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Dating and Interpretation of Secondary Carbonate Deposits from the Last Interglacial

Holzkämper, Steffen

German Title: Datierung und Interpretation von Kalksintern aus dem letzten Interglazial

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Abstract

The age of secondary carbonate deposits has been determined via U/Th dating. According to the investigation of speleothems from the high Alpine Spannagel Cave (Zillertal Alps, Austria), a first warming occurred 135,000 years (135 kyr) ago. Sinter growth was interrupted from 130 kyr to 126 kyr, suggesting, that a cooler period preceded the start of the classical Eemian. Two additional growth interruptions within the Eemian suggest an unstable progression of the Last Interglacial, which terminated at 116 kyr. Thus, the classical Eemian lasted for about 10 kyr, which is the duration the Holocene has already reached. Another speleothem from Spannagel Cave formed during several warm periods of the past 250 kyr. The timing of the growth phases can only partly be explained by northern summer insolation maxima, which are thought to be the main trigger for climatic shifts by most paleoclimate researchers. A better correspondence is achieved by comparing the growth phases with the flux of Galactic Cosmic Rays reconstructed from deep sea sediments. These are probably affecting the condensation processes in clouds and accordingly, the Earth’s energy budget and latent heat transport processes. Spectral analyses that were applied on the stable isotope profiles taken along the growth axis of a stalagmite from Spannagel Cave suggest, that the solar activity influenced Eemian climate, as the detected periodicities are similar to some well–known solar cycles. The existence of cycles with a periodicity of ~1470 years (DANSGAARD/OESCHGER–cycles) in both a stable isotope profile of a Spannagel flowstone and North–Atlantic sediments probably indicates, that the climate of Central Europe and the North–Atlantic circulation pattern are a coupled system. Stalagmites from Oman provided information about the timing and progression of the Last Interglacial in lower latitudes. Sinter growth commenced ~135 kyr ago and continued until ~116 kyr. During this period, the ITCZ has moved further to the North, so that the South Asian Monsoon could reach large parts of the Arabian Peninsula. The main growth phase lasted from 130 to 124 kyr, which coincides with the period of high summer insolation, suggesting, that solar insolation has a major impact on monsoonal strength. This finding is corroborated by the determined ages of sinter, which formed at a well close to the neolithic excavation site Jebel al–Buhais in the United Arab Emirates. The sinter formed during periods, when solar summer insolation was low, i.e. the summer monsoon was weak. Hence, southern ocean cyclones could reach the Arabian Peninsula, as they were not blocked by the south–western winds, that prevailed during times of strong summer monsoon. The dating of several stalagmites from Djara Cave (Egypt) yielded ages >450 kyr; only two stalagmites were dated at ~400 kyr, when the MIS 11 Interglacial prevailed. This interglacial has already been described by other paleoclimatic archives to be the warmest and longest of the past 500 kyr.

Translation of abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit wurde das Alter von Kalksintern mittels der U/Th Datierungsmethode bestimmt und paläoklimatologisch interpretiert. Die Untersuchung von Höhlensintern der Spannagel Höhle (Zillertaler Alpen, Österreich) ergab, dass die letzte Warmzeit bereits vor ca. 135.000 Jahren (135 ka) begann. Die Unterbrechung des Sinterwachstums vor ca. 130 ka lässt eine kurzzeitige kühlere Phase vermuten, bevor vor 126 ka die eigentliche Warmzeit, das Eem, einsetzte. Nach zwei weiteren kürzeren Wachstumsunterbrechungen und einem Rückgang der Wachstumsrate der Höhlensinter ab ca. 118 ka endete das Sinterwachstum vollständig vor 116 ka. Dieser Zeitpunkt markiert das Ende der letzten Warmzeit. Demzufolge dauerte das klassische Eem ca. 10 ka, also in etwa so lange, wie unsere jetzige Warmzeit, das Holozän, bereits andauert. Ein weiterer Höhlensinter aus der Spannagel–Höhle entstand während verschiedener Warmzeiten der vergangenen 250 ka. Die Wachstumsphasen können nur teilweise mit hoher solaren Einstrahlung bei 60°N erklärt werden, die von vielen Paläo–Klimatologen als der Hauptantrieb für Warmzeiten angesehen wird. Eine bessere Übereinstimmung erzielt der Vergleich der Wachstumsphasen mit der aus Tiefseesedimenten rekonstruierten Magnetfeldstärke von Sonne und Erde, welche möglicherweise einen Einfluss auf die Wolkenbildung haben. Frequenzanalysen weisen darauf hin, dass die Zyklen der Sonnen–Aktivität einen Einfluss auf das Klima des Eem hatten, denn Zyklen mit ähnlicher Frequenz konnten im d18O–Profil eines Stalagmiten nachgewiesen werden. Längere Periodizitäten, die im Isotopenprofil eines Flowstones nachgewiesen wurden, weisen auf einen Zusammenhang zwischen der Strömung des Nord–Atlantik und dem mitteleuropäischen Klima hin. Die sogenannten DANSGAARD/OESCHGER–Zyklen mit der Periodizität von 1470 Jahren hinterließen nicht nur in atlantischen Tiefseesedimenten und im Grönländischen Eis ihre Spuren, sondern auch in den d18O und d13C Profilen alpiner Höhlensinter. Stalagmiten aus dem Oman ergaben Aufschluss über Dauer und Verlauf des letzten Interglazial in niederen Breiten. Das Sinterwachstum setzte bei ~130 ka ein und endete vor ~116 ka. Während dieser Zeit hat sich die ITCZ so weit nach Norden verschoben, dass monsunale Niederschläge weite Teile der Arabischen Halbinsel erreichen konnten. Die Hauptwachstumsphase von 130 bis 124 ka stimmt mit dem Zeit–Interval hoher Insolation im Sommer überein, d.h. die solare Einstrahlung hatte großen Einfluss auf die Intensität des Sommermonsun. Dies beweist auch das Alter von Sintern, die durch Quellaustritte an der bronzezeitlichen Fundstelle Jebel al–Buhais in den Vereinigten Arabischen Emiraten entstanden. Die Quelle war dann aktiv, wenn die solare Einstrahlung besonders schwach, d.h. die Monsunaktivität gering war. So konnten Zyklone, die sich über dem Südindischen Ozean bildeten, ungehindert von der sonst vorherrschenden Südwestwindströmung auf die arabische Halbinsel vordringen und für Niederschläge sorgen. Die Datierung mehrerer Stalagmiten aus der Djara–Höhle nahe der Farafra–Oase in Ägypten ergab Alter >450 ka, zwei der Stalagmiten wurden auf ca. 400 ka datiert. Damals herrschte die ausgeprägte MIS 11 Warmzeit, die schon von anderen Klimaarchiven als die wärmste und ausgeprägteste der vergangenen ca. 500 ka bekannt ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Mangini, Prof. Dr. Augusto
Date of thesis defense: 27 February 2004
Date Deposited: 01 Mar 2004 09:57
Date: 2004
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Eem, Klimatologie, Tropfstein, Sommermonsun
Uncontrolled Keywords: Sonnenzyklen , stabile Isotope , U/Th-DatierungSolar Activity , Stable Isotopes , U-series dating
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