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Radiocarbon microanalysis on ice impurities for dating of Alpine glaciers

May, Barbara Luise

German Title: Radiokohlenstoff Messungen an organischen Kohlenstoff in Eis zur Datierung Alpiner Gletscher

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Abstract

The main objective of this thesis is the deployment of radiometric dating on Alpine ice archives, where conventional, stratigraphical dating techniques fail. To this end a 14C analysis of particulate and, in a novel attempt, also of dissolved organic carbon contained in the ice matrix is developed. Aimed at minimizing the required ice sample size, the designed ice processing line allows for handling of up to 700 g ice and is shown to involve blank levels small enough to ensure reliable 14C analyses down to a modern carbon fraction of fm = 0.33 at a minimum sample mass of about 20 µg carbon. Deployment of the system at the high altitude drilling area Colle Gnifetti (Monte Rosa, 4 550 m.a.s.l.) and, in contrast, to an ice core at the low altitude Vadret dal Corvatsch ice cap (Upper Engadin, 3 433 m.a.s.l.) reveals a quite significant 14C excess, not explained by any blank contribution and in contrast to the expected age range. The hypothesis that in situ produced 14C might contribute to the 14C content of dissolved organic carbon reveals strong short comings in applying this carbon fraction for radiometric dating of glacier ice, but also the new possibility to infer past accumulation changes. The particulate fraction, mostly unaffected by excess 14C, allows to connect an upper age limit of (7.5 ± 0.2) ka with the base of the Vadret dal Corvatsch, suggesting a minimal glacier extent during that time. For the Colle Gnifetti drill sites a tentative upper age constrain indicates pre-Holocene ice remains in the basal layer, while an enhanced 14C profile in the dissolved organic carbon fraction at core bottom suggests a large in situ produced 14C contribution most likely as a result of low accumulation during much colder periods.

Translation of abstract (German)

Ziel dieser Arbeit ist die Anwendung der Radiokarbon Datierungsmethode auf die Bereiche alpiner Eisarchive, in denen konventionelle, stratigraphische Datierungstechniken versagen. Zu diesem Zweck wird eine Methode entwickelt, um den in der Eismatrix enthaltenen partikulären, und zum ersten Mal auch den gelösten organischen Kohlenstoff für die 14C Analyse zu extrahieren. Mit der auf möglichst kleine Eisprobenmengen ausgerichteten Extraktionsmethode können Eisproben bis zu 700 g aufbereitet werden. Es zeigt sich, dass der methodische Blank klein genug ist, um verlässliche 14C Messungen bis zu einem modernen Kohlenstoffanteil von fm = 0.33 an einer minimalen Probenmenge von etwa 20 µg Kohlenstoff zu ermöglichen. Die Methode wird auf Eisbohrkerne des hochalpinen Colle Gnifetti Gletschers (Monte Rosa, 4 550 m.a.s.l.) und zum Vergleich auf einen Eisbohrkern der tiefer gelegenen Vadret dal Corvatsch Gletscherkappe (Oberengadin, 3 433 m.a.s.l.) angewendet. Dabei findet sich eine signifikante Menge an Exzess 14C, welche nicht durch Blankbeiträge erklärt werden kann und im Gegensatz zum erwarteten Altersbereich steht. Die Hypothese, dass in situ produziertes 14C zum 14C Gehalt des gelösten organischen Kohlenstoffes beiträgt, erweist sich als starke Einschränkung für die Anwendung von 14C in gelöstem organischen Kohlenstoff zur Datierung, bietet aber eine Möglichkeit auf Akkumulationsänderungen in der Vergangenheit zu schließen. Die partikuläre Fraktion des organischen Kohlenstoffs ist nahezu unberührt von diesem 14C Exzess und ermöglicht somit die Bestimmung einer oberen Altersgrenze von (7.5 ± 0.2) ka für das Basaleis des Vadret dal Corvatsch Kerns, welche einen minimalen Gletscherstand in dieser Zeit andeutet. Für den Colle Gnifetti Gletscher konnte eine vorläufige Altersgrenze festgelegt werden, welche Eis aus dem letzten Glazial andeutet. Ein Profil von überhöhten 14C Konzentrationen im gelösten organischen Kohlenstoff des unteren Kernbereichs deutet auf eine große in situ Produktionsrate hin, welche höchstwahrscheinlich auf eine sehr viel geringere Akkumulationsrate in kälteren Zeiten zurückzuführen ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Aeschbach-Hertig, Prof. Dr. Werner
Date of thesis defense: 2. December 2009
Date Deposited: 18. Dec 2009 10:51
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: radiocarbon dating , dissolved organic carbon (DOC) , particulate organic carbon (POC) , Alpine ice
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