Palaeodunes as archives of environmental change - A case study from the western Murray Basin (South Australia) based on optically stimulated luminescence (OSL) dating of single and multiple grains of quartz

Lomax, Johanna (2009). Palaeodunes as archives of environmental change - A case study from the western Murray Basin (South Australia) based on optically stimulated luminescence (OSL) dating of single and multiple grains of quartz. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

This study is concerned with the reconstruction of the palaeoenvironmental history of southeastern Australia for the last ~300 ka by establishing a luminescence chronology of dune sand deposition. For this purpose, a study area in the western Murray Basin in southeastern South Australia was chosen which today is characterised by semi-arid climate conditions. Vast fields of palaeodunes, stabilised by vegetation, provide evidence of past environmental change. By dating these dunes, past climatic changes can be deciphered, providing valuable information for predicting future climate change. In total, 97 samples were collected from dune sand layers and the time of their deposition was determined using multiple grain and single grain optically stimulated luminescence dating of the quartz fraction. A significant spread in equivalent doses (De) was noticed on a multiple grain scale. In order to analyse the De-distributions in more detail and to gain information on the sources of variations in equivalent doses, single grain measurements were carried out on all samples. Based on analysis of single grain De-distributions, field observations and laboratory bleaching tests, it was demonstrated that mainly microdosimetric effects and post-sedimentary mixing by bioturbation were responsible for the spread of the De-values. Although some of the dune sands exhibited intensive pre-depositional iron crusts, they were well bleached at the time of deposition. To account for the mixing of sediment layers of different age by bioturbation, De-values were calculated using the finite mixture model (Galbraith and Green 1990). The investigation of the De-distributions of samples not affected by bioturbation demonstrated that microdosimetric effects accounted for ~20% of the observed spread in De-values. This value was used to define the allowed spread of the individual components identified by the finite mixture model. Samples with De-values >200 Gy were shown to yield unreliable equivalent dose estimates due to approaching signal saturation. Phases of substantial dune sand deposition were identified for the periods 11-12 ka, 13.5-14.5 ka, 18-38 ka, 62-73 ka, 79-112 ka, 145-185 ka and 205-215 ka, thus up to Oxygen Isotope Stage 7. The oldest depositional phase demonstrates that dune sand layers of great antiquity are preserved in the western Murray Basin. Holocene events of dune sand deposition, represented by at least two luminescence ages, were recognised at 3-4 ka, 5-6 ka and 7-8 ka. Furthermore, two zero ages and an age of 1939 ± 11 AD were obtained. Comparison of the western Murray Basin dune record with a dune record of arid central Australia (Fitzsimmons et al. 2007) showed excellent agreement between the two chronologies. This implies that similar climatic conditions prevailed over major parts of Australia during the Late Quaternary The aeolian depositional phases of the western Murray Basin broadly correlate with arid conditions recorded in other southeastern Australian sedimentary archives. Phases of very limited dune sand deposition were shown to be associated with more humid conditions. However, the relatively large errors on the luminescence ages (~10%) prevent to resolve climatic fluctuations >70 ka and the identification of older non-depositional phases in detail. The oldest, but unreliable age obtained in the present study indicates that the onset of dune formation might reach back to ~450 ka. Although this estimate may not be accurate, it agrees with previous estimates of the onset of dune formation in this area. Based on a reliable minimum De-value derived from the 2*Do-value of this sample, it is demonstrated that dune formation was initiated at least 370 ka ago. This study demonstrates that dunes in semi-arid areas are excellent sedimentary archives for the reconstruction of palaeoclimatic conditions. Single grain dating is very well suitable for establishing a sound chronology of aeolian depositional phases, and ages up to ~270 ka can be obtained with this method, provided that dose rates are low. Although the dune record might be of discontinuous nature, multiple phases of dune formation and dune stability are recorded in the dunes of the western Murray Basin. Not only peaks but also gaps in this dune record can be used for the reconstruction of aridity and humidity, respectively, provided that the chronology is based on a high number of samples. However, a detailed resolution of past climatic fluctuations in the study area was only provided for the last ~70 ka and the interpretation of the dune record has to be supported by comparison with other well dated proxy data of past climatic change.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Paläodünen als Umweltarchive - Einzelkorn- und Mehrkorn-Lumineszenzdatierungen (OSL) an Dünensanden des westlichen Murray Beckens (Südaustralien)	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Im Fokus dieser Arbeit steht die Rekonstruktion der Klimageschichte der letzten ~300 ka des südöstlichen Australiens mittels Lumineszenzdatierung von Dünensanden. Das Untersuchungsgebiet im westlichen Murray Becken (südöstliches Südaustralien) ist momentan durch ein semi-arides Klima geprägt. Eine charakteristische Landschaftsform des Untersuchungsgebietes sind Paläodünenfelder, die durch Vegetation vor der Umlagerung geschützt sind. Sie zeugen von anderen Klimabedingungen in der Vergangenheit, die zur Dünenbildung führten. Durch die Datierung der Dünensande kann daher das Paläoklima rekonstruiert werden, wertvolle Information, die für die Abschätzung zukünftiger Klimaänderungen benötigt werden. Insgesamt wurden 97 Dünensandproben genommen und mittels optisch stimulierter Lumineszenz datiert. Hierbei kamen sowohl die Einzelkorndatierung (single grain dating) als auch die Mehrkorndatierung (multiple grain dating) von Quarzkörnern zur Anwendung. Diese Methode erlaubt es, die letzte Ablagerung von Sedimenten zu bestimmen. Eine signifikante Streuung der Äquivalenzdosis (De) wurde festgestellt, daher wurden vorrangig single grain aliquots datiert. Diese erlauben es, die De-Verteilungen in höchst möglicher Auflösung zu untersuchen und Informationen über die Ursachen der Streuung der De-Werte zu erhalten. Auf der Grundlage der Analyse der De-Verteilungen, Feldbeobachtungen und Bleichtests konnte gezeigt werden, dass hauptsächlich eine mikrodosimetrische Heterogenität des Sediments und post-sedimentäre Umlagerung durch Bioturbation für die hohe Streuung der Äquivalenzdosen verantwortlich sind. Eine schlechte Bleichung konnte, trotz intensiver Eisenverkrustung der Quarzkörner, ausgeschlossen werden. Der Problematik der Bioturbation, also der Mischung von Sedimentschichten unterschiedlichen Alters, wurde damit begegnet, dass einzelne De-Populationen in der Verteilung mittels eines finite mixture models separiert wurden. Die detaillierte Untersuchung der De-Verteilung zeigte, dass insgesamt 20 % der beobachteten Streuung auf mikrodosimetrische Effekte zurückgeführt werden können. Dieser Wert wurde im finite mixture model verwendet, um die maximal erlaubte Streuung der einzelnen Populationen zu definieren. Es wurden mehrere Phasen verstärkter äolischer Ablagerung festgestellt. Diese liegen um 11-12 ka, 13.5-14.5 ka, 18-38 ka, 62-73 ka, 79-112 ka, 145-185 ka und 205-215 ka, reichen also bis in das Marine Isotopenstadium 7 zurück. Die ältesten dieser Phasen belegen das hohe Alter der Dünen im westlichen Murray Becken und somit eine gute Erhaltung der Sandlagen. Weitere holozäne Events der Dünenmobilisierung wurden auf 3-4 ka, 5-6 ka und 7-8 ka datiert. Des Weiteren wurden drei rezente Alter ermittelt. Der Vergleich der Dünenchronologie des westlichen Murray Beckens mit der des ariden Zentralaustraliens (Fitzsimmons et al. 2007) zeigte eine sehr gute Korrelation der Dünenbildungsphasen in den beiden Untersuchungsgebieten. Dies impliziert, dass das jungquartäre Klima in weiten Teilen Australiens sehr ähnlich war. Die Dünenbildungsphasen korrelieren mit ariden Bedingungen, wie der Vergleich mit anderen Paläoumweltarchiven SO-Australiens gezeigt hat. Phasen, in denen keine äolische Ablagerung stattfand, sind hingegen mit vergangenen humiden Klimaperioden gleichzusetzen. Die relativ hohen Fehler der Lumineszenzalter (~10%) verhindern allerdings eine genauere Auflösung der Klimageschichte >70 ka. Die älteste Probe des Untersuchungsgebietes wurde auf ca. 450 ka datiert. Dieses Alter wurde als unzuverlässig eingestuft, es stimmt aber mit vorherigen Abschätzungen zum Einsetzen der Dünengenese im Murray Becken überein. Diese Studie zeigt, dass Dünen in semi-ariden Gebieten exzellente terrestrische Klimaarchive sind. Die single grain OSL-Datierung erlaubte die Bestimmung zuverlässiger Alter äolischer Sedimentation bis 270 ka im Untersuchungsgebiet. Die Dünenbildung im westlichen Murray Becken im Jüngeren Quartär war geprägt durch abwechselnde Phasen äolischer Aktivität und Dünenstabilität, und die zeitliche Einordnung dieser Phasen erlaubt die Rekonstruktion jungquartärer Ariditäts- und Humiditätsperioden. Dies ist nur unter der Voraussetzung eines hohen Datensatzes an zuverlässigen Lumineszenzaltern möglich. Eine ausreichende zeitliche Auflösung klimatischer Fluktuationen konnte allerdings nur für die letzten 70 ka erzielt werden. Zudem muss die Interpretation dieses Archivs durch Ergebnisse aus anderen Paläoumweltarchiven gestützt werden.

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