Universität zu Köln

The tsunami history of southwest Thailand - Recurrence, magnitude and impact of palaeotsunamis inferred from onshore deposits

Brill, Dominik (2012) The tsunami history of southwest Thailand - Recurrence, magnitude and impact of palaeotsunamis inferred from onshore deposits. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The Indian Ocean tsunami (IOT) of December 2004 has uncovered a till then widely unacquainted tsunami risk for the west coast of southern Thailand. To limit loss of life and damage due to potential future events, data about the frequency and magnitude of tsunamis in Thailand over a longer time period is needed. Since modern and historical tsunami recording in the Bay of Bengal is limited to the last 300 years, details about the long-term hazard have to be drawn from geological evidence of prehistoric tsunami flooding by (i) identifying new palaeotsunamis, (ii) dating and (iii) correlating spatially distinct evidence, and (iv) establishing the magnitude and the intensity of these events. For this, sediments from near-shore geoarchives in the coastal areas of Phang-nga province and Phuket (Thailand) have been sampled and analysed sedimentologically (granulometry, geochemistry, mineralogy, fauna, sedimentation modelling) and chronologically (optically stimulated luminescence and radiocarbon dating). Evidence of multiple prehistoric coastal flooding events in the form of allochthonous sand beds was identified in the coastal plain of Ban Bang Sak. The layers are assigned to high-energy events of marine origin, either tsunamis or tropical storms, by means of the sediment characteristics. The distinction between tsunamites and tempestites is mainly based on comparison of the palaeoevent beds with the local deposit of the IOT 2004, which revealed similarities regarding spatial extent and sediment properties. Furthermore, the radiocarbon age of the youngest palaeoevent correlates with contemporaneous tsunami evidence from India and Sumatra. Hence, the youngest event, dated to 500-700 cal BP, is related to a basin-wide tsunami, while several older events that took place between 2000 and 1180 cal BP preliminary are treated as tsunami candidates. Since the application of radiocarbon for dating tsunamites on Phra Thong Island is limited by the scarcity of datable macro-remains and the contamination by young roots, here, the potential of optical dating (OSL) is evaluated by applying the method to a suite of tsunamigenic and littoral deposits for which independent age control is available. Small aliquots of coarse-grained quartz were used for measurements, and processed statistically by means of appropriate age models. Cross-checking with independent radiocarbon data showed good agreement for littoral deposits and only insignificant residuals of less than 40 years for the poorly bleached deposits of the IOT 2004. These results legitimate the use of OSL to determine ages of palaeotsunamis in the same setting. Therefore, the established luminescence procedure was applied as a tool to correlate the spatially distinct sand sheets of prehistoric tsunamis that are preserved in the swales of Phra Thong’s beach-ridge plain. At least three palaeoevents – being 490–550, 925–1035 and 1740–2000 years old – are distinguished and correlated between the swales of Phra Thong (as an indicator for inundation distances), as well as within the Bay of Bengal (as an indicator for the impact areas). For the interpretation of onshore tsunami deposits in terms of magnitude and impact on coastal systems, the boundary conditions at the time of prehistoric tsunami events have to be taken into account. Pre-existing sea-level curves for the Malay-Thai Peninsula postulate a mid-Holocene maximum of 1-5 m above present sea level, whereas the exact timing and magnitude of the Holocene highstand in Thailand remained to be defined. By the use of fixed biological and geomorphological sea-level indicators a Holocene maximum of +2.6 m in the south and +1.5-2.0 m in the north of the study area is assessed for c. 5500 years ago. In addition, Holocene changes of palaeogeography and their influence on local tsunami records are studied. While the patterns of palaeotsunamis recorded on Phra Thong and at Ban Bang Sak can be explained by the onset of back-barrier swamp formation, the existence of only one prehistoric tsunami deposit at Pakarang Cape is in conflict with the persistence of a back-reef lagoon, which provided favourable conditions for preservation over millennia. Although the IOT 2004 had a strong short-term impact on infrastructure, housing, ecosystems and coastal morphology in Thailand, the damaged systems have almost completely recovered after less than 10 years. For prehistoric tsunamis, the long-term impact is assessed based on variations of the sedimentary environments before and after the events. It can be shown that all recorded palaeotsunamis had only insignificant impact on the ecosystems and the geomorphology of Phra Thong Island, Ban Bang Sak and Pakarang Cape. To deduce transport processes and hydrodynamic parameters of tsunami events from the onshore deposits found at Ban Bang Sak, as an estimate of palaeotsunami magnitude, two different ap-proaches are applied. (i) The maximum offshore sediment source is determined using granulometry, geochemistry, mineralogy, and foraminifera of tsunamites and reference samples from various marine and terrestrial environments. (ii) By means of sedimentation modelling, onshore flow velocities and flow depths of the associated tsunami waves are estimated. The approach is evaluated by means of the IOT 2004, for which modelled flow velocities and onshore flow depths, as well as the deduced sediment source are in good agreement with quotations based on survivor videos and post-tsunami field surveys. For the 500-700 year old predecessor with modelled flow velocities and flow depths of 4.1-5.9 m/s and 7.0 m, respectively, a magnitude similar to the IOT 2004 is reconstructed. The deposits of the three tsunami candidates dated to 1180-2000 cal BP partly indicate source areas equal to the IOT 2004, suggesting events of comparable size, and partly indicate a much shallower sediment source, pointing to a storm origin or tsunamis of a lesser magnitude. In conclusion, a recurrence interval of 500-600 years for tsunamis in southwest Thailand is estimated on the basis of sedimentary evidence. Since all tsunamis recorded in Thailand are triggered by mega-ruptures of the Sunda Arc with similar magnitude and geometry as the 2004 earthquake, which have not only local but basin-wide impact, the data from Thailand provide valuable information for the assessment of future tsunami risk in other countries around the northern Indian Ocean, as well.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Der Indian Ocean Tsunami (IOT) von Dezember 2004 offenbarte eine bis dahin weitgehend unbe-kannte Tsunamigefährdung der Westküste Südthailands. Um die Anzahl der Opfer und potentielle Schäden durch zukünftige Tsunamis zu minimieren, ist eine möglichst detaillierte Datengrundlage über die Auftrittshäufigkeit und die Magnitude von Tsunamis in Thailand erforderlich. Da moderne und historische Aufzeichnungen über Tsunamis im Golf von Bengalen auf die letzten 300 Jahre be-schränkt sind, müssen Einzelheiten über das längerfristige Gefahrenpotential aus geologischen Befunden abgeleitet werden indem man (i) neue Ereignisse identifiziert, die räumlich isolierten Befunde (ii) datiert und (iii) korreliert, sowie (iv) die Magnitude und die Auswirkung der Ereignisse rekonstruiert. Zu diesem Zweck wurden küstennahe Geoarchive auf Phuket und in der Phang-nga Provinz (Thailand) sondiert und hinsichtlich sedimentologischer (Körnung, Geochemie, Mineralogie, Fauna, Sedimentationsmodelle) und geochronologischer (optisch stimulierte Lumineszenz und Radiokohlenstoffdatierung) Kriterien analysiert. Anzeiger für prähistorische Überflutungsereignisse in Form allochthoner Sandlagen wurden in der Küstenebene von Ban Bang Sak identifiziert. Diese Ablagerungen werden auf Grundlage ihrer sedi-mentären Eigenschaften hochenergetischen Überflutungsereignissen marinen Ursprungs, Tsunami oder Sturm, zugeordnet. Die Abgrenzung zwischen Tsunamiten und Tempestiten stützt sich im vorliegenden Fall vorwiegend auf den Vergleich zwischen Paläolagen und der lokalen Ausprägung der IOT 2004 Ablagerungen, wobei Ähnlichkeiten hinsichtlich sedimentärer Eigenschaften und räumlicher Erstreckung festgestellt wurden. Darüber hinaus liegen für das jüngste Vorgängerereignis, das auf 500-700 Jahre BP datiert wurde, zeitgleiche Tsunamibefunde aus Indien und Sumatra vor, weshalb es einem ozeanweiten Tsunami zugeordnet wird, während mehrere ältere Ereignisse, die sich zwischen 2000 und 1180 Jahre BP ereigneten, ohne zusätzliche Argumente zunächst nur als Tsunamikandidaten behandelt werden können. Da die Anwendbarkeit der 14C-Methode zur Datierung von Tsunamiablagerungen auf der Insel Phra Thong durch die Verfügbarkeit datierbarer Makroreste und durch rezente Durchwurzelung limitiert ist, wurde in diesem Fall das Potential der optischen Datierung (OSL) an Tsunamiablagerungen und Litoralsanden, für die unabhängige Altersdaten vorliegen, evaluiert. Grobkornquartz wurde in kleinen Teilproben gemessen und statistisch mittels geeigneter Altersmodelle ausgewertet. Die Überprüfung mit unabhängigen 14C-Altern ergab eine gute Übereinstimmung für die Litoralsedimente und unwesentliche Residuen von weniger als 40 Jahren für die unvollständig gebleichten IOT 2004 Proben. Auf dieser Grundlage wurde OSL als Instrument zur Korrelation räumlich isolierter Paläotsunamibefunde auf Phra Thong verwendet. Mindestens drei Paläoereignisse – mit Altern von 490-550, 925-1035 und 1740-2000 Jahren – wurden unterschieden und räumlich korreliert, was die Abschätzung von lokalen Überflutungsdistanzen und beckenweiten Einflussradien der zugehörigen Tsunamis ermöglichte. Für die Interpretation der identifizierten Tsunamiablagerungen hinsichtlich der Magnitude und der Auswirkungen der ablagernden Ereignisse auf die Küste, wurden die Rahmenbedingungen zum Zeitpunkt der prähistorischen Tsunamis berücksichtigt. Bestehende Meeresspiegelkurven postulieren einen holozänen Hochstand von 1-5 m, wobei die exakte Höhe und der exakte Zeitpunkt des Maximums in Thailand unklar bleiben. Auf Grundlage biologischer und geomorphologischer Indikatoren wurde für 5500 Jahre BP ein Meeresspiegelhochstand von +2,6 m im Süden und +1,5-2,0 m im Norden des Untersuchungsgebietes rekonstruiert. Zusätzlich wurden die holozänen Küstenveränderungen und ihr Einfluss auf die Erhaltung von Tsunamibefunden untersucht. Während die Tsunamibefunde, die auf Phra Thong und bei Ban Bang Sak überliefert sind, durch die beginnende Formung von Küstensümpfen erklärt werden können, steht das Vorhandensein von nur einem einzigen Paläotsu-namibefund bei Pakarang im Gegensatz zur Langlebigkeit des zugehörigen Geoarchivs. Obwohl der IOT 2004 in Thailand kurzzeitig enorme Auswirkungen auf Infrastruktur, Gebäude, Öko-systeme und Küstenmorphologie hatte, war die Erholung der betroffenen Systeme nach weniger als 10 Jahren bereits fast vollständig abgeschlossen. Die Langzeitauswirkungen prähistorischer Tsunamis wurden durch den Abgleich der Sedimentationsmilieus direkt vor und nach diesen Ereignissen untersucht. Es zeigt sich, dass alle erhaltenen Paläotsunamis lediglich insignifikanten Einfluss auf die Ökologie und Geomorphologie von Phra Thong, Ban Bang Sak und Pakarang ausübten. Um Transportprozesse und hydrodynamische Parameter aus Tsunamiablagerungen abzuleiten – als Indikatoren für die Magnitude – wurden zwei unterschiedliche Herangehensweisen gewählt. (i) Das seewärtige Limit der Sedimentaufnahme durch den Tsunami wurde auf Grundlage der granulometrischen, geochemischen, mineralogischen und faunistischen Zusammensetzung der Tsunamite im Vergleich zu marinen und terrestrischen Referenzproben bestimmt. (ii) Mittels Sedimentationsmodellierung wurden die Strömungsgeschwindigkeiten und Fließtiefen der zugehörigen Tsunamiwellen geschätzt. Nach Eichung an Sedimenten des IOT 2004, konnte im Falle eines 500-700 Jahre alten Vorgängerereignisses mit modellierten Fließgeschwindigkeiten und -tiefen von 4,1-5,9 m/s und 7,0 m auf eine vergleichbare Magnitude wie 2004 geschlossen werden. Für drei auf 1180-2000 Jahre BP datierte Tsunamikandidaten ergaben sich teilweise ähnliche Sedimentquellen wie für den IOT 2004, was auf ähnliche Magnituden der Ereignisse hindeutet, und teilweise deutlich flachere Herkunftsgebiete, die sich eher durch Stürme oder Tsunamis mit geringerer Magnitude als 2004 erklären lassen. Auf Basis der sedimentären Befunde wurde ein Wiederkehrintervall von 500-600 Jahren für Tsunamis in Südwestthailand ermittelt. Da alle in Thailand zu findenden Tsunamiablagerungen auf Tsunamis zurückgehen, die durch Erdbeben mit vergleichbarer Magnitude und Geometrie wie 2004 erzeugt wurden und deshalb ozeanweite Auswirkungen hatten, liefern die Daten aus Thailand auch wichtige Informationen bezüglich des langfristigen Tsunamirisikos in anderen Anrainerstaaten des Indischen Ozeans.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Brill, Dominikbrilld@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-49069
    Subjects: Earth sciences
    Geography and travel
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    tsunami, tsunami deposit, sedimentology, Thailand, Holocene, luminescenceEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Geographisches Institut
    Language: English
    Date: 2012
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 05 November 2012
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 28 Nov 2012 15:27:09
    Referee
    NameAcademic Title
    Brückner, HelmutProf. Dr.
    Bubenzer, OlafProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4906

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