Universität zu Köln

Francke, Alexander (2014). Understanding modern and past sedimentary processes in selected lakes from the High Arctic and the Mediterranean realm. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Lacustrine sediment sequences can provide valuable archives of past environmental and climatological variability in terrestrial realms. In order to unravel the history of a lake and of a lake’s catchment, a profound understanding of the sedimentary processes is required. This encompasses the supply of allochthonous organic matter, nutrients and clastic material to the lake, the subsequent redistribution within the lake as well as autochthonous organic matter and mineral deposition. These lake internal and external processes are closely linked to the environmental and climatological settings in the specific area and can be reconstructed by using geophysical and sedimentary data. Within the scope of this thesis, modern and past sedimentary processes of selected lakes from the High Artic (Lake El’gygytgyn, NE Siberia) and the Mediterranean Realm (lakes Dojran and Ohrid, Balkan Peninsula) were analyzed by using various datasets and analytical methods. The obtained information about variations in the lakes’ internal and external processes were subsequently used for paleoenvironmental and -climatological reconstructions in the respective area. At Lake El’gygytgyn, modern sedimentary processes were investigated by using geochemical, grain-size and mineralogical data from source rocks, inlet streams and surface sediments. The obtained informa- tion about modern sedimentary processes improved the understanding of hydro-acoustic and downhole logging data, as well as of variations in the granumoleric, geochemical and physical properties of core 5011-1 which covers the entire lacustrine succession of the 3.58 Ma year old Lake El’gygytgyn. Surface samples and downcore data were analyzed by using statistic methods such as Principal Component Analysis (PCA), Redundancy Analysis (RDA), Time Series Analysis and Cluster Analysis. At Lake Dojran, hydro-acoustic data and sediment properties (water content, OM, calcite (CaCO3) content, sulfur content, grain-size, XRF scanning, δ18Ocarb, δ13Ccarb, δ13Corg) of a 7m long sequence were used to untangle past sedimentary processes and environmental variations during the Late Glacial and Holocene period. Sediment (lithostratigraphic description, XRF scanning, water content, OM content, calcite content) and hydro-acoustic data were also used to characterize a 2 m thick Mass Wasting Deposit (MWD) in Lake Ohrid. As various analytical and statistical methods were used to investigate modern and past sedimentary processes in the selected lakes, an evaluation of these methods is conducted within the scope of this thesis. It could be shown that information about modern sedimentary processes derived from lacustrine surface samples and from catchment samples can help to better understand past sedimentary processes as it provides insights into spatial variations in the deposition processes. Spatial variations of past sedimentary processes and the overall sediment architecture of lacustrine deposits can be analyzed using hydro-acoustic data. However, the vertical resolution of hydro-acoustic data is limited and the data commonly lacks a robust chronology. Chronostratigraphic well constrained and high resoluted informa- tion about past sedimentary processes can be derived from sedimentary properties of a sediment core. These properties include lithologic information such as sediment structure, grain-size, and inorganic and organic geochemistry. These proxy data can be obtained by visual core descriptions and laboratory analyses. However, certain proxies can commonly only be used to reconstruct a specific part of sedimentary processes, for example grain-size data yields information about the transport energy during the deposition. Thus, a combination of multiple proxies is required to reconstruct the overall picture of sedi- mentary processes. If huge data sets are used for the reconstruction, statistic methods such as PCA, RDA, Time Series Analyses, and Cluster Analyses can help to simplify the data. However, it could be shown that mathematic methods can provide results that might lead to misinterpretations in a geological context. In order to interpret sediment sequences for paleoenvironmental and -climatological variations in a temporal context, an age model is commonly established by using for example radiocarbon ages and chronological tie points derived from tephrostratigraphic or paleomagnetic data. Cross correlation to well dated sediment sequences or wiggle matching to orbital parameters can improve a chronostrati- graphic modell. However, this involves the danger of misinterpretations or loss of information about the timing of geologic or climatic events.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Seesedimente können als wertvolles Archiv der Klima- und Umweltgeschichte in terrestrischen Gebieten dienen. Um die Entwicklung eines Sees und dessen Einzugsgebietes anhand von lakustrinen Ablagerungen zu rekonstruieren bedarf es allerdings eines profunden Verständnisses der vorherschenden Sedimentationsprozesse. Diese Prozesse umfassen nicht nur den allochthonen Eintrag von organischem und klastischem Material und Nährstoffen, sondern auch die autochthone Ablagerung von Organik und Mineralen aus der Wassersäule. Dabei stehen diese internen und externen Prozesse im engen Zusammenhang zu den Umwelt- und Klimabedingungen in der Region und können mit Hilfe von geophysikalischen und sedimentologischen Methoden rekonstruiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Sedimentationsprozesse in ausgewählten Seen aus der Arktis (El’gygytgynsee, NO Sibirien) und dem Mittelmeerraum (Dojran- und Ohridsee, Balkanhalbinsel) mit Hilfe von verschiedenen Datensätzen und Methoden analysiert. Die gewonnenen Daten über Veränderungen der externen und internen Prozesse wurden anschließend zur Umwelt- und Klimarekonstruktion genutzt. Am El’gygytgynsee wurden zunächst die rezenten Sedimentationsprozesse anhand von geochemischen, mineralogischen und granumolerischen Daten von anstehendem Gestein im Einzugsgebiet, sowie von Sedimentproben aus Zuflüssen und Oberflächenproben der lakustrinen Ablagerungen analysiert. Die gewonnenen Daten konnten anschließend für ein besseres Verständnis von hydroakustischen und “downhole logging“ Daten sowie von Veränderungen der geochemischen, physikalischen und granumolerischen Zusammensetzung des Sedimentkerns 5011-1 aus dem 3.58 Millionen Jahre alten El’gygytgynsee genutzt werden. Die Auswertung der Oberflächenproben und Sedimentkerndaten erfolgte dabei mit Hilfe der statistischen Methoden der Hauptkomponentenanalyse (HKA), Redun- danzanalyse (RDA), Zeitreihenanalyse und Clusteranalyse. Am Dojransee konnte die spätglaziale und holozäne Klima- und Umweltgeschichte anhand hydroakustischer Daten und den Sedimenteigen- schaften (Wasser-, Kalzit-, Schwefel- und Organikgehalt, Korngröße, XRF-Daten, δ18Ocarb, δ13Ccarb, δ13Corg ) eines 7 m langen Kernes rekonstruiert werden. Ebenso wurde anhand von sedimentologischen (Lithostratigraphie, XRF- Daten, Wasser-, Kalzit- und Organikgehalt) und hydroakustischen Daten ein 2 m mächtiger Rutschungskörper im Ohridsee untersucht. Im Rahmen der an den ausgewählten Seen durchgeführten Untersuchungen zur Rekonstruktion von rezenten und vergangenen Sedimentationsprozessen wurden verschiedene analytische und statistische Auswertmethoden angewandt, die im Anschluß evaluiert und bewertet wurden. Es konnte gezeigt werden, dass Untersuchungen über rezente Sedimentationsprozesse anhand von lakustrinen Ober- flächenproben sowie von Gesteins- und Sedimentproben aus dem Einzugsgebiet wichtige Informationen über räumliche Unterschiede der Ablagerungsbedingungen liefern können, was zum besseren Verständ- nis bei der Rekonstruktion der Sedimentationsgeschichte beitragen kann. Informationen über räumliche Veränderungen bei den Sedimentationsprozessen in der Vergangenheit, sowie über Sedimentstrukturen in lakustrinen Becken können auch anhand von hydroakustischen Daten gewonnen werden. Allerdings ist die vertikale Auflösung von hydroakustischen Daten begrenzt und eine genaue chronologische Einordnung ist oftmals nicht möglich. Hochauflösende und chronostratigraphisch eingrenzbare Informationen über frühere Sedimentationsprozesse können daher besser von den sedimentologischen Eigenschaften eines Sedimentkerns abgeleitet werden. Diese so genannten Proxy Daten beinhalten lithologische Informationen über Sedimentstruktur, Korngröße oder inorganische und organische Geo- chemie und können anhand von visuellen Beschreibungen oder analytischen Methoden erhoben werden. Da allerdings anhand bestimmter Proxys wie zum Beispiel der Korngrößenverteilung in der Regel nur ein Teil der Sedimentationsprozesse rekonstruiert werden kann, in diesem Falle die Strömungsenergie während der Ablagerung, sollten zur Erstellung eines Gesamtbildes der vorherschenden Prozesse mehrere Datensätze kombiniert werden. Dabei kann, wenn der gewählte Datensatz sehr umfangreich wird, die Anwendung von statistischen Methoden wie zum Beispiel der HKA, RDA, Zeitreihenanalyse oder auch der Clusteranalyse, hilfreich sein. Allerdings konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Ergebnisse solcher statistischer Methoden im geologischen Kontext schnell falsch interpretiert werden können. Zur Umwelt- und Klimarekonstruktion anhand von Sedimentabfolgen im zeitlichen Kontext ist es nötig ein Altersmodell zu erstellen. Solche Altersmodelle werden in der Regel anhand von Radiokarbon- datierungen sowie von chronostratigraphischen Informationen aus der Tephrostratigraphie und Paläo- magnetik erstellt. So genanntes "wiggle matching" zu Erdbahnparametern oder auch "cross correlation" zu anderen, gut datierten Sedimentabfolgen kann die Qualität von Altersmodellen verbessern, birgt aber auch die Gefahr von Fehlinterpretationen sowie dem Verlust von Informationen über das genaue Timing von geologischen oder klimatischen Ereignissen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Francke, Alexander alexander.francke@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-55830
Date:	19 May 2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute of Geology and Mineralog
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Geology, Sedimentology, Paleolimnology, Arctic, Mediterranean, lacustrine sediments, Paleoclimatology English Geologie, Sedimentologie, Paleolimnologie, Arktis, Mittelmeerraum, lakustrine Sedimente, Paleoklimatologie German
Date of oral exam:	14 April 2014
Referee:	Name Academic Title Wagner, Bernd Dr. habil. Melles, Martin Prof. Dr. Sadori, Laura Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5583