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Investigations on rainfall variability during the late Quaternary based on geochemical analyses of lake sediments from tropical and subtropical southern Africa

Untersuchungen zur Niederschlagsvariabilität im tropischen und subtropischen Afrika während des späten Quartärs auf der Basis geochemischer Analysen an Seesedimenten

  • This thesis presents investigations on sediments from two African lakes which have been recording changes in their surrounding environmental and climate conditions since more than 200,000 years. Focus of this work is the time of the last Glacial and the Holocene (the last ~100,000 years before present [in the following 100 kyr BP]). One important precondition for this kind of research is a good understanding of the present ecosystems in and around the lakes and of the sediment formation under modern climate conditions. Both studies therefore include investigations on the modern environment (including organisms, soils, rocks, lake water and sediments). A 90 m long sediment sequence was investigated from Lake Tswaing (north-eastern South Africa) using geochemical analyses. These investigations document alternating periods of high detrital input and low (especially autochthonous) organic matter content and periods of low detrital input, carbonatic or evaporitic sedimentation and high autochthonous organic matter content. TheseThis thesis presents investigations on sediments from two African lakes which have been recording changes in their surrounding environmental and climate conditions since more than 200,000 years. Focus of this work is the time of the last Glacial and the Holocene (the last ~100,000 years before present [in the following 100 kyr BP]). One important precondition for this kind of research is a good understanding of the present ecosystems in and around the lakes and of the sediment formation under modern climate conditions. Both studies therefore include investigations on the modern environment (including organisms, soils, rocks, lake water and sediments). A 90 m long sediment sequence was investigated from Lake Tswaing (north-eastern South Africa) using geochemical analyses. These investigations document alternating periods of high detrital input and low (especially autochthonous) organic matter content and periods of low detrital input, carbonatic or evaporitic sedimentation and high autochthonous organic matter content. These alternations are interpreted as changes between relatively humid and arid conditions, respectively. Before c. 75 kyr BP, they seem to follow changes in local insolation whereas afterwards they appear to be acyclic and are probably caused by changes in ocean circulation and/or in the mean position of the Inter-Tropical Convergence Zone (ITCZ). Today, these factors have main influence on precipitation in this area where rainfall occurs almost exclusively during austral summer. All modern organisms were analysed for their biomarker and bulk organic and compound-specific stable carbon isotope composition. The same investigations on sediments from the modern lake floor document the mixed input of the investigated individual organisms and reveal additional influences by methanotrophic bacteria. A comparison of modern sediment characteristics with those of sediments covering the time 14 to 2 kyr BP shows changes in the productivity of the lake and the surrounding vegetation which are best explained by changes in hydrology. More humid conditions are indicated for times older than 10 kyr BP and younger than 7.5 kyr BP, whereas arid conditions prevailed in between. These observations agree with the results from sediment composition and indications from other climate archives nearby. The second lake study deals with Lake Challa, a small, deep crater lake on the foot of Mount Kilimanjaro. In this lake form mm-scale laminated sediments which were analyses with micro-XRF scanning for changes in the element composition. By comparing these results with investigations on thin sections, results from ongoing sediment trap studies, meteorological data, and investigations on the surrounding rocks and soils, I develop a model for seasonal variability in the limnology and sedimentation of Lake Challa. The lake appears to be stratified during the warm rain seasons (October – December and March – May) during which detrital material is delivered to the lake and carbonates precipitate. On the lake floor forms a dark lamina with high contents of Fe and Ti and high Ca/Al and low Mn/Fe ratios. Diatoms bloom during the cool and windy season (June – September) when mixing down to c. 60 m depth provides easily bio-available nutrients. Contemporaneously, Fe and Mn-oxides are precipitating which cause high Mn/Fe ratios in the light diatom-rich laminae of the sediments. Trends in the Mn/Fe ratio of the sediments are interpreted to reflect changes in the intensity or duration of seasonal mixing in Lake Challa. This interpretation is supported by parallel changes in the organic matter and biogenic silica content observed in the 22 m long profile recovered from Lake Challa. This covers the time of the last 25 kyr BP. It documents a transition around 16 kyr BP from relatively well-mixed conditions with high detrital input during glacial times to stronger stratified conditions which are probably related to increasing lake levels in Challa and generally more humid conditions in East Africa. Intensified mixing is recorded for the time of the Younger Dryas and the period between 11.4 and 10.7 kyr BP. For these periods, reduced intensity of the SW monsoon and intensified NE monsoon are reported from archives of the Indian-Asian Monsoon region, arguing for the latter as a probable source for wind mixing in Lake Challa. This connection is probably also responsible for contemporaneous events in the Mn/Fe ratios of the Lake Challa sediments and in other records of northern hemisphere monsoon intensity during the Holocene and underlines the close interaction of global low latitude atmospheric circulation.show moreshow less
  • In dieser Arbeit werden Ergebnisse von Untersuchungen an den Sedimenten zweier afrikanischer Seen vorgestellt, die ein Archiv für Klimaveränderungen über einen Zeitraum von mehr als 200.000 Jahren darstellen. Der Schwerpunkt liegt in dieser Arbeit auf dem letzten Glazial und dem Holozän (ca. 100.000 Jahre vor heute [nachfolgend als 100 kyr BP bezeichnet] bis heute). Grundlegende Voraussetzung für solche Studien ist ein gutes Verständnis der Ökosysteme in und um den See, sowie des gegenwärtigen Sedimentationsgeschehens. Deswegen beinhalten beide Seestudien Untersuchungen der heutigen Organismen, Böden, Gesteine, Wasserchemie und Sedimentablagerungen. Im Tswaing-See im nordöstlichen Südafrika wurden anhand eines 90 m langen Sedimentprofils Studien zur Sedimentzusammensetzung und Untersuchungen der Zusammensetzung und Qualität des organischen Materials durchgeführt. Sie zeigen einen Wechsel zwischen Phasen hohen detritischen Eintrags, während derer v.a. kaum autochthones organisches Material im See erhalten blieb, mit Phasen geringenIn dieser Arbeit werden Ergebnisse von Untersuchungen an den Sedimenten zweier afrikanischer Seen vorgestellt, die ein Archiv für Klimaveränderungen über einen Zeitraum von mehr als 200.000 Jahren darstellen. Der Schwerpunkt liegt in dieser Arbeit auf dem letzten Glazial und dem Holozän (ca. 100.000 Jahre vor heute [nachfolgend als 100 kyr BP bezeichnet] bis heute). Grundlegende Voraussetzung für solche Studien ist ein gutes Verständnis der Ökosysteme in und um den See, sowie des gegenwärtigen Sedimentationsgeschehens. Deswegen beinhalten beide Seestudien Untersuchungen der heutigen Organismen, Böden, Gesteine, Wasserchemie und Sedimentablagerungen. Im Tswaing-See im nordöstlichen Südafrika wurden anhand eines 90 m langen Sedimentprofils Studien zur Sedimentzusammensetzung und Untersuchungen der Zusammensetzung und Qualität des organischen Materials durchgeführt. Sie zeigen einen Wechsel zwischen Phasen hohen detritischen Eintrags, während derer v.a. kaum autochthones organisches Material im See erhalten blieb, mit Phasen geringen Eintrags und dafür karbonatischer oder evaporitischer Sedimentation, die hohe Gehalte v.a. autochthonen organischen Materials aufweisen. Diese Phasen werden als relativ feuchte bzw. trockene Perioden interpretiert und folgen bis vor ca. 75 kyr BP Schwankungen der lokalen solaren Einstrahlung. Dieser Einfluss nimmt nach 75 kyr BP ab und azyklische feuchte Phasen werden beobachtet. Mögliche Ursachen sind Veränderungen in der ozeanischen Zirkulation und Verschiebungen in der Lage der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ); beides sind auch heute Haupteinflussfaktoren auf die Niederschläge in der Region. Die heute lebenden Organismen des Tswaing-Kraters wurden mittels Analysen der Biomarkerzusammensetzung und der Kohlenstoffisotopie charakterisiert und ihr Einfluss auf die heutigen Seeablagerungen untersucht. Dabei konnten zusätzlich Indikatoren für die Aktivität methanotropher Bakterien nachgewiesen werden. Der Vergleich heutiger Sedimente mit denen des Zeitraumes 14 bis 2 kyr BP zeigt deutliche Veränderungen sowohl in der Zusammensetzung, als auch in der Kohlenstoffisotopie der Biomarker, die mit Veränderungen in der Hydrologie erklärt werden können. Die gefundenen Hinweise auf feuchtere Bedingungen im Zeitraum älter als 10 kyr BP, für trockenere Verhältnissen zwischen 10 und 7.5 kyr BP und für die nachfolgende Wiederzunahme an Feuchtigkeit werden durch die sedimentologischen Ergebnisse unterstützt. Objekt der zweiten Seestudie ist der Challa-See am Fuß des Kilimanjaro. Hier werden heute im mm-Maßstab laminierte Sedimente gebildet, die mit Mikro-XRF-scanning auf Veränderungen in der Elementzusammensetzung untersucht wurden. Zusammen mit Untersuchungen der Mikrofazies und im Vergleich mit ersten Ergebnissen noch laufender Sedimentfallenstudien, mit meteorologischen Daten und Analysen des Umgebungsgesteins werden die saisonalen Veränderungen in der Temperaturverteilung, der Durchmischungstiefe, dem detritischen Eintrag und der Bioproduktivität des Sees in den Sedimenten nachvollziehbar. Der See ist in den feucht-warmen Perioden von Oktober bis Dezember und von März bis Mai stratifiziert. Während dieser Zeit erfolgt der Eintrag detritischen Materials und Kalziumkarbonat fällt aus; eine dunkle Lage mit hohen Gehalten an Fe und Ti und mit hohen Ca/Al- und niedrigen Mn/Fe-Verhältnissen bildet sich am Boden des Sees. Diatomeen blühen während der kühlen, windigen Periode von Juni bis September, wenn die Durchmischung bis auf etwa 60 m Tiefe Nährstoffe verfügbar macht. Die Ausfällung von Fe- und Mn-oxiden sorgt für hohe Mn/Fe-Verhältnisse; es bildet sich eine helle Lage auf dem Sediment. Trends im Mn/Fe-Verhältnis werden als Signal für Veränderungen in der Intensität oder Dauer der saisonalen Durchmischung interpretiert. Dies wird unterstützt durch parallele Trends im Gehalt an organischem Material und an biogenem Silizium, wie durch Analysen an einem 22 m langen Bohrkern gezeigt werden kann. Nach gut durchmischten und von erhöhtem Eintrag von außen geprägten Verhältnissen während des letzten Glazials erfolgt gegen 16 kyr BP ein Übergang zu stärker stratifizierten Bedingungen. Diese korrespondieren mit einem steigenden Seespiegel und verbreiteten Hinweisen auf feuchte Bedingungen im tropischen Ostafrika. Stärkere Durchmischung herrschte während der Jüngeren Dryas und von 11.4 bis 10.7 kyr BP. Diese Perioden entsprechen Zeiten verringerter Südwest- und vermutlich verstärkter Nordostmonsunintensität im Bereich des Indisch-Asiatischen Monsuns und spiegeln eine global beobachtete südliche Verschiebung der ITCZ wider. Nach einer kurzen stabilen, feuchten Phase im frühen Holozän nimmt die Durchmischung des Sees im Verlauf des Holozän wieder zu. Abrupte Ereignisse während des Holozän scheinen im Challa-See zeitgleich mit Veränderungen der Monsunintensität der Nordhemisphäre aufzutreten und bezeugen die starke klimatische Kopplung der niederen Breiten in globalem Maßstab.show moreshow less

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Metadaten
Author:Iris Kristen
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-32547
Advisor:Gerald H. Haug
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2009/06/17
Release Date:2009/07/02
Tag:Afrika; Alkenone; Analyse komponentenspezifischer Kohlenstoffisotope; Biomarker; Monsun; Paläoklima; Seedurchmischung; Seesedimente; XRF
Africa; XRF; alkenones; biomarker; compound-specific stable carbon isotope analyses; lake mixing; lake sediments; monsoon; palaeoclimate
RVK - Regensburg Classification:TF 04999
RVK - Regensburg Classification:TQ 01040
RVK - Regensburg Classification:TQ 1040
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht
Notes extern:
Parts of the thesis have been published in or have been submitted to:
South African Journal of Geology 110, 311-326,
Journal of Paleolimnology,
Limnology and Oceanography,
Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology