Universität zu Köln

Engel, Max (2012). The chronology of prehistoric high-energy wave events (tropical cyclones, tsunamis) in the southern Caribbean and their impact on coastal geo-ecosystems – a case study from Bonaire (Leeward Antilles). PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

By using sediment archives along the coast of Bonaire (Leeward Antilles; political status: special municipality of the Netherlands), such as bokas (enclosed lagoons), narrow floodplains and mangrove swamps, and by investigating supralittoral blocks and boulders, the goal of this thesis is (i) to identify prehistoric high-energy wave events, (ii) to differentiate between extraordinary storms and tsunamis, and (iii) to date these events. Furthermore, the spatio-temporal impact of high-energy wave events on coastal geo-ecosystems is evaluated. A total of 45 vibracores (max. depth 11 m) and push cores (max. depth 1.62 m) was taken from all around the island (Lagun, Boka Washikemba, Lac Baai, Saliña Tam, Klein Bonaire, Boka Funchi, Wayaka, Boka Bartol, Playa Grandi). Cores from the most promising locations were investigated in terms of sedimentology, geochemistry, mineralogy and faunal remains. The coasts of the Caribbean Sea are prone to tsunami hazard, proven by numerous observed events of the last 500 years. Bonaire was chosen as the site of interest for this study due to the antagonism of a total lack of historical accounts on tsunami occurrence and its massive record of coarse-clast coastal landforms and single blocks and boulders, which are attributed to deposition by extreme wave events (tsunamis, hurricanes). The largest coastal blocks were studied as evidence for the occurrence of more powerful waves than those of strong tropical cyclones (locally known as hurricanes). By comparing calculated minimum storm wave heights required to quarry and move the largest blocks of Spelonk and Boka Olivia on northeastern Bonaire, with maximum wave heights observed during recent high-category hurricanes and the buoy record, little doubt remains that one or more major tsunamis occurred in Mid- to Late Holocene times. This confirmation of the previously established (and in the meantime challenged) tsunami hypothesis provides a very important framework condition for the interpretation of the subsurface overwash deposits in the coastal stratigraphical archives. A tentative chronology of tsunami occurrence was established, based on a comparison of subsurface overwash deposits identified in the sediment cores from the stratigraphical geoarchives with characteristic signature types of modern tsunamis and calibrated 14C data. Uncertainties in sediment interpretation, associated with the fact that most of these signature types may also occur in storm deposits, were reduced according to (i) the results from the numerical boulder study, (ii) the high tsunami potential of the southern Caribbean (abundant potential tsunami trigger mechanisms), (iii) the identification of sediment source areas which are out of reach for storm waves, and (iv) the lack of littoral and marine sand/mud input during recent high-category hurricanes. Several sites reflect long-lasting environmental change subsequent to palaeotsunami impact. At the open embayment of Lagun, this is confirmed by palynological investigations. Pollen spectra prior to the wave impact are dominated by mangrove types (Rhizophora), whereas significantly lower percentage of Rhizophora pollen was detected in the post-tsunami samples. Mangroves seem to have only gradually recovered from the impact, probably on centennial scales. In contrast to Lagun, the bokas and saliñas of Bonaire are cut off from the sea by a quasi-impermeable barrier of beachrock and coral rubble. The candidate tsunami deposit of Boka Bartol is vertically confined by mangrove peat (below) and evaporite-rich mud (above). This pattern is interpreted as the transformation of an open mangrove-fringed embayment (pre-tsunami) into a poly- to hypersaline lagoon (post-tsunami) due to the establishment or closure of the barrier of coral material during the event. The high amount of gypsum and halite crystals and thin layers of inorganic carbonate are the result of limited water input and high evapotranspiration rates during the dry season. The absence of marine faunal remains also indicates very limited exchange with the ocean. The chronology of potential tsunamis based on data from the sediment cores starts with extreme wave event I (EWE I), around 3600 BP, represented by a carbonate sand deposit bracketedby man-grove peat, which was found on Klein Bonaire. A well-preserved candidate tsunami deposit from Boka Bartol with a maximum age of 3300 BP (EWE II) has counterparts on the leeward coast (Klein Bonaire, Saliña Tam, possibly between Saliña Tam and Punt’i Wekua) and the windward coast (Playa Grandi, possibly Boka Washikemba). EWE II can be identified as the best-documented candidate palaeotsunami on Bonaire. EWE XII, with a maximum age of 2000 BP, left massive shell-dominated deposits at Lagun (windward side) and carbonate sands at Saliña Tam, both of which were interpreted as tsunamigenic. Deposits of another younger, unspecified EWE XVI (pre-500 BP) were found between Saliña Tam and Punt’i Wekua, and Boka Washikemba. Based on these results, a preliminary estimation of the recurrence interval of high-energy wave events on Bonaire, which reveal magnitudes significantly exceeding those of recent high-category hurricanes and which are therefore likely to be major tsunamis, is in the order of roughly 1000 years or less. This study corroborates conclusions of predecessor studies that the hazard of tsunami does exist on Bonaire, although historical accounts on tsunami ocurrence are lacking. It is strongly suggested to the authorities of Bonaire, to conduct a local analysis of tsunami risk, similar to the one recently established for the neighbour island of Curaçao. A study of modelling tsunami inundation based on the spectrum of tsunami triggering mechanisms and past inundation inferred from the overwash deposits identified in this research may be useful to determine high-risk areas, which are prone to potential future tsunami damage.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Die Chronologie prähistorischer hochenergetischer Wellenereignisse (tropische Zyklone, Tsunamis) in der südlichen Karibik und deren Auswirkungen auf küstennahe Geoökosysteme - eine Fallstudie von Bonaire (Inseln unter dem Winde) German
Translated abstract:	Abstract Language Feinsedimentarchive entlang der Küste von Bonaire („Inseln unter dem Winde“; politischer Status: Besondere Gemeinde der Niederlanden), wie etwa Bokas (vom Meer abgetrennte Lagunen), schmale Küsteneben oder Mangrovensümpfe, sowie supralitorale Blöcke liefern die Basis dieser Arbeit und dienen der (i) Identifikation prähistorischer Extremwellenereignisse, (ii) der Unterscheidung zwischen Tsunamis und tropischen Zyklonen (Lokalname: Hurricanes) und (iii) der Datierung dieser Ereignisse. Weiterhin unterstützen sie die Analyse des Einflusses dieser Ereignisse auf die küstennahen Geo-Ökosysteme sowohl auf zeitlicher als auch auf räumlicher Ebene. Eine Serie von 45 Rammkernsondierungen mit einer maximalen Tiefe von 11 m und „push cores“ mit einer maximalen Tiefe von 1,62 m von Lokalitäten aller Küstenabschnitte der Insel (Lagun, Boka Washikemba, Lac Baai, Saliña Tam, Klein Bonaire, Boka Funchi, Wayaka, Boka Bartol, Playa Grandi) bildet das Rückgrat dieser Dissertation. Die wichtigsten Bohrkerne wurden mit Hilfe sedimentologischer, geochemischer, mineralogischer und paläontologischer Methoden untersucht. Die karibischen Küsten sind tsunamigefährdet. Dies ist belegt durch zahlreiche Ereignisse der vergangenen 500 Jahre. Die Wahl Bonaires als Untersuchungsgebiet basiert auf dem Widerspuch zwischen gänzlich fehlenden historischen Belege für das lokale Auftreten von Tsunamis und dem enormen Ausmaß grobklastischer Ablagerungen entlang der Küste, die mit Transport durch extreme Wellenereignisse (Tsunamis, Hurricanes) assoziiert werden. Die größten Blöcke wurden untersucht auf Grund ihres Zeigerwertes für das Auftreten höher energetischer Wellen als jene, die während eines starken Hurricanes generiert werden. Der Vergleich an Hand numerischer Modelle kalkulierter minimaler Wellenhöhen, die zur Dislokation der größten Blöcke bei Spelonk und Boka Olivia (Nordost-Bonaire) benötigt werden, mit maximalen beobachteten Wellenhöhen während Hurricanes der oberen Kategorien und den Aufzeichnungen von Bojen der südlichen Karibik, lässt wenig Zweifel, dass ein oder mehrere Tsunamis während des Mittel- bis Spätholozäns aufgetreten sind. Diese Bestätigung der bereits zuvor aufgestellten Tsunamihypothese für Bonaire, die unmittelbar im Anschluss in Frage gestellt wurde, stellt eine wichtige Rahmenbedingung für die Interpretation der küstenstratigraphischen Archive dar. Eine initiale Chronologie von Tsunamiereignissen für Bonaire und seine unmittelbare Umgebung wurde auf Basis des Vergleichs subterraner mariner Überspülsedimente in den küstennahen morphologischen Depressionen der Insel mit sedimentären Charakteristika rezenter, weltweit dokumentierter Tsunamiablagerungen und kalibrierten 14C-Daten erarbeitet. Unsicherheiten in der Interpretation der Sedimente, die mit der Tatsache zusammen hängen, dass viele dieser sedimentären Charakteristika auch in Sturmablagerungen auftreten können, wurden reduziert durch (i) die Resultate der Blockstudie, (ii) das hohe Tsunamipotenzial der südlichen Karibik (zahlreiche mögliche Auslösemechanismen), (iii) die Identifikation von Sedimentliefergebieten, die außerhalb des durch Sturmwellen erfassten Bereichs liegen, sowie (iv) dem überwiegenden Fehlen von Sandablagerungen rezenter Hurricanes der oberen Kategorien. Mehrere untersuchte Lokalitäten erfuhren nachhaltige ökologische und geomorphologische Modifikationen durch den Einfluss von Paläotsunamis. In der offenen Bucht von Lagun spiegeln sich diese Veränderungen beispielsweise im Pollenbefund wieder. Pollenspektren vor Auftreten des Tsunamis sind dominiert von Mangroventypen (Rhizophora), während jene unmittelbar im Hangenden der potenziellen Tsunamilage einen signifikant geringeren Anteil an Mangrove aufweisen, der erst in den subrezenten Proben wieder graduell ansteigt. Im Gegensatz zur offenen Bucht von Lagun sind die Bokas und Saliñas entlang der Küste von Bonaire durch eine wenig durchlässige Barriere aus Korallenschutt und Beachrock vom Meer getrennt. Die mögliche Paläotsunamiablagerung in der Stratigraphie von Boka Bartol im Nordwesten Bonaires wird von einem reinen Mangroventorf unter- und einem evaporitreichen Feinsediment überlagert. Dieses Muster wird als Transformation einer zum Meer hin offenen, mangrovengesäumten Bucht hin zu einer poly- bis hypersalinen Lagune interpretiert, die auf der Entstehung bzw. dem subaerischen Wachstum der Korallenschuttbarriere durch den Paläotsunami beruht. Der hohe Anteil an Gips- und Halitkristallen sowie die anorganisch gefällten Karbonatlaminae sind das Resultat des limitierten Wasserdargebots und der hohen Evapotranspi-rationsraten während der Trockenzeit. Das Fehlen mariner Faunenreste in der evaporitreichen post-Tsunami-Lage stützt diese Interpretation. Die Chronologie potenzieller Tsunamis auf Basis der Daten der Sedimentbohrkerne beginnt mit Extremwellenereignis I (EWE I) um ca. 3600 BP, das durch eine Karbonatsandlage auf Klein Bonaire repräsentiert wird. Eine sehr gut erhaltene, wahrscheinlich tsunamigene Sedimentschicht aus Boka Bartol mit einem Maximalalter von 3300 Jahren (EWE II) lässt sich mit entsprechenden Ablagerungen der leeseitigen Küste (Klein Bonaire, Saliña Tam, möglicherweise zwischen Saliña Tam und Punt’i Wekua) und der windwärtigen Küste (Playa Grandi, möglicherweise Boka Washikemba) korrelieren. EWE II kann als der am besten dokumentierte mögliche Paläotsunami auf Bonaire bezeichnet werden. EWE XII, ca. 2000 Jahre oder jünger, hinterließ massive Mollusken-dominierte Sedimente bei Lagun (windwärtige Küste) und Karbonatsande bei Saliña Tam (leeseitige Küste), die sich jeweils als tsunamigen interpretieren ließen. Sedimente eines weiteren jüngeren, unspezifizierten EWE XVI (prä-500 BP) wurden zwischen Saliña Tam und Punt’i Wekua sowie in Boka Washikemba identifiziert. Auf Grundlage dieser Ergebnisse liegt die Wiederkehrfrequenz hochenergetischer Wellenereignisse, deren Magnitude jene rezenter starker Hurricanes deutlich überschreitet und bei denen es sich wahrscheinlich um Tsunamis handelt, im Bereich von 1000 Jahren oder weniger. Aus dieser Studie lässt sich schlussfolgern, dass eine Gefährdung Bonaires durch Tsunamis existiert, wenngleich historische Belege fehlen. Es wird den zuständigen Behörden aus diesem Grund die Durchführung einer entsprechenden lokalen Risikoanalyse empfohlen, ähnlich des seit kurzem existierenden Beispiels der Schwesterinsel Curaçao. Eine Modellierung von Überflutungsszenarien auf Basis des Spektrums möglicher Auslösemechanismen von Tsunamis sowie Überflutungsdistanzen abgeleitet aus den identifizierten Überspülsedimenten dieser Studie würden hier eine zielführende Komponente bei der Ausweisung von Hochrisikoarealen darstellen, die der Schädigung durch zukünftige Tsunamis ausgesetzt wären. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Engel, Max max.engel@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-47104
Date:	2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Geographisches Institut
Subjects:	Earth sciences Geography and travel
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Boulder transport, Tsunami deposits, Volume calculation, Bulk density, Coral limestone, Coastal hazard, Storm deposits, Sedimentary analysis, Hazard assessment, Washover deposits, Tropical cyclones (hurricanes), Holocene stratigraphy, Facies model, Pollen analysis, Tsunami, Palaeoecology, Mangroves, Natural hazards, Coastal environments, Palaeotsunamis, Caribbean Sea, Coastal evolution, Foraminifera, Ostracoda, Local relative sea-level, Bonaire, Vibracoring English
Date of oral exam:	16 May 2012
Referee:	Name Academic Title Brückner, Helmut Prof. Dr. Schäbitz, Frank Prof. Dr. Morhange, Christophe Prof. Dr.
Funders:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (BR 877/26-1)
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4710