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Late Glacial and Holocene climate and environmental evolution in the southern Baltic lowlands derived from varved lake sediments

Spätglaziale und Holozäne Klima- und Umwelentwicklung im südlichen Ostseeraum abgeleitet aus warvierten Seesedimenten

  • Holocene climate variability is generally characterized by low frequency changes than compared to the last glaciations including the Lateglacial. However, there is vast evidence for decadal to centennial scale oscillations and millennial scale climate trends, which are within and beyond a human lifetime perception, respectively. Within the Baltic realm, a transitional zone between oceanic and continental climate influence, the impact of Holocene and Lateglacial climate and environmental change is currently partly understood. This is mainly attributed to the scarcity of well-dated and high-resolution sediment records and to the lacking continuity of already investigated archives. The aim of this doctoral thesis is to reconstruct Holocene and Late Glacial climate variability on local to (over)regional scales based on varved (annually laminated) sediments from Lake Czechowskie down to annual resolution. This project was carried out within the Virtual Institute for Integrated Climate and Landscape Evolution Analyses (ICLEA) and fundedHolocene climate variability is generally characterized by low frequency changes than compared to the last glaciations including the Lateglacial. However, there is vast evidence for decadal to centennial scale oscillations and millennial scale climate trends, which are within and beyond a human lifetime perception, respectively. Within the Baltic realm, a transitional zone between oceanic and continental climate influence, the impact of Holocene and Lateglacial climate and environmental change is currently partly understood. This is mainly attributed to the scarcity of well-dated and high-resolution sediment records and to the lacking continuity of already investigated archives. The aim of this doctoral thesis is to reconstruct Holocene and Late Glacial climate variability on local to (over)regional scales based on varved (annually laminated) sediments from Lake Czechowskie down to annual resolution. This project was carried out within the Virtual Institute for Integrated Climate and Landscape Evolution Analyses (ICLEA) and funded by the Helmholtz Association and the Helmholtz Climate Initiative REKLIM (Regional Climate Change). ICLEA intended to gain a better understanding of climate variability and landscape evolution processes in the Northern Central European lowlands since the last deglaciation. REKLIM Topic 8 “Abrupt climate change derived from proxy data” aims at identifying spatiotemporal patterns of climate variability between e.g. higher and lower latitudes. The main aim of this thesis was (i) to establish a robust chronology based on a multiple dating approach for Lake Czechowskie covering the Late Glacial and Holocene and for the Trzechowskie palaeolake for the Lateglacial, respectively, (ii) to reconstruct past climatic and environmental conditions on centennial to multi-millennial time scales and (iii) to distinguish between local to regional different sediments responses to climate change. Addressing the first aim, the Lake Czechowskie chronology has been established by a multiple dating approach comprising information from varve counting, tephrochronology, AMS 14C dating of terrestrial plant remains, biostratigraphy and 137Cs activity concentration measurements. Those independent age constraints covering the Lateglacial and the entire Holocene and have been further implemented in a Bayesian age model by using OxCal v.4.2. Thus, even within non-varved sediment intervals, robust chronological information has been used for absolute age determination. The identification of five cryptotephras, of which three are used as unambiguous isochrones, is furthermore a significant improvement of the Czechowskie chronology and currently unique for the Holocene within Poland. The first findings of coexisting early Holocene Hässeldalen and Askja-S cryptotephras within a varved sequence even allowed differential dating between both volcanic ashes and stimulated the discussion of revising the absolute ages of the Askja-S tephra. The Trzechowskie palaeolake chronology has been established by a multiple dating approach comprising varve counting, tephrochronology, AMS 14C dating of terrestrial plant remains and biostratigraphy, covers the Lateglacial period (Allerød and Younger Dryas) and has been implemented in OxCal v.4.2. Those age constraints allowed regional correlation to other high-resolution climate archives and identifying leads and lags of proxy responses at the onset of the Younger Dryas. The second aim has been accomplished by detailed micro-facies and geochemical analyses of the Czechowskie sediments for the entire Holocene. Thus, especially micro-facies changes had been linked to enhanced productivity at Lake Czechowskie. Most prominent changes have been recorded at 7.3, 6.5, 4.3 and 2.8 varve kyrs BP and are linked to a stepwise increasing influence of Atlantic air masses. Especially, the mid-Holocene change, which had been widely reported from palaeohydrological records in low latitudes, has been identified and linked to large scale reorganization of atmospheric circulation patterns. Thus, especially long-term changes of climatic and environmental boundary conditions are widely recorded by the Czechowskie sediments. The pronounced response to (multi)millennial scale changes is further corroborated by the lack of clear sediment responses to early Holocene centennial scale climate oscillations (e.g. the Preboreal Oscillation). However, decadal scale changes at Lake Czechowskie during the most recent period (last 140 years) have been investigated in a lake comparison study. To fulfill the third aim of the doctoral thesis, three lakes in close vicinity to each other have been investigated in order to better distinguish how local, site-specific parameters, may superimpose regional climate driven changes. All lakes haven been unambiguously linked by the Askja AD1875 cryptotephra and independent varve chronologies. As a result, climate warming has only been recorded by sedimentation changes at the smallest and best sheltered lake (Głęboczek), whereas the largest lake (Czechowskie) and the shallowest lake (Jelonek) showed attenuated and less clear sediment responses, respectively. The different responses have been linked to morphological lake characteristics (lake size and depth, catchment area). This study highlights the potential of high-resolution lake comparison for robust proxy based climate reconstructions. In summary, the doctoral thesis presents a high-resolution sediment record with an underlying age model, which is prerequisite for unprecedented age control down to annual resolution. Sediment proxy based climate reconstructions demonstrate the importance of the Czechowskie sediments for better understanding climate variability in the southern Baltic realm. Case studies showed the clear response on millennial time scale, while decadal scale fluctuations are either less well expressed or superimposed by local, site-specific parameters. The identification of volcanic ash layers is not only used for unambiguous isochrones, those are key tie lines for local to supra regional archive synchronization and establish the Lake Czechowskie as a key climate archive.show moreshow less
  • Die holozäne Klimavariabilität ist im Vergleich zur letzten Eiszeit und dem Spätglazial durch schwächere Veränderungen gekennzeichnet. Dennoch zeigt eine Vielzahl von Klimaarchiven deutlich Klimaoszillationen auf kürzeren Zeitskalen sowie langfristige Klimatrends, die z. T. nicht innerhalb einer menschlichen Generation wahrnehmbar sind. Im Ostseeraum, einer Übergangsregion zwischen denm maritimen und kontinentalen Klimaeinfluss, sind holozäne und spätglaziale Umwelt- und Klimaveränderungen nur teilweise untersucht und verstanden. Das ist hauptsächlich auf die geringe Anzahl erstklassiger und hochaufgelöster Klimaarchive sowie der nur teilweise untersuchten Archive zurückzuführen. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die hochaufgelöste Rekonstruktion holozäner und spätglazialer Klimavariabilität auf lokaler wie überregionaler Ebene basierend auf warvierten (jährlich abgelagerten) Sedimenten des Czechowskie Sees. Das Projekt ist Bestandteil des Virtuellen Instituts zur Integrierten Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse (ICLEA),Die holozäne Klimavariabilität ist im Vergleich zur letzten Eiszeit und dem Spätglazial durch schwächere Veränderungen gekennzeichnet. Dennoch zeigt eine Vielzahl von Klimaarchiven deutlich Klimaoszillationen auf kürzeren Zeitskalen sowie langfristige Klimatrends, die z. T. nicht innerhalb einer menschlichen Generation wahrnehmbar sind. Im Ostseeraum, einer Übergangsregion zwischen denm maritimen und kontinentalen Klimaeinfluss, sind holozäne und spätglaziale Umwelt- und Klimaveränderungen nur teilweise untersucht und verstanden. Das ist hauptsächlich auf die geringe Anzahl erstklassiger und hochaufgelöster Klimaarchive sowie der nur teilweise untersuchten Archive zurückzuführen. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die hochaufgelöste Rekonstruktion holozäner und spätglazialer Klimavariabilität auf lokaler wie überregionaler Ebene basierend auf warvierten (jährlich abgelagerten) Sedimenten des Czechowskie Sees. Das Projekt ist Bestandteil des Virtuellen Instituts zur Integrierten Klima- und Landschaftsentwicklungsanalyse (ICLEA), welches von der Helmholtz-Gemeinschaft finanziert wurde und der Helmholtz-Klimainitiative REKLIM (Regionaler Klimawandel). Thema von ICLEA ist das bessere Verständnis der Klimadynamik und der Landschaftsgenese im nördlichen mitteleuropäischen Tiefland seit dem Ende der letzten Eiszeit. Das REKLIM Thema 8 “Schnelle Klimaänderungen aus Proxy-Daten” untersucht räumlich-zeitliche Muster von Klimaveränderungen zwischen z. B. hohen und niederen Breiten. Die Ziele der Doktarbeit umfassen (i) die Erstellung eines Altersmodells mittels unterschiedlicher Datierungsmethoden die für den Czechowskie-See das Spätglazial und das Holozän bzw. für den Trzechowskie-Paläosee das Spätglazial umfassen, (ii) die Klima- und Umweltrekonstruktion auf unterschiedlichen Zeitskalen und (iii) zwischen lokal und regional beeinflussten Sedimentwechseln zu unterscheiden. Um das erste Ziel zu realisieren, wurde die Czechowskie Chronologie mittels unterschiedlicher Datierungsmethoden erstellt. Diese enthält Information der Warven- und Tephrachronologie, Biostratigraphie und von radiometrischen Messungen (AMS 14C und 137Cs Konzentration). Diese unabhängigen Altersinformationen decken das Spätglazial und das komplette Holozän ab und wurden durch softwarebasierte Bayesische Statistik mittels OxCal v.4.2 in ein Altersmodell umgewandelt. Das ermögliche eine präzise Altersinformation für das gesamte Sedimentprofil, selbst in den nicht-warvierten Abschnitten. Die Identifizierung von fünf Kryptotephren, von denen drei als eindeutige Zeitmarker dienen, ist eine weitere deutliche Verbesserung der Czechowskie Chronologie und momentan einzigartig für das Holozän in Polen. Das erstmalige Auffinden zweier frühholozäner Tephren innerhalb eines warvierten Sedimentabschnittes erlaubte die genaue Zeitspanne zwischen beiden Eruptionen zu ermitteln und regte eine Diskussion zur Revision der absoluten Alter beider Tephren an. Die Trzechowskie Paläosee Chronologie beruht auch auf unterschiedlichen Datierungsmethoden und umfasst Warven- und Tephrachronologie, Biostratigraphie AMS 14C-Messungen. Diese wurden durch OxCal v.4.2 in ein Altersmodell umgewandelt und umfassen das Spätglazial (Allerød bis Jüngere Dryas). Das zweite Ziel der Doktorarbeit wurde durch detaillierte mikrofazielle und geochemische Analysen erreicht. Insbesondere konnten Veränderungen in der Warvenstruktur auf erhöhte Produktivität des Sees zurückgeführt werden. Die markantesten Wechsel wurden vor 7.3; 6.5; 4.3 und 2.8 kyrs BP festgestellt und konnten auf eine schrittweise Etablierung atlantischer Luftmassen zurückgeführt werden. Der Wechsel im mittleren Holozän, welcher vor allem von paläohydrologischen Archiven in den niederen Breiten bekannt ist, wurde in den Czechowskie Sedimenten identifiziert und mit einer großskaligen Reorganisation atmosphärischer Zirkulationsmuster verbunden. Insbesondere werden langfristige Veränderungen der Klima- und Umweltrandbedingungen in den Czechowskie-Sedimenten abgespeichert. Die ausgeprägte Reaktion von Sedimentveränderungen auf vor allem langfristige Wechsel wird durch das Fehlen kurzfristiger Klimaoszillationen des Frühholozäns (z.B. Preboreale Oszillation) in den Sedimenten gestärkt. Demgegenüber wurden kurzfristige Sedimentveränderungen in der jüngsten Vergangenheit (letzte 140 Jahre) am Czechowskie See in einer Seenvergleichsstudie untersucht. Das dritte Ziel der Doktorarbeit umfasste eine Vergleichsstudie zwischen drei benachbarten Seen, um zwischen regionalen Klimaveränderungen und einer möglichen Überprägung durch lokale Parameter unterscheiden zu können. Die Realisierung erfolgte durch unabhängige Warvenchronologien und der Identifizierung der Askja AD1875 Kryptotephra in allen drei Seen. Das Hauptergebnis zeigt, dass die Klimaerwärmung der letzten 140 Jahre durch Sedimentveränderungen nur im kleinsten See (Głęboczek) abgespeichert wurde, wohingegen der größte (Czechowskie) und der kleinste (Jelonek) See nur abgeschwächte bzw. fehlende Sedimentwechsel aufzeigen. Die unterschiedliche Reaktion der drei Seen konnte auf morphologische Parameter (Seegröße und –tiefe, Einzugsgebietsgröße) zurückgeführt werden und hebt das Potential von hochauflösenden Seenvergleichen für eine proxybasierte Klimarekonstruktion hervor. Zusammenfassend lässt sich festhalten, das die Doktorarbeit ein hochaufgelöstes Sedimentarchiv präsentiert. Das allen Klima- und Umweltrekonstruktionen zugrunde liegende Altersmodell ist die Voraussetzung für eine beispiellose Alterskontrolle bishin zu jährlicher Auflösung. Die sedimentproxybasierte Klimarekonstruktion demonstriert den enormen Stellenwert der Czechowskie-Sedimente, die dem besseren Verständnis der Klimavariabilität im südlichen Ostseeraum dienen. Fallstudien zeigen die deutliche Reaktion von Sedimentänderungen auf langfristige Klimaänderungen, wohingegen dekadische Klimaoszillationen nicht durch Sedimentänderungen gekennzeichnet sind oder durch lokale Faktoren überprägt werden. Die Identifizierung von vulkanischen Aschelagen werden nicht nur für die eindeutige Bestimmung von chronologischen Markerhorizonten verwendet, sondern werden weiterhin für die Korrelation mit weit entfernten Klimaarchiven genutzt und unterstreichen die überregionale Bedeutung des Czechowskie-Sees als wertvolles Geoarchiv.show moreshow less

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Metadaten
Author:Florian OttORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414805
Advisor:Achim Brauer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/07/03
Release Date:2018/09/04
Tag:Holozän; Klimarekonstruktion; warvierte Seesedimente
Holocene; climate reconstruction; varved lake sediments
Pagenumber:xix, 241
RVK - Regensburg Classification:TN 9401, UT 8900
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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