Jürgen Mey

• Sedimentary valley fills are a widespread characteristic of mountain belts around the world. They transiently store material over time spans ranging from thousands to millions of years and therefore play an important role in modulating the sediment flux from the orogen to the foreland and to oceanic depocenters. In most cases, their formation can be attributed to specific fluvial conditions, which are closely related to climatic and tectonic processes. Hence, valley-fill deposits constitute valuable archives that offer fundamental insight into landscape evolution, and their study may help to assess the impact of future climate change on sediment dynamics. In this thesis I analyzed intermontane valley-fill deposits to constrain different aspects of the climatic and tectonic history of mountain belts over multiple timescales. First, I developed a method to estimate the thickness distribution of valley fills using artificial neural networks (ANNs). Based on the assumption of geometrical similarity between exposed and buried parts ofSedimentary valley fills are a widespread characteristic of mountain belts around the world. They transiently store material over time spans ranging from thousands to millions of years and therefore play an important role in modulating the sediment flux from the orogen to the foreland and to oceanic depocenters. In most cases, their formation can be attributed to specific fluvial conditions, which are closely related to climatic and tectonic processes. Hence, valley-fill deposits constitute valuable archives that offer fundamental insight into landscape evolution, and their study may help to assess the impact of future climate change on sediment dynamics. In this thesis I analyzed intermontane valley-fill deposits to constrain different aspects of the climatic and tectonic history of mountain belts over multiple timescales. First, I developed a method to estimate the thickness distribution of valley fills using artificial neural networks (ANNs). Based on the assumption of geometrical similarity between exposed and buried parts of the landscape, this novel and highly automated technique allows reconstructing fill thickness and bedrock topography on the scale of catchments to entire mountain belts. Second, I used the new method for estimating the spatial distribution of post-glacial sediments that are stored in the entire European Alps. A comparison with data from exploratory drillings and from geophysical surveys revealed that the model reproduces the measurements with a root mean squared error (RMSE) of 70m and a coefficient of determination (R2) of 0.81. I used the derived sediment thickness estimates in combination with a model of the Last Glacial Maximum (LGM) icecap to infer the lithospheric response to deglaciation, erosion and deposition, and deduce their relative contribution to the present-day rock-uplift rate. For a range of different lithospheric and upper mantle-material properties, the results suggest that the long-wavelength uplift signal can be explained by glacial isostatic adjustment with a small erosional contribution and a substantial but localized tectonic component exceeding 50% in parts of the Eastern Alps and in the Swiss Rhône Valley. Furthermore, this study reveals the particular importance of deconvolving the potential components of rock uplift when interpreting recent movements along active orogens and how this can be used to constrain physical properties of the Earth’s interior. In a third study, I used the ANN approach to estimate the sediment thickness of alluviated reaches of the Yarlung Tsangpo River, upstream of the rapidly uplifting Namche Barwa massif. This allowed my colleagues and me to reconstruct the ancient river profile of the Yarlung Tsangpo, and to show that in the past, the river had already been deeply incised into the eastern margin of the Tibetan Plateau. Dating of basal sediments from drill cores that reached the paleo-river bed to 2–2.5 Ma are consistent with mineral cooling ages from the Namche Barwa massif, which indicate initiation of rapid uplift at ~4 Ma. Hence, formation of the Tsangpo gorge and aggradation of the voluminous valley fill was most probably a consequence of rapid uplift of the Namche Barwa massif and thus tectonic activity. The fourth and last study focuses on the interaction of fluvial and glacial processes at the southeastern edge of the Karakoram. Paleo-ice-extent indicators and remnants of a more than 400-m-thick fluvio-lacustrine valley fill point to blockage of the Shyok River, a main tributary of the upper Indus, by the Siachen Glacier, which is the largest glacier in the Karakoram Range. Field observations and 10Be exposure dating attest to a period of recurring lake formation and outburst flooding during the penultimate glaciation prior to ~110 ka. The interaction of Rivers and Glaciers all along the Karakorum is considered a key factor in landscape evolution and presumably promoted headward erosion of the Indus-Shyok drainage system into the western margin of the Tibetan Plateau. The results of this thesis highlight the strong influence of glaciation and tectonics on valley-fill formation and how this has affected the evolution of different mountain belts. In the Alps valley-fill deposition influenced the magnitude and pattern of rock uplift since ice retreat approximately 17,000 years ago. Conversely, the analyzed valley fills in the Himalaya are much older and reflect environmental conditions that prevailed at ~110 ka and ~2.5 Ma, respectively. Thus, the newly developed method has proven useful for inferring the role of sedimentary valley-fill deposits in landscape evolution on timescales ranging from 1,000 to 10,000,000 years.…
• Sedimentäre Talverfüllungen sind ein häufiges Merkmal von Gebirgen auf der ganzen Welt. Sie speichern Abtragungsprodukte über Zeiträume von Tausenden bis Millionen von Jahren und beeinflussen den Sedimenttransport vom Gebirge in das Vorland und in die ozeanischen Becken. Die Bildung solcher Sedimentspeicher geht oft auf Zustände im fluvialen System zurück, welche mit bestimmten klimatischen und tektonischen Prozessen in Verbindung gebracht werden können. Talverfüllungen stellen daher wertvolle Archive dar, die über fundamentale Zusammenhänge in der Landschaftsgenese Aufschluss geben und deren Untersuchung dazu beiträgt, die Auswirkungen des Klimawandels auf die Sedimentdynamik im Gebirge zu prognostizieren. In dieser Arbeit untersuchte ich intermontane Talverfüllungen, um die klimatische und tektonische Geschichte von Gebirgszügen über mehrere Zeitskalen hinweg zu ermitteln. Zuerst entwickelte ich eine Methode zur Abschätzung von Sedimentmächtigkeiten mit Hilfe von künstlichen neuralen Netzen, die auf der Annahme basiert, dass sichSedimentäre Talverfüllungen sind ein häufiges Merkmal von Gebirgen auf der ganzen Welt. Sie speichern Abtragungsprodukte über Zeiträume von Tausenden bis Millionen von Jahren und beeinflussen den Sedimenttransport vom Gebirge in das Vorland und in die ozeanischen Becken. Die Bildung solcher Sedimentspeicher geht oft auf Zustände im fluvialen System zurück, welche mit bestimmten klimatischen und tektonischen Prozessen in Verbindung gebracht werden können. Talverfüllungen stellen daher wertvolle Archive dar, die über fundamentale Zusammenhänge in der Landschaftsgenese Aufschluss geben und deren Untersuchung dazu beiträgt, die Auswirkungen des Klimawandels auf die Sedimentdynamik im Gebirge zu prognostizieren. In dieser Arbeit untersuchte ich intermontane Talverfüllungen, um die klimatische und tektonische Geschichte von Gebirgszügen über mehrere Zeitskalen hinweg zu ermitteln. Zuerst entwickelte ich eine Methode zur Abschätzung von Sedimentmächtigkeiten mit Hilfe von künstlichen neuralen Netzen, die auf der Annahme basiert, dass sich die zugeschütteten und die freiliegenden Bereiche der Landschaft geometrisch ähneln. Diese neuartige und hochautomatisierte Methode macht es möglich, Sedimentmächtigkeiten und Untergrundtopographien für einzelne Einzugsgebiete bis hin zu ganzen Gebirgen abzuschätzen. Als zweites benutzte ich die neue Methode, um die Mächtigkeitsverteilung der postglazialen Sedimentspeicher in den Europäischen Alpen zu rekonstruieren. Ein Vergleich mit Daten aus Bohrlochmessungen und geophysikalischen Explorationen zeigte, dass das Modell die gemessenen Mächtigkeiten mit einem quadratischen Mittelwert des Fehlers (RMSE) von 70m und einem Bestimmtheitsmaß (R2) von 0.81 reproduziert. Ich verwendete diese Sedimentverteilung in Kombination mit einem Modell der alpinen Eiskappe des letzten glazialen Maximums (LGM), um die Reaktion der Lithosphäre auf Abschmelzen, Erosion und Ablagerung zu berechnen und deren Beiträge zur derzeitigen Gesteinshebung abzuleiten. Unter Berücksichtigung einer Reihe verschiedener Eigenschaften der Lithosphäre und des oberen Erdmantels zeigten die Resultate, dass das langwellige Hebungsmuster im Wesentlichen durch Glazialisostasie erklärt werden kann und dass die Entlastung durch Erosion eine untergeordnete Rolle spielt. Darüber hinaus postulierte ich eine tektonische Komponente von über 50% in Teilen der Ostalpen und im Schweizer Rhône Tal. Die Studie verdeutlicht, dass die Entflechtung der Prozesse, die zur Gesteinshebung beitragen, eine entscheidende Rolle spielt bei der Interpretation rezenter Bewegungen entlang aktiver Orogene und bei der Abschätzung von physikalischen Eigenschaften des Erdinneren. Im dritten Teil berechnete ich die Mächtigkeitsverteilung der sedimentären Talverfüllung des Yarlung Tsangpo Tales oberhalb des Namche Barwa Massivs am östlichen Rand des Tibet Plateaus. Dies ermöglichte meinen Kollegen und mir das ehemalige Flusslängsprofil zu rekonstruieren und zu zeigen, dass sich der Yarlung Tsangpo in der Vergangenheit bereits tief in den östlichen Rand des Tibet Plateaus einschnitt. Die Basis der Sedimente wurde erbohrt und beprobt und deren Ablagerung auf 2–2.5 Ma datiert was konsistent mit Abkühlungsaltern von Mineralen des Namche Barwa Massivs ist, die auf den Beginn einer beschleunigten Hebung vor ~4 Ma hindeuten. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass die Bildung der Tsangpo Schlucht und die Aggradation der Talsedimente höchstwahrscheinlich in Folge der schnellen Hebung des Namche Barwa Massivs geschah, welche letztendlich auf tektonische Aktivität zurück geht. Der vierte und letzte Teil behandelt die Interaktion fluvialer und glazialer Prozesse am südöstlichen Rand des Karakorums. Indikatoren für die frühere Eisausdehnung und die Überreste einer bis zu 400m mächtigen fluvio-lakustrinen Talverfüllung weisen auf eine Blockade des Shyok, eines Hauptzuflusses es Oberen Indus, durch den Siachen Gletscher, den größten Gletscher des Karakorums, hin. Weitere Geländebefunde und Oberflächendatierungen mittels kosmogenem 10Be bezeugen, dass es während des vorletzten Glaziales zu einem mehrfachen Aufstauen des Shyok und damit assoziierten Seeausbrüchen gekommen ist. Das Zusammenwirken von Flüssen und Gletschern entlang des Karakorums war maßgeblich für die Landschaftsentwicklung und führte möglicherweise zum Einschneiden von Tälern in den westlichen Rand des Tibet Plateaus. Die vorliegende Arbeit unterstreicht die Bedeutung von Vergletscherung und Tektonik bei der Bildung von intermontanen Sedimentspeichern und deren Einwirken auf die Entwicklung zweier Gebirge. In den Alpen beeinflusst die Ablagerung von Talfüllungen die Raten und das Muster der Gesteinshebung seit Rückzug des Eises vor ca. 17,000 Jahren. Demgegenüber sind die in dieser Arbeit betrachteten Talfüllungen des Himalayas weit älter und geben Aufschluss über die Umweltbedingungen vor jeweils 110 ka und 2.5 Ma. Es zeigt sich, dass die neue Methode zur Abschätzung von Mächtigkeiten und Volumina intermontaner Talverfüllungen dazu beiträgt, die Landschaftsentwicklung über Zeiträume von 1,000 bis 10,000,000 Jahren zu rekonstruieren.…