1 - Wittmann, Hella A1 - von Blanckenburg, Friedhelm A1 - Strecker, Manfred T1 - Effect of vegetation cover on millennial-scale landscape denudation rates in East Africa JF - Lithosphere N2 - The mechanisms by which climate and vegetation affect erosion rates over various time scales lie at the heart of understanding landscape response to climate change. Plot-scale field experiments show that increased vegetation cover slows erosion, implying that faster erosion should occur under low to moderate vegetation cover. However, demonstrating this concept over long time scales and across landscapes has proven to be difficult, especially in settings complicated by tectonic forcing and variable slopes. We investigate this problem by measuring cosmogenic Be-10-derived catchment-mean denudation rates across a range of climate zones and hillslope gradients in the Kenya Rift, and by comparing our results with those published from the Rwenzori Mountains of Uganda. We find that denudation rates from sparsely vegetated parts of the Kenya Rift are up to 0.13 mm/yr, while those from humid and more densely vegetated parts of the Kenya Rift flanks and the Rwenzori Mountains reach a maximum of 0.08 mm/yr, despite higher median hillslope gradients. While differences in lithology and recent land-use changes likely affect the denudation rates and vegetation cover values in some of our studied catchments, hillslope gradient and vegetation cover appear to explain most of the variation in denudation rates across the study area. Our results support the idea that changing vegetation cover can contribute to complex erosional responses to climate or land-use change and that vegetation cover can play an important role in determining the steady-state slopes of mountain belts through its stabilizing effects on the land surface. Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1130/L402.1 SN - 1941-8264 SN - 1947-4253 VL - 7 IS - 4 SP - 408 EP - 420 PB - American Institute of Physics CY - Boulder ER - TY - GEN A1 - Garcin, Yannick A1 - Acosta, Veronica Torres A1 - Melnick, Daniel A1 - Guillemoteau, Julien A1 - Willenbring, Jane A1 - Strecker, Manfred T1 - Short-lived increase in erosion during the African Humid Period: Evidence from the northern Kenya Rift (vol 759, pg 58, 2017) T2 - Earth & planetary science letters Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.07.027 SN - 0012-821X SN - 1385-013X VL - 474 SP - 528 EP - 528 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Garcin, Yannick A1 - Schildgen, Taylor F. A1 - Acosta, Veronica Torres A1 - Melnick, Daniel A1 - Guillemoteau, Julien A1 - Willenbring, Jane A1 - Strecker, Manfred T1 - Short-lived increase in erosion during the African Humid Period BT - evidence from the northern Kenya Rift JF - Earth & planetary science letters N2 - The African Humid Period (AHP) between similar to 15 and 5.5 cal. kyr BP caused major environmental change in East Africa, including filling of the Suguta Valley in the northern Kenya Rift with an extensive (similar to 2150 km(2)), deep (similar to 300 m) lake. Interfingering fluvio-lacustrine deposits of the Baragoi paleo-delta provide insights into the lake-level history and how erosion rates changed during this time, as revealed by delta-volume estimates and the concentration of cosmogenic Be-10 in fluvial sand. Erosion rates derived from delta-volume estimates range from 0.019 to 0.03 mm yr(-1). Be-10-derived paleo-erosion rates at similar to 11.8 cal. kyr BP ranged from 0.035 to 0.086 mm yr(-1), and were 2.7 to 6.6 times faster than at present. In contrast, at similar to 8.7 cal. kyr BP, erosion rates were only 1.8 times faster than at present. Because Be-10-derived erosion rates integrate over several millennia; we modeled the erosion-rate history that best explains the 10Be data using established non-linear equations that describe in situ cosmogenic isotope production and decay. Two models with different temporal constraints (15-6.7 and 12-6.7 kyr) suggest erosion rates that were 25 to 300 times higher than the initial erosion rate (pre-delta formation). That pulse of high erosion rates was short (similar to 4 kyr or less) and must have been followed by a rapid decrease in rates while climate remained humid to reach the modern Be-10-based erosion rate of,similar to 0.013 mm yr(-1). Our simulations also flag the two highest Be-10-derived erosion rates at 11.8 kyr BP related to nonuniform catchment erosion. These changes in erosion rates and processes during the AHP may reflect a strong increase in precipitation, runoff, and erosivity at the arid-to-humid transition either at 15 or similar to 12 cal. kyr BP, before the landscape stabilized again, possibly due to increased soil production and denser vegetation. KW - northern Kenya Rift KW - Baragoi KW - paleo-delta KW - African Humid Period KW - erosion KW - Be-10 Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.11.017 SN - 0012-821X SN - 1385-013X VL - 459 SP - 58 EP - 69 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER -