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The aeolian sedimentary system along the transition between the Qilian Shan and northern Chinese drylands during the late Quaternary = Das äolische Sedimentsystem am Übergang von Qilian Shan und nordchinesischen Wüsten während des Spätquartärs



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.A. Veit Christian Nottebaum aus Haan/Westf.

ImpressumAachen 2016

Umfang178 Seiten


Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-01-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-007968
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/567364/files/567364.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/567364/files/567364.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Physische Geographie und Geoökologie (551610)
  2. Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie (530000)

Projekte

  1. QuaSi - Verbundprojekt WTZ Zentralasien QuaSi - Rekonstruktion des überregionalen Signaltransfers aus sedimentologischen Langzeitarchiven (BMBF-03G0814A)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Geowissenschaften (frei) ; aeolian sediment (frei) ; loess (frei) ; sediment transport central Asia (frei) ; grain size analysis (frei) ; end-member-modelling (frei) ; Qilian Shan (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Atmosphärische Zirkulationssysteme und zugehörige Winde transportieren Luftmassen und –feuchtigkeit. So steuern sie die klimatischen Ausprägungen einer Region und transportieren Sedimentpartikel je nach Windgeschwindigkeit und Korngröße. Bei anhaltend geeigneten Akkumulationsbedingungen entstehen daher wertvolle Paläoumweltarchive. In Zentralasien interagieren großräumige Windsysteme (z.B. die nordhemisphärische Westwindzirkulation und das asiatische Monsunsystem). Dies betrifft insbesondere die Übergangsräume zwischen Tibet-Plateau, chinesischem Lössplateau und nord-chinesischer Wüsten. Die vorliegende Arbeit fasst Ergebnisse und Interpretationen zur Verbreitung äolischer Sedimente sowie beteiligter Transportprozesse zusammen und liefert eine Rekonstruktion der Paläoumweltbedingungen der letzten 12.000 Jahre. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Bedeutung mesoskaliger geomorphologischer Einflüsse auf die Sedimentationsbedingungen in einem zeitlichen und räumlichen Kontext.Das Untersuchungsgebiet erstreckt sich entlang der nördlichen Qilian Shan-Abdachung, in dem fast 800 Proben für eine sedimentologische Auswertung (v.a. durch Korngrößenanalysen) und 58 Proben zur Datierung mittels optisch stimulierter Lumineszenz genommen wurden. Diese Proben entstammen Oberflächen und vertikalen Profilen in unterschiedlichen geomorphologischen Positionen (Terrassen, Hänge, Kuppen). Oberflächenproben dienen der Erfassung von Verbreitungsmustern verschiedener Sedimenttypen. Profile lassen über die Datierung Rückschlüsse auf zeitliche Veränderungen der Ablagerungs- und Umweltbedingungen zu. Eine Klassifikation der Sedimente, basierend auf Korngrößenanalysen ergibt sechs Haupttypen, darunter Löss und äolische Sande. Zwischen dem teilweise vergletscherten Qilian Shan-Gebirge (<5700 m ü.M.) und seinem semi-ariden Vorland (Hexi Korridor; <2000 m ü.M.) werden drei sedimentologische Landschaftseinheiten auf Basis der Sedimenttypen unterschieden: I) Die Glazial-Periglazial-Stufe (>3800 m ü.M.) wird repräsentiert von periglazialem Hangschutt und glazifluvialen Sedimenten. II) Die Lössstufe zwischen 3800 und 2000 m ü.M. wird von (Schwemm-)Lössen dominiert. III) In der Vorlandstufe, unterhalb von 2000 m ü.M. verzahnen sich äolische Sande mit Schwemmlössen, lakustrinen Sedimenten und von Deflation geprägten Steinpflasteroberflächen. Die Korngrößenzusammensetzungen der Lösse werden mit zunehmender Höhe feiner. Dies wird durch einen erhöhten relativen Eintrag aus dem Ferntransport erklärt, der vornehmlich der Westwindzirkulation in Höhen über 3000 m ü.M zugeschrieben wird. Darüber hinaus fehlen ergiebige Sandquellen in Form fluvialer Zwischenspeicher im Hochgebirgsrelief, da schmale Kerbtäler großflächige Deposition und Deflation verhindern. Dass fluviale Sedimente wichtige Sandquellen für den äolischen Transport darstellen, lässt sich im Vorland nachweisen: Der Sandanteil ist nahe der fluvialen Transportpfade hoch und nimmt mit zunehmender horizontaler Entfernung ab. Der letzte Zyklus von Lössablagerungen begann während des Übergangs vom Pleistozän zum Holozän um etwa 12 ka. Durch eine statistische Entmischung (End-Member-Analyse) der Korngrößenverteilungen konnten drei dominante Transportprozesse, die zur Lössakkumulation beitragen, identifiziert werden. Diese sind I) Nahtransport von Sanden aus fluvialen Zwischenspeichern, II) Saltation und Suspension in Staubsturmereignissen und III) Ferntransport in hohen Suspensionswolken. Der Anteil jedes Transportprozesses in einer Probe kann über die End-Member-Analyse quantifiziert werden. Da dieser Anteil von den gegebenen geomorphologischen Bedingungen abhängig ist, lässt sich daraus die Landschaftsentwicklung diskutieren. Die Interpretation ergibt drei Phasen während der letzten 12 ka. Während der einsetzenden Lössablagerung ist der Anteil des Nahtransports hoch, was auf hohe fluviale Sedimentbereitstellung hinweist. Dies lässt auf ein eher instabiles Landschaftssystem schließen, das noch immer von Sedimenten aus der eiszeitlich erhöhten Sedimentproduktion gespeist wird. Im Laufe des Frühholozäns nimmt die Lokalkomponente zugunsten der Fernkomponente ab. Mittelholozäne Lösse weisen ein Maximum der Fernkomponente auf, was stabile Landschaftsbedingungen impliziert, unter denen Sandquellen aufgrund der nun weitestgehend geschlossenen Lössbedeckung der Schwemmfächer und der relativ dichten Vegetation nur sehr eingeschränkt verfügbar waren. Insgesamt kann hieraus auf eine mittelholozäne Stabilitätsphase in den Lössgebieten geschlossen werden. Während des Spätholozäns geht der Anteil des Ferntransports zu Gunsten des Staubsturmeintrags zurück. Dieser weist auf erhöhte Trockenheit in den Quellgebieten der Staubstürme hin (lakustrine und fluviale Zwischenspeicher in den nördlichen Wüsten und Schwemmfächern). Während äolische Sande im zentralen Hexi Korridor im Holozän immer wieder umgelagert wurden, fehlen vergleichbare Akkumulationen im westlichen Teil. Hier dominierten Deflationsprozesse nach einem spätglazialen Sedimentationspuls um 12 ka. Im Westteil liegen die Gründe in der fehlenden Sedimentbereitstellung während des Holozäns. Im zentralen Hexi Korridor war durch höhere Niederschläge und perennierende Flüsse die Sedimentverfügbarkeit durchgängig gegeben. Der Vergleich von Löss- und äolischen Sandarchiven zeigt deutliche Unterschiede in der Reaktion auf veränderte Umweltbedingungen. Nicht zuletzt auch, weil diese Archive in unterschiedlichen geomorphologischen Landschaftseinheiten entstehen. Löss wird auf stabilen Oberflächen und nur bei ausreichender Vegetationsdecke (also feuchteren Klimabedingungen) akkumuliert. Sandarchive im Vorland profitieren von der erhöhten fluvialen Aktivität und Sedimentbereitstellung, sind damit aber auch immer wieder fluvialen und äolischen Umlagerungen unterworfen, während Lössablagerungen auf den Terrassen, fern von starker fluvialer Morphodynamik, stabiler sind. Die Sedimentbereitstellung wird als limitierender Faktor für die Bildung äolischer Sandarchive im Hexi Korridor herausgestellt. Dasselbe gilt für die Grobfraktion in Lössen des Qilian Shan. Die Bereitstellung von Schluffpartikeln war vermutlich mindestens seit dem letzten Glazial durchgängig gegeben. Es ist hervorzuheben, dass der Vergleich benachbarter geomorphologischer Einheiten und ihrer äolischen Sedimentarchive vielversprechende Rückschlüsse I) über Sediment-transportprozesse als Teil einer größeren Sedimentkaskade und damit, II) auf Paläoumweltbedingungen zulassen.

Atmospheric circulation patterns and resulting winds are responsible for moisture transport and climatic conditions in given regions. Furthermore, resulting winds entrain, transport, and accumulate particulate matter. Thus, whenever conditions are suitable for long-term deposition and accumulation of aeolian sediments, promising archives are constructed to study past environmental conditions. In central Asia, different large-scale wind systems (i.e., Westerlies, the Asian monsoon system) interact along the transition between the Tibetan Plateau, the Chinese Loess Plateau, and north-western Chinese Deserts. This study focuses on the distribution of (mainly aeolian) sediments, the different involved geomorphological processes, and palaeoenvironmental implications. A set of almost 800 sedimentological samples and 58 optically stimulated luminescence samples was obtained from the research area along the northern margin of the Qilian Shan mountain range. A variety of geomorphological settings was sampled in order to assess spatial and temporal distribution patterns and evaluate geomorphological influences and palaeoenvironmental changes among sediment properties. Between the partly glaciated Qilian Shan (<5700 m asl) and the foreland basins (i.e., Hexi Corridor; <2000 m asl), a sediment classification based on grain size analysis yields six major sediment types which are distributed in three sedimentological landscape units along an altitudinal cross section: I) Periglacial debris and glaciofluvial sediments dominate in altitudes above 3800 m asl. II) Primary loess dominates between 3800 and 2000 m asl. III) Below 2000 m asl aeolian sands alternate with reworked loess, lacustrine deposits, and gravel gobi surfaces. Focusing on loess grain size in the Qilian Shan, a significant fining trend is evident with increasing altitude. This is explained by a relatively increased contribution from far distant dust sources caused by stronger Westerly influence in higher altitudes. Additionally, restricted sand source areas compared to flat foreland topography, such as narrow mountain valleys, dominate in higher elevations. The same phenomenon is observed in the lateral perspective: The sand and coarse silt content of primary loess decreases with increasing distance to fluvial storages. Loess deposition started in the area during the Pleistocene-Holocene transition at around 12 ka. Statistical decomposition of loess grain size distributions resulted in three contributing end-members, which were used to reconstruct the relative contribution from different transport processes. These represent I) short-distance transport from mainly fluvial storages, II) saltation and suspension in dust storm events, and III) long distance transport in high suspension clouds. As the relative proportion of each of these transport processes is depending on the surrounding geomorphological and environmental setting, a reconstruction of landscape conditions can be approached. Although bulk grain size variations were only slight, a consistent reconstruction of environmental conditions, with respect to spatial geomorphologic variability, is presented. The interpretation yields a threefold separation of the last ca. 12 ka: During the onset of loess deposition the foreland areas exhibited vast alluvial fan surfaces providing large sand amounts for deflation, which is found in the local transport component of loess deposits. This observation reflects a rather instable landscape state, still influenced by the glacial time’s sediment supply. The mid-Holocene loess exhibits the highest proportion of fine materials, indicative for far-travelled dust. This implies that surrounding surfaces were relatively stable and sand availability was low as a result of the yet developed loess cover on alluvial fan surfaces. As prerequisite for further dust-trapping, a stabilizing vegetation cover likely existed and implies comparably moist climatic conditions. The late Holocene records exhibit a declining trend of the fine particle proportion and an enhanced dust storm contribution. This reflects higher availability of dust particles in dust storm source- and bypassing areas (e.g., lacustrine and fluvial deposits of northerly deserts and lower Hexi Corridor). Aeolian sand accumulation frequently occurred during the Holocene in the central Hexi Corridor, while deflation dominated in its western part. The comparison of OSL ages shows high accumulation in the western part during the Pleistocene-Holocene transition. In contrast, the central Hexi Corridor exhibits aeolian sand ages throughout the entire Holocene. The difference in this sedimentologic behaviour is attributed to a shortage in sediment supply in western parts, while the central Hexi Corridor receives higher precipitation and is crossed by a several perennial streams providing material from fluvial storages for deflation. A comparison of loess and aeolian sand deposits exhibits considerable differences in their reaction to environmental change, also because the hosting geomorphologic settings differ. This fact is often neglected in palaeoenvironmental studies on aeolian archives. This study presents an approach of studying the comprehensive aeolian sedimentary system. As such, loess deposits are preserved on stable terrace surfaces and in upper regions during periods of relatively moist climatic conditions — exhibiting river incision and fluvial reworking of storages). In contrast, aeolian sands located in lowland regions may be fed and reworked by enhanced fluvial activity. Sediment supply is identified as the limiting factor for the formation of aeolian sand deposits in the Hexi Corridor. The same applies to the sand fraction in loess deposits. For loess accumulation, however, a stable geomorphologic surface and a dust-trapping steppe-like vegetation cover are required. Dust supply has likely been sufficient at least since the last Glacial. Moreover, the investigation of adjacent geomorphological units exhibiting loess and aeolian sand is promising, because both archives reflect different behaviours in a geomorphologic and temporal context, depending on previous environmental conditions. A diverse set of surface samples allows a better evaluation of medium-scale geomorphologic influences on sedimentary processes, useful for the interpretation of long vertical sections. Comparing sedimentological and geochronological observations in aeolian sediments is found promising for the reconstruction of I) sedimentary processes as part of a greater sediment cascade and II) for the reconstruction of palaeoenvironmental conditions.

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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT018967895

Interne Identnummern
RWTH-2016-00796
Datensatz-ID: 567364

Beteiligte Länder
Germany

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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Georesources and Materials Engineering (Fac.5) > Division of Earth Sciences and Geography
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551610
530000

 Record created 2016-01-28, last modified 2022-04-22