Universität zu Köln

Scheder, Juliane ORCID: 0000-0001-9974-2802 (2021). The application of microfaunal and sedimentological data for Holocene landscape and sea-level reconstruction on the German North Sea coast. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Detailed reconstructions of palaeo-landscape and sea-level changes on the German North Sea coast are crucial for the understanding of coastal evolution, dynamic forming pro-cesses and local controlling mechanisms of coastal and sea-level changes. This research con¬tributes to reconstructing Holocene coastal changes in the German Bight and provides a high-resolution relative sea-level (RSL) curve for the tidal basin of Norderney by applying a novel approach of a transfer function (TF) based on microfaunal data. Based on this new knowledge, future projections of RSL rise can be supported and, thus, future coastal-protection measures can be better adjusted. This study focuses on sediment archives from two different study areas: (1) the Jade-Weser region and (2) the East Frisian islands, which were both investigated for their sedi-mento¬logical, geochemical and microfaunal characteristics. This leads to the reconstruc-tion of phases of coastal pro- and retrogradation, which can be related to existing RSL curves. However, uncertainties due to peat compaction, indicative meaning of peats and missing reliable quantitative data remain. Therefore, in a new approach, modern associa-tions of fora¬mini¬fers and ostracods were investigated at the southern coast of Spiekeroog. These exhibit a vertical zonation, which is mainly influenced by the elevation relative to the mean sea level and therefore suitable for the development of a TF for RSL change. Such a TF relates the modern elevation to the relative species frequency of foraminifer and os-tracod associations and enables the determination of elevations of fossil samples relative to the palaeo sea level from fossil microfaunal assemblages. For the first time, a combined dataset of foraminifers and ostracods is used for TF development, showing a clear im-provement in terms of vertical error (RMSEP) and correlation (R²boot) compared to using exclusively foraminifers. The final TF provides a vertical error of ±29.7 cm, which is a sig-nificant im¬prove¬ment compared to the error ranges of solely peat-based RSL reconstruc-tions. This improved TF was applied to Holocene samples from the tidal basin of Nor-derney. Due to the intense sediment reworking of the tidal-flat deposits, as revealed by the chrono-logical data (14C dating), the resulting RSL curve reconstructs the RSL evolution until ~2500 cal BP. In this time range, the deceleration of the RSL rise is clearly evident, and the smaller error range compared to that of existing peat-based RSL curves from the southern North Sea region especially highlights the potential of fossil salt-marsh deposits for TF applications. Comparison to the available sea-level related peat data from the same cores suggests a compaction of at least ~0.7–0.9 m, whereas some deposits seem to have under¬gone double compaction effects due to the existence of an intercalated peat. The latter led to uncertainties concerning the third and last phase (~3700–2500 cal BP) of the TF-based RSL curve. Moreover, comparison to a local peat-based RSL curve for the tidal basin of Langeoog reveals poten¬tial changes in palaeo-tidal range that occurred after ~6100 cal BP. Here, the TF data may indicate a stronger rise of mean high water com-pared to mean low water, since the data plot below the base of basal peat data points from Langeoog, which suggests a course too low for the curve. This could also be explained by a combination of the indicated compaction effects and palaeo-tidal changes. Finally, by comparing it with existing peat-based curves from Belgium and the Netherlands, the RSL curve for Norderney confirms regional differ¬en¬ces in glacial isostatic adjustment (GIA). In sum, this study provides valuable insights into the Holocene coastal and RSL evolution in the German Bight, where reconstructions have so far been hampered by less precise RSL index points. TF development based on microfaunal data offers new perspectives for understanding the RSL evolution at a much higher resolution. Consequently, it can be con-sidered a useful tool also for other coastal areas in that it allows a more precise differen-tiation and quantification of all underlying processes, both at a local and regional scale.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Detaillierte Rekonstruktionen von Paläolandschafts- und Meeresspiegelveränderungen der Deutschen Nordseeküste sind von essenzieller Bedeutung für das Verständnis der Küsten-entwicklung, der dynamischen Formungsprozesse und der lokalen Kontrollmechanismen von Meeresspiegelveränderungen. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Rekonstruktion der holozänen Küstenentwicklung in der Deutschen Bucht und stellt eine hochauflösende Meeresspiegelrekonstruktion für das Gezeitenbecken der Insel Norderney vor, welche durch einen neuen Forschungsansatz verwirklicht wird. Dieser beruht auf der Anwendung einer Mikrofauna-Transferfunktion. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen können Zukunftsprognosen im Hinblick auf den relativen Meeresspiegelanstieg Unterstützung erfahren und somit Küstenschutzmaß-nahmen zielgerichteter angepasst werden. In dieser Arbeit werden Sedimentarchive in zwei verschiedenen Untersuchungsgebieten (Jade-Weser-Region und Ostfriesische Inseln) vor dem Hintergrund ihrer sedimentologi-schen, geochemischen und mikrofaunistischen Charakteristika untersucht. Letztlich be-steht das Ziel darin, eine Rekonstruktion von Phasen der Küstenprogradation und -retrogradation zu erreichen. Diese Phasen lassen sich bestehenden relativen Meeresspie-gelkurven (RMS-Kurven) zuordnen. Jedoch können Unsicherheiten aufgrund von Torf-kompaktion und der indikativen Bedeutung von Torf sowie aufgrund des Fehlens verlässli-cher quantitativer Daten nicht vollständig ausgeräumt werden. Als Konsequenz hieraus wurden in einem neuen Forschungsansatz rezente Foraminiferen- und Ostrakodenverge-sellschaftungen an der südlichen Küste der Insel Spiekeroog untersucht. Diese weisen eine Vertikalzonierung auf, die hauptsächlich durch die Höhe relativ zum Meeresspiegel be-stimmt wird. Somit erweist sich der Rezentdatensatz als geeignet für die Erstellung einer Transferfunktion (TF) für RMS-Veränderungen. Eine solche TF stellt einen statistischen Zusammenhang zwischen der heutigen Höhe und der relativen Artenverteilung der Fora-miniferen und Ostrakoden her. Im Umkehrschluss ermöglicht dies die Bestimmung der Höhe einer fossilen Probe relativ zum Paläomeeresspiegel anhand der fossilen Artenver-teilung. Zum ersten Mal wird eine Kombination aus Foraminiferen und Ostrakoden für eine derartige TF verwendet. Diese Tatsache bietet eine deutliche Verbesserung des vertikalen Fehlers (RMSEP) und der Korrelation (R²boot) im Vergleich zum bisher üblichen Ansatz (exklusiv Foraminiferen). Die finale TF ermöglicht die Bestimmung des RMS mit einem vertikalen Fehler von ±29,7 cm. Im Vergleich zu Fehlerbereichen torfbasierter RMS-Rekonstruktionen stellt dies einen deutlichen Fortschritt dar. Die neue TF wurde auf holozäne Sedimentproben aus dem Gezeitenbecken der Insel Norderney angewendet. Aufgrund der durch die Datierungsergebnisse (Radiokohlenstoff-datierung) aufgedeckten starken Umlagerungseffekte im gesamten Wattbereich reicht die resultierende RMS-Kurve nur bis ca. 2500 Jahre vor heute. In dem aufgeführten Zeitraum zeigt sie deutlich die bekannte Verlangsamung des RMS nach dem starken postglazialen Anstieg. Sie weist hierbei einen meist kleineren Fehlerbereich auf als existierende torfba-sierte Kurven des südlichen Nordseeraums. Im besonders kleinen Fehlerbereich der Salz-wiesensedimente zeigt sich zudem das hohe Potential dieses Ablagerungsraums für TF-basierte RMS-Rekonstruktionen. Des Weiteren liefert ein Vergleich mit Torfen aus densel-ben Bohrkernen wertvolle Einblicke in potenzielle Kompaktionsraten, die auf mindestens ~0,7–0,9 m eingeschätzt werden. Allerdings scheinen manche Ablagerungen aufgrund eines eingeschalteten Torfs zusätzlich zum Basistorf einen doppelten Kompaktionseffekt erfahren zu haben. Dieser Umstand führt dazu, dass die dritte und letzte Phase (~3700–2500 Jahre vor heute) der RMS-Kurve mit stärkeren Unsicherheiten behaftet ist. Ein Ver-gleich der Kurve mit einer neuen torfbasierten RMS-Kurve des Gezeitenbeckens der Insel Langeoog lässt Veränderungen des Tidenhubs nach ~6100 Jahren vor heute vermuten. Die TF-basierte Kurve liegt hier unterhalb der Basis des Basistorfs. Hiervon ausgehend deutet sich ein seither stärkerer Anstieg des mittleren Tidehochwassers im Vergleich zum mittleren Tiedeniedrigwasser an, aufgrund dessen die TF den RMS unterschätzen würde. Letztlich bestätigt der niedrigere Verlauf der Kurve im Vergleich zu Kurven aus anderen Regionen der südlichen Nordsee (Belgien, Niederlande) bekannte regionale Unterschiede in glazial-isostatischen Senkungsraten. Abschließend lässt sich festhalten, dass die vorliegende Arbeit wertvolle Einblicke in die holozäne Küsten- und Meeresspiegelentwicklung in der Deutschen Bucht liefert, in der bisherige Rekonstruktionen durch unpräzise RMS-Indikatoren beeinträchtigt sind. Die Ent-wicklung einer mikrofaunabasierten TF liefert neue und detailreiche Erkenntnisse für ein vertieftes Verständnis der RMS-Entwicklung. Hieraus ergibt sich, dass sie auch in ande-ren Küstenbereichen als wertvolles Werkzeug zur Bestimmung lokaler und regionaler Un-terschiede eingesetzt werden sollte. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Scheder, Juliane UNSPECIFIED orcid.org/0000-0001-9974-2802 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-509174
Date:	2021
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 Holocene; sea-level reconstruction; foraminifera; ostracoda; sedimentology; North Sea coast; micropalaeontology; English Holozän; Meeresspiegelrekonstruktion; Foraminiferen, Ostrakoden; Sedimentologie; Nordseeküste; Mikropaläontologie German
Date of oral exam:	26 June 2020
Referee:	Name Academic Title Brückner, Helmut Prof. Dr. Melles, Martin Prof. Dr. Frenzel, Peter Prof. Dr.
Funders:	VolkswagenStiftung, Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur
Projects:	The Wadden Sea as an archive of landscape evolution, climate changed and settlement history: exploration – analysis – predictive modelling (WASA)
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/50917