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Radiocarbon in Stalagmites: Indicator of Climate Variability and Key to Atmospheric Radiocarbon Reconstruction

Therre, Steffen

German Title: Radiokohlenstoff in Stalagmiten: Gradmesser der Klimavariabilität und Schlüssel zur Atmosphärischen Radiokohlenstoffrekonstruktion

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Abstract

Due to their ability to record climate change over large periods of time, stalagmites remain a primary focus of paleoclimatology. Utilizing high-precision age determination methods such as U-series dating, it is possible to measure climate-induced variations of the geochemical composition of speleothems over the time of their growth periods. This dissertation focuses on the investigation of radiocarbon (14C) concentration in several stalagmites. To this end, a new setup for the chemical preparation of carbonate samples for 14C measurements was planned and successfully put into operation. The incorporation of 14C into stalagmites is dependent on various climate-related processes in the soil and in the karst host rock above the cave. Using stable isotope ratios and trace element concentrations, this was investigated in two case studies with high-resolution 14C measurements. Reduced 14C concentration was observed in a stalagmite originating from Moomi Cave on Socotra Island which is indicative of aged soil organic matter influencing the stalagmite formation. It was demonstrated that a combination of higher soil humidity and denser vegetation towards the end of the last glacial period caused higher stalagmite 14C concentration. In a second study on a stalagmite from Sofular Cave in Turkey, the 14C signature allowed for the observation of various aspects of soil carbon dynamics from the last glacial period through into the Holocene. Moreover, the record suggests an increase of atmospheric 14C concentration coincident with the geomagnetic minimum approximately 41000 years ago. This may contribute to the ongoing effort to improve radiocarbon calibration datasets, on which the 14C dating method is based. Lastly, a summary of various stalagmite studies conducted at the Institute of Environmental Physics and a review of the relevant processes of stalagmite 14C incorporation is presented.

Translation of abstract (German)

Stalagmiten stehen aufgrund ihrer Eigenschaft, Klimaveränderungen über lange Zeiträume aufzeichnen zu können, im Fokus der Paläoklimaforschung. Hochpräzise Datierungen mit der Uran-Zerfallsreihen-Methode ermöglichen es, mit hoher zeitlicher Auflösung zu bestimmen, wie die geochemische Zusammensetzung von Höhlenmineralen während ihres Wachstums klimabedingt variierte. In dieser Dissertation steht die Untersuchung von Radiokohlenstoff (14C) in Stalagmiten im Vordergrund. Hierzu wurde eine neue Anlage zur chemischen Aufbereitung von Karbonatproben für die 14C-Messung entwickelt und erfolgreich in Betrieb genommen. Der Einbau von 14C in Stalagmiten hängt von klimabedingten Prozessen im Boden sowie im Karstgestein über der Höhle ab. Mithilfe von stabilen Isotopenverhältnissen und Spurenelementkonzentrationen wurde dies in zwei Fallstudien mit hochaufgelösten 14C-Messungen untersucht. In einem Stalagmit aus der Moomi-Höhle auf Sokotra wurde eine stark reduzierte 14C-Konzentration gemessen, die auf den Einfluss von gealterter organischen Bodensubstanz zurückzuführen ist. Es wurde gezeigt, dass höhere Bodenfeuchtigkeit und Vegetationsdichte zum Ende der letzten Eiszeit einen höheren 14C-Gehalt im Stalagmit zur Folge hatten. In einer zweiten Studie an einem Stalagmit aus der Sofular-Höhle in der Türkei konnten anhand der 14C-Signatur verschiedene Aspekte der Kohlenstoffdynamik im Boden von der letzten Eiszeit bis ins Holozän beschrieben werden. Darüber hinaus wurden Hinweise auf eine erhöhte 14C-Konzentration der Atmosphäre während der Abschwächung des Erdmagnetfeldes vor etwa 41 000 Jahren gefunden. Dies kann zur Verbesserung des Kalibrierungsdatensatzes beitragen, auf dem die 14C-Datierung basiert. Zuletzt wird eine Zusammenfassung von mehreren am Institut für Umweltphysik durchgeführten Studien und der relevanten Prozesse für 14C in Stalagmiten präsentiert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Frank, Prof. Dr. Norbert
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 28 July 2020
Date Deposited: 11 Aug 2020 08:07
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
550 Earth sciences
Controlled Keywords: Stalagmiten, Radiokohlenstoff, Paläoklima
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