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Imprints of climatic and environmental change in a regional aquifer system in an arid part of India using noble gases and other environmental tracers

Wieser, Martin

German Title: Nachweis von Klimaänderungen in einer indischen Trockenregion mittels Edelgasen und anderer Spurenstoffe in Grundwasser

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Abstract

The aim of this multi-tracer study is the investigation of palaeoclimate changes in South Asia over the last 50,000 years based on data from a groundwater aquifer in North-West India. 14C, 3H, He isotopes, 222Rn and SF6 were used for dating, while stable water isotopes and excess air allow the reconstruction of palaeohumidity. Temperature records are derived by noble gas thermometry. A mass spectrometer setup was optimised, now allowing to quantify absolute noble gas amounts. Successful cryogenic separation of Ar from Kr reduced the o ffset of air equilibrated water standards (He, Ne, Ar, Kr and Xe) to 2.6, 0.5, 0.6, -0.2 and 0.4 % with a reproducibility of 0.2, 0.6, 0.3, 0.7 and 1.2 %, respectively. 14C dating agreed with a previous study and is confirmed by He-Rn ages. In deep wells of the sedimentary basin and near fault zones, mantle He was determined to contribute up to 10% of the total terrigenic He. In the crystalline aquifer, high concentrations of Rn (4 Bq/cm3) and radiogenic 4He (3x 10^-4 cm3STP/g) were found, and SF6 concentrations showed amounts several orders of magnitude above modern atmospheric equilibrium. Palaeohumidity is consistently reconstructed by excess air and stable water isotope data. Both signals reveal a dry glacial period followed by a humid Holocene, which is interrupted by a dry late Holocene. Monsoonal strength obtained from excess air supports older palaeoclimate studies of the region. Noble gas temperatures show a cold last glacial period compared to a warm Holocene, presuming a warming of (3.5 +- 0.5)°C. This record provides the first quantitative information on palaeotemperature in South Asia.

Translation of abstract (German)

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung paläoklimatischer Schwankungen in Südasien während der letzten 50.000 Jahre. Hierzu wurde eine Multi-Tracer-Studie an einem Grundwasser-Aquifer in Nordwest-Indien durchgeführt. Hierbei werden 14C, 3H, die Helium-Isotopie, 222Rn und SF6 zur Altersbestimmung verwendet, während die stabile Wasserisotopie und der Luftüberschuss Aufschluss über Änderungen der Luftfeuchtigkeit geben. Die Temperatur wird mittels Edelgasthermometrie rekonstruiert. Die Edelgasmessungen erfolgen durch Massenspektrometrie, wobei im Rahmen dieser Arbeit eine Messroutine verbessert wurde, die nun auch eine absolute Quanti fizierung der Gasmengen erlaubt. Erfolgreiche kryogene Gastrennung von Ar und Kr verringert den nachgewiesenen Offset von mit Luft äquilibrierten Wasser-Standards auf 2.6, 0.5, 0.6, -0.2 und 0.4 % mit einer Reproduzierbarkeit von 0.2, 0.6, 0.3, 0.7 und 1.2 %. Die 14C-Datierung bestätigt die Alter aus einer früheren Studie und wird von He-Rn-Altern gestützt. Tiefe Brunnen in der Ebene und nahe der Störzonen weisen mit 10% des terrigenen Heliums eine Mantel-Signatur auf. Wässer mit kristalliner Herkunft zeigen starke radiogene 4He- (3x 10^-4 cm3STP/g) und Rn-Konzentrationen (4 Bq/cm3) sowie SF6-Konzentrationen, die mehrere Größenordnungen über dem aktuellen atmosphärischen Gleichgewicht liegen. Die Feuchte-Historie weist auf ein trockenes Glazial gefolgt von einem niederschlagsreichen Holozän hin, mit einer vorübergehenden Trockenperiode im Spätholozän. Die Ergebnisse bestätigen damit ältere Studien über das Monsunverhalten der Region. Die Edelgastemperaturen sind die ersten quantitativen Paläotemperatur-Ergebnisse für Südasien und zeigen ein kaltes Glazial verglichen mit einem um (3.5 +- 0.5)°C wärmeren Holozän.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Aeschbach-Hertig, Prof. Dr. Werner
Date of thesis defense: 2. February 2011
Date Deposited: 11. Feb 2011 10:00
Date: 2010
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Paläoklima, Hydrologie, Edelgas, Massenspektrometer, Grundwasser
Uncontrolled Keywords: palaeoclimate , hydrology , noble gases , mass spectrometry , groundwater
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