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Micro radiocarbon dating of the particulate organic carbon fraction in Alpine glacier ice: method refinement, critical evaluation and dating applications

Hoffmann, Helene Margarethe

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Abstract

This work focuses on radiocarbon dating of the Particulate Organic Carbon fraction (POC) of Alpine glacier ice. This organic carbon fraction was chosen, because the initially preferred Dissolved Organic Carbon fraction (DOC) was found to be biased by incorporation of in situ produced 14C at high Alpine sites. Concentrations of POC in high Alpine ice are generally very low, ranging on average between 10 and 50 µgC per kg ice. Thus, POC 14C dating of Alpine ice cores, where available masses for dating are not exceeding a few hundred grams of ice, becomes a large challenge. Within this work, a unique sample preparation system (REFILOX), with a process blank reproducibly at a total carbon mass of (1.5 +/- 1.0) µgC or even below detection limit for combustion at 340 °C, has been deployed. This system was complemented by the setup of a gas ion source for direct CO2 AMS (Accelerator Mass Spectrometry) 14C measurements. Together, these novel sample preparation systems allow reliable dating of samples down to 2 µgC with a relative error not exceeding 10% for ages up to 15 000 years BP. For comprehensive age interpretation,POC age biasing effects such as input of old Saharan dust or sediment material have been investigated. The Saharan dust consistently featured an age range of 2200-2800 years BP and the sediment samples showed ages up to more than 20 000 years BP. POC combustion temperature investigations revealed that such biases by incorporated aged material can be avoided best by combustion at a temperature not higher than 340 °C. A first application of the method to ice block samples from Titlis glacier (Swiss Alps, 3020 m a.s.l.) yielded a consistent basal ice age of almost 5000 years BP. Additionally, 16 samples from an ice core drilled at the high Alpine glacier saddle Colle Gnifetti (Swiss Alps, 4500 m a.s.l.) have been POC micro-radiocarbon dated and revealed a so far not fully explained systematic age offset to younger ages than proposed by the annual layer counting based working chronology.

Translation of abstract (German)

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Datierung der partikulären organischen Kohlenstofffraktion (POC) aus alpinem Gletschereis. Diese Fraktion wurde gewählt, da die ursprünglich bevorzugte gelöste organische Kohlenstofffraktion (DOC) durch in situ Produktion von 14C verfälscht ist. Die Konzentration von POC in hochalpinem Eis ist insgesamt sehr niedrig, typischerweise in einem Bereich von 10-50 µgC pro kg Eis. Aus diesem Grund stellt die POC 14C-Datierung Alpiner Eisbohrkerne, bei denen oft nur wenige hundert Gramm Eis zur Verfügung stehen, eine große Herausforderung dar. In dieser Arbeit wurde ein neuartiges System zur Probenaufbereitung (REFILOX) entwickelt, dessen Prozessblank stabil bei einer Kohlenstoffmasse von (1,5 +/- 1,0) µgC , liegt. Für die Verbrennung bei 340°C sogar darunter. Zusätzlich zu diesem System wurde eine sogenannte Gasionenquelle für direkte AMS (Beschleunigermassenspektrometrie) 14C Messungen an CO2 in Betrieb genommen. Durch Kombination dieser beiden Systeme sind nun verlässliche Datierungen von Proben bis hin zu 2 µgC mit einem relativen Fehler unter 10% für den Altersbereich bis zu 15 000 Jahren vor heute möglich. Für eine verlässliche Altersinterpretation wurden zudem mögliche Effekte untersucht, die das POC Alter verfälschen können, wie zum Beispiel der Eintrag von Saharastaub oder Sediment. Das Alter des Saharastaubs liegt sehr konstant in einem Altersbereich von 2200-2800 Jahren vor heute, die Sedimentproben wurden zum Teil sogar auf mehr als 20 000 Jahre datiert. Untersuchungen zur Verbrennungstemperatur zeigten, dass die beste Abtrennung von solchem bereits gealtertem Material bei einer Temperatur nicht höher als 340°C erfolgt. Eine erste Anwendung der Methode zur Datierung basaler Eisblöcke vom Titlisgletscher (Schweizer Alpen, 3020 m a.s.l.) ergab ein belastbares basales Alter von annähernd 5000 Jahren vor heute. In einer weiteren Anwendung wurden 16 Proben eines Eiskerns vom hochalpinen Gletschersattel Colle Gnifetti (Schweizer Alpen, 4500 m a.s.l.) mit der Mikro-14C-Methode datiert. Die Ergebnisse zeigten eine systematische Abweichung zu jüngeren Altern als die der durch Zählung von Jahresschichten bisher bestimmten Alter der Arbeitschronologie. Der Grund für diese Abweichung ist noch nicht abschließend geklärt

Item Type: Dissertation
Supervisor: Levin, Prof. Dr. Ingeborg
Date of thesis defense: 11 May 2016
Date Deposited: 18 May 2016 11:26
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
550 Earth sciences
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