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Title
Speleothems as archive of rapid climate change during the last glacial period in the Austrian Alps : petrographic and geochemical evidence / vorgelegt von Susanne Brandstätter
AuthorBrandstätter, Susanne
Thesis advisorSpötl, Christoph
Published2015
Description185 Bl. : 1 CD-ROM ; zahlr. Ill., graph. Darst., Kt.
Institutional NoteInnsbruck, Univ., Diss., 2015
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
Date of SubmissionJuly 2015
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Speläotheme / Dansgaard-Oeschger Events / Österreichische Alpen / Stabile Isotopen / Fluoreszierende Lamina / Spurenelemente
Keywords (GND)Österreichische Alpen / Eiszeit / Speläothem / Klimaänderung / Gesteinskunde / Geochemie
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Abstract (German)

Speläotheme aus den Österreichischen Alpen sind ein hervorragendes Archiv für rasche Klimaänderungen während Glazialzeiten, bekannt als Dansgaard-Oeschger Ereignisse, welche erstmals in Eiskernen aus Grönland beschrieben wurden. Diese Dissertation untersucht die genaue Dauer dieser raschen Änderungen, welche von klima-sensitiven Stalagmiten in Höhlen, am Nordrand der Österreichischen Alpen aufgezeichnet wurden und legt ein besonderes Augenmerk auf die Änderungen von (kalten) Stadialen zu (warmen) Interstadialen und wieder zurück. Die dafür ausgewählten Höhlen sind das Hölloch und die Baschg Höhle im Westen Österreichs (Vorarlberg) und die Gassel Tropfsteinhöhle in Oberösterreich. Diese Höhlen liegen in Höhenlagen von 1438 m (Hölloch), 785 m (Baschg Höhle) und 1225 m (Gassel Tropfsteinhöhle). Die Sauerstoffisotopenprofile von insgesamt 15 Speläothemen aus diesen Höhlen zeigen eine weitgehende Übereinstimmung mit jenen Mustern, welche in grönländischen Eiskernen für die Zeit zwischen 108.000 und 35.000 Jahren vor heute gefunden wurden. Dünnschliffe zeigen in allen Proben ein kolumnares Kalzitsgefüge sowie einzelne Lagen mit hohem Detritusgehalt in Proben aus dem Hölloch und der Baschg Höhle. Fluoreszierende Lamina sind in Proben aus dem Hölloch und der Baschg Höhle häufig zu beobachten, in Proben der Gassel Tropfsteinhöhle jedoch nicht. An der Royal Holloway University London wurden Analysen mittels Laser Ablation (LA-ICP-MS) durchgeführt, um chemische Lamina zu identifizieren und die fluoreszierenden Lamina zu überprüfen. Dabei wurde der Schwerpunkt auf die Elemente Mg, Al, P, Sr und Ba gelegt. Spurenelemente wurden auch im Bereich der rapiden Klimaänderungen, welche anhand der Änderungen in den Sauerstoffisotopenprofilen identifiziert wurden, gemessen. Dabei konnte ein Zusammenhang zwischen steigenden Al Werten und der einsetzenden Erwärmung in einigen Proben festgestellt werden. Ein solcher Zusammenhang konnte in den anderen Elementen nur untergeordnet beobachtet werden. Das lässt darauf schließen, dass ihre Konzentration in alpinen Speläothemen nicht direkt von Änderungen der atmosphärischen Temperatur beeinflusst ist. Steigende Werte von Mg und Sr am Beginn von Abkühlungen deuten auf zunehmend trockene Klimabedingungen. Mg zeigt ein, in Abhängigkeit von der Höhle, unterschiedliches Verhalten am Beginn der rapiden Klimaänderungen. Während Mg in Proben des Höllochs bei der Erwärmung ansteigt, treten höhere Mg Werte in Proben der Baschg und Gassel Höhle im Zuge von Abkühlungen auf. Es wurde überdies versucht die Wasserstoffisotopie von Flüssigkeitseinschlüssen verschiedener Kalzitlagen zu bestimmen, um die Amplitude der Temperaturänderungen während der Dansgaard-Oeschger Ereignisse zu bestimmen. Da alle Proben aber viel zu wenig Wasser enthielten, konnten keine Isotopenmessungen durchgeführt werden. Um die Dauer von 28 Klimaänderungen (von Interstadialen zu Stadialen und umgekehrt) bestmöglich zu bestimmen wurden unterschiedliche Techniken angewandt und die Ergebnisse verglichen; diese sind U/Th Altersmodelle, Zählen von fluoreszierenden Lamina und Spurenelementdaten. Dabei waren die Lamina-Zählergebnisse die einzigen, welche nicht vom Altersmodell abhingen. Um den Vergleich zwischen den einzelnen Methoden zu erleichtern, wurden alle Messungen möglichst nahe an der zentralen (Wachstums-) Achse der Stalgmiten durchgeführt.

Die ermittelte Dauer der raschen Klimaänderungen zeigt für einige Probe gute Übereinstimmungen zwischen den unterschiedlichen Methoden und eindeutige Unterschiede bei anderen. Besonders das Zählen der Lamina, unter der Annahme, dass diese Jahreslagen darstellen, scheint das Auftreten von mehr als einer Lamina während eines Jahres zu unterschätzen. Die 28 Klimaänderungen dauerten zwischen 8 und 810 Jahren bei Erwärmungen und zwischen 20 und 1.200 Jahren bei Abkühlungen. Diese Ergebnisse bestätigen die von Eiskernstudien bekannte Asymmetrie des Temperaturverlaufs von Dansgaard-Oeschger Zyklen. Basierend auf der Zählung von Lamina dauerten diese Klimaübergänge zwischen 34 und 433 Jahren, während die Spurenelementdaten auf 20 bis 1.200 Jahren hinweisen. Der schnellste Übergäng (in IS 12; 8 Jahre) wurde in Speläothemen aus dem Hölloch festgestellt (basierend auf U/Th Daten). Die beste Übereinstimmung der verschiedenen Methoden war 14 Jahre für den Übergang in das Stadial 17.2, die größte Abweichung (790 Jahre) wurde beim Übergang in das Interstadial 21.1. festgestellt.

Abstract (English)

Speleothems from the Austrian Alps are an excellent archive of rapid climate changes during the glacial period, known as Dansgaard-Oeschger events, first identified in Greenland ice core data. This PhD study focuses on the precise duration of these rapid changes as recorded by sensitive speleothems from caves in the northern part of the Austrian Alps and in particular on the transitions from (cold) stadials to (warm) interstadials and vice versa. The chosen caves are Hölloch cave and Baschg cave in the western part of Austria (Vorarlberg) and Gassel cave in the middle of Austria (Upper Austria) which are located at 1438, 785 and 1225 m asl, respectively. Oxygen isotope profiles from a total of 15 speleothems from these caves showed a striking similarity to detailed patterns seen in Greenland ice core data for the time interval between 108 and 35 ka. Thin sections revealed columnar calcite fabrics in all samples and locally high detrital input in samples from Hölloch cave and Baschg cave. Fluorescent lamina are common in Hölloch and Baschg cave samples, too, whereas samples from Gassel cave lack such lamina. Laser ablation analyses (LA-ICP-MS) were performed at Royal Holloway University London in order to identify chemical lamina and to examine the fluorescent lamina, thereby focusing on Mg, Al, P, Sr and Ba. Trace elements were also analysed across abrupt climate shifts identified by oxygen isotope data. Increasing values of Al at the onset of interstadials, found in several samples, suggest higher Al (and hence clay mineral) input into the karst aquifer during warmings. Other elements showed a less clear correlation with warmings, indicating that their concentration in alpine speleothems does not primarily reflect atmospheric temperature changes. Increasing Mg and Sr values at the start of coolings in some samples suggest a change toward drier conditions. A different behaviour of Mg at transitions was seen between Hölloch samples, where Mg increases at the beginning of warmings, and Baschg and Gassel cave samples, where higher Mg values are associated with coolings.

An attempt was made to analyse the hydrogen isotopic composition of fluid inclusions in various calcite layers of these speleothems in order to constrain the amplitude of the temperature change across Dansgaard-Oeschger events. Unfortunately, all samples contained far too little inclusion water and no isotopic measurements could be made. In order to constrain the duration of 28 warming and cooling transitions results of different techniques were compared, i.e. U/Th age models, fluorescent lamina counts and trace element data. Lamina counting was the only method independent of the age model. To ease the comparison of lamina counting, trace element data and stable isotope data, all measurements were done close to the central (growth) axis of the stalagmites. The comparison of the estimated duration of Dansgaard-Oeschger transitions as obtained by the different methods revealed a good agreement for some samples and discrepancies for others. Especially lamina counting, assuming an annual origin of the lamination, appears to underestimate the presence of subannual lamina in some samples. The results show that the 28 transitions lasted between 8 and 810 years for warmings and 20 to 1,200 years for coolings. This confirms the asymmetric warming-cooling path of Dansgaard-Oeschger cycles known from Greenland ice core data. The durations based on lamina counts and trace element data lasted between 34 and 433 years and 20 to 1,200 years, respectively. The fastest transition (into IS 12; 8 years) was observed in Hölloch samples and is based on U-Th data. The closest agreement of the different methods was 14 years for the transition into stadial 17.2, whereas the largest difference (790 years) was found for the transition into interstadial 21.1.