What do dust sinks tell us about their sources and past environmental dynamics? A case study for oxygen isotope stages 3-2 in the Middle Rhine Valley, Germany

Titelangaben

Vinnepand, Mathias ; Fischer, Peter ; Hambach, Ulrich ; Jöris, Olaf ; Craig, Carol-Ann ; Zeeden, Christian ; Thornton, Barry ; Tütken, Thomas ; Prud'homme, Charlotte ; Schulte, Philipp ; Moine, Olivier ; Fitzsimmons, Kathryn E. ; Laag, Christian ; Lehmkuhl, Frank ; Schirmer, Wolfgang ; Vött, Andreas:
What do dust sinks tell us about their sources and past environmental dynamics? A case study for oxygen isotope stages 3-2 in the Middle Rhine Valley, Germany.
In: Quaternary Science Journal. Bd. 72 (2023) Heft 2 . - S. 163-184.
ISSN 2199-9090
DOI: https://doi.org/10.5194/egqsj-72-163-2023

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Abstract

The study of geological archives of dust is of great relevance as they are directly linked to past atmospheric circulation and bear the potential to reconstruct dust provenance and flux relative to climate changes. Among the dust sinks, loess–palaeosol sequences (LPSs) represent the only continental and non-aquatic archives that are predominantly built up by dust deposits close to source areas, providing detailed information on Quaternary climatic and terrestrial environmental changes. Upper Pleistocene LPSs of western central Europe have been investigated in great detail showing their linkage to millennial-scale northern hemispheric climate oscillations, but comprehensive data on dust composition and potential source–sink relationships as well as inferred past atmospheric circulation patterns for this region are still fragmentary.

Here, we present an integrative approach that systematically combines sedimentological, rock magnetic, and bulk geochemical data, as well as information on Sr and Nd isotope composition, enabling a synthetic interpretation of LPS formation. We focus on the Schwalbenberg RP1 profile in the Middle Rhine Valley in Germany and integrate our data into a robust age model that has recently been established based on high-resolution radiocarbon dating of earthworm calcite granules. We show that Schwalbenberg RP1 is subdivided into a lower section corresponding to late oxygen isotope stage 3 (OIS; ∼ 40–30 ka) and an upper section dating into the Last Glacial Maximum (LGM; ∼ 24–22 ka), separated by a major stratigraphic unconformity. Sedimentological proxies of wind dynamics (U ratio) and pedogenesis (finest clay) of the lower section attest to comparable and largely synchronous patterns of northern hemispheric climatic changes supporting the overall synchronicity of climatic changes in and around the North Atlantic region. The anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) reveals a clear correlation between finer grain size and increasing AMS foliation within interstadials, possibly owing to continuous accumulation of dust during pedogenic phases. Such a clear negative correlation has so far not been described for any LPS on stadial–interstadial scales.

Distinct shifts in several proxy data supported by changes in isotope composition (
and εNd) within the lower section are interpreted as changes in provenance and decreasing weathering simultaneously with an overall cooling and aridification towards the end of OIS 3 (after ∼ 35 ka) and enhanced wind activity with significant input of coarse-grained material recycled from local sources related to increased landscape instability (after ∼ 31.5 ka). We find that environmental conditions within the upper section, most likely dominated by local to regional environmental signals, significantly differ from those in the lower section. In addition, AMS-based reconstructions of near-surface wind trends may indicate the influence of north-easterly winds beside the overall dominance of westerlies. The integrative approach contributes to a more comprehensive understanding of LPS formation including changes in dust composition and associated circulation patterns during Quaternary climate changes.

Abstract in weiterer Sprache

Die Untersuchung geologischer Staubarchive ist von großer Bedeutung, da diese unmittelbar mit der atmosphärischen Zirkulation verknüpft sind und somit das Potenzial besitzen, sowohl Änderungen in der Staub-Herkunft als auch im Staubfluss in Verbindung mit Klimaänderungen zu rekonstruieren. Löss-Paläosol-Sequenzen (LPS) stellen in diesem Zusammenhang die einzigen kontinentalen nicht-aquatischen Archive dar, die sich aus Staubablagerungen bilden, die in relativer Nähe ihrer Liefergebiete liegen. Sie liefern zudem detaillierte Informationen über klimatische und terrestrische Umweltveränderungen im Quartär, die sich in Proxy-Daten der Staubzusammensetzung und der syn- und postsedimentären Veränderung widerspiegeln. Zwar belegen detaillierte Untersuchungen von LPS im westlichen Mitteleuropa direkte Verknüpfungen mit den jungpleistozänen Klimaschwankungen der nördlichen Hemisphäre, jedoch sind umfassende Daten zur Staubzusammensetzung und zur Kopplung von Staubquellen und -senken sowie zu den abgeleiteten atmosphärischen Zirkulationsmustern in der Region immer noch lückenhaft.

Unter Anwendung eines integrativen Ansatzes, der systematisch sedimentologische, gesteinsmagnetische und geochemische Daten kombiniert und durch Daten zur Isotopenzusammensetzung ergänzt wird, ist eine synthetische Interpretation der Bildung von LPS, hier am Beispiel des Profils RP1 am Schwalbenberg im Mittelrheintal, möglich. Wir verbinden unsere Daten mit einem detaillierten und robusten Altersmodell, das kürzlich auf der Grundlage hochauflösender Radiokohlenstoffdatierungen an Regenwurmkalziten (sog. Earthworm Calcite Granules, ECG) publiziert wurde. Auf Basis dieses Altersmodells kann gezeigt werden, dass das Profil RP1 in zwei Abschnitte, die durch eine deutliche Diskordanz getrennt sind, gegliedert wird. Der liegende Abschnitt entspricht dabei dem späten Sauerstoff-Isotopenstadium (OIS) 3 (∼ 40–30 ka), während der hangende Abschnitt in das Letztglaziale Maximum (LGM) datiert (∼ 24–22 ka). Für den liegenden Abschnitt zeigen die sedimentologischen Proxy-Daten (U Ratio, feinster Ton) vergleichbare und weitgehend synchrone Muster zwischen dem Schwalbenberg und Daten aus grönländischen Eisbohrkernen (NGRIP) und unterstützten somit die Annahme einer Synchronität von Klimaänderungen in und um den Nordatlantik.

Die Anisotropie der Magnetischen Suszeptibilität (AMS) zeigt in Interstadialen eine klare Korrelation kleinerer Korngrößen mit zunehmender AMS-Foliation, die möglicherweise auf kontinuierliche Staubakkumulation während der Pedogenese zurückzuführen ist. Ein solch klarer Zusammenhang wurde für LPS mit stadial–interstadialer Auflösung bisher nicht beschrieben.

Im liegenden Abschnitt von Profil RP1 am Schwalbenberg wird eine Abkühlung und Aridifizierung im späten OIS 3 (nach ∼ 35 ka) durch signifikante Änderungen in verschiedenen Proxy-Daten und der Isotopenzusammensetzung (

und εNd) deutlich, die auf unterschiedliche Staubquellen und abnehmende Verwitterung hindeuten. Zusätzlich führt eine erhöhte Instabilität der Landschaft in Richtung des LGM (nach ∼ 31,5 ka) zu verstärkter Windaktivität und dem Eintrag grobkörnigen Materials, das aus lokalen Quellen recycelt wurde.

Die Proxy-Daten des hangenden Abschnitts deuten auf Umweltbedingungen hin, die sich signifikant von jenen des Liegenden unterscheiden und vermutlich durch lokale bis regionale Einflüsse dominiert werden. AMS-basierte Rekonstruktionen der oberflächennahen Windtrends lassen neben der Dominanz von Westwinden auf einen phasenweisen Einfluss von Winden aus nordöstlicher Richtung schließen. Insgesamt sehen wir den vorgestellten integrativen Ansatz als einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis der Bildung von LPS, welche die Veränderungen der Staubzusammensetzung und damit verbundener Zirkulationsmuster im Zuge quartärer Klimaänderungen besser beleuchtet.