Paleoclimatic implications from late Quaternary terrestrial archives in the Gobi Desert : examples from the Ejina Basin and Orog Nuur Basin

Yu, Kaifeng; Diekmann, Bernhard; Lehmkuhl, Frank

doi:35619

Paleoclimatic implications from late Quaternary terrestrial archives in the Gobi Desert : examples from the Ejina Basin and Orog Nuur Basin = Paläoklimatische Implikationen von spätquartären terrestrischen Archiven in der Wüste Gobi : Beispiele aus dem Ejina Becken und dem Orog Nuur Becken

Yu, Kaifeng

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Kaifeng Yu

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xv, 171 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Lehmkuhl, Frank (Thesis advisor)^RWTH* ; Diekmann, Bernhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-08-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-010459
DOI: 10.18154/RWTH-2017-01045
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/682832/files/682832.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/682832/files/682832.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
XRF (frei) ; XRD (frei) ; XRF core scanning (frei) ; Gobi Desert (frei) ; Orog Nuur (frei) ; Ejina Basin (frei) ; multivariate statistics (frei) ; grain size (frei) ; pollen (frei) ; ostracod (frei) ; last glacial (frei) ; provenance (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Beachtliche Versuche sind unternommen worden, um die hygrische und thermische Entwicklung des ariden Zentralasiens im Spätquartär zu entschlüsseln. Allerdings sind das allgemeine Schema der hygrischen und thermischen Entwicklung des ariden Zentralasiens im Quartär sowie die zugrundeliegende Mechanismen noch nicht umfassend verstanden.Das Ejina-Becken in der Inneren Mongolei (China) hat unterschiedliche Sedimentarchive und ist als eine der Hauptquellen für die Lössakkumulation auf dem Chinesischen Lössplateau bekannt. Um die Mechanismen entlang der überregionalen Sedimentkaskaden zu verstehen, ist es notwendig, die Archiveigenschaften und Bildungsprozesse zu entschlüsseln. Um diese Fragen zu beantworten wurden fünf Profile in unterschiedlichen geomorphologischen Kontexten ausgewählt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die fünf Sedimentarchive aus drei lithologischen Einheiten folgende geochemische Charakteristika aufweisen: (i) äolische Sande haben höhere Zirconium- und Hafnium-Gehalte, wobei nur Hafnium als verwertbarer Indikator für den Grobsandanteil betrachtet werden kann; (ii) sandiger Löss hat höhere Kalzium- und Strontium-Gehalte, welche beide eine deutliche Korrelation mit Mittel- und Grobschluffanteilen aufweisen; (iii) lakustrische Tone haben höhere Gehalte an felsischen, ferromagnesiumhaltigen und Glimmer-Ausgangselementen, wie z.B. Kalium, Eisen, Titan, Vanadium, und Nickel; (iv) fluviale Sande haben höhere Magnesium-, Chlor- und Natrium-Gehalte, welche in Evaporitmineralen angereichert sein können; (v) alluviale Kiese haben höhere Chrom-Gehalte, welche von nahe gelegenen Chrom-reichen Gestein stammen könnten. Zeitliche Variationen können anhand von vier Faktoren veranschaulicht werden: Verwitterungsintensität, Anteil an Silikathaltigen Mineralien, salzhaltiger Magnitude und Ausmaß an quasi-konstantem äolischem Eintrag. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Zusammensetzung der Sedimente aus dem späten Quartär in diesem ariden Kontext durch die Reliefbedingungen der Sedimentquelles, durch eine schwache chemische Verwitterung, authigener Minerale sowie äolischen Sandeintrags bestimmt werden. Pedogenese und Diagenese üben nur einen geringen Einfluss aus.Zwei parallele Kernbohrungen (ONW I, 6.00 m; ONW II, 13.35 m) vom Orog Nuur (Nuur = See) See in der Gobi Wüste der Mongolei wurden näher analysiert. Es gibt viele Belege für einen ausgeprägten Feuchtigkeitsimpuls während des marinen Isotopenstadiums 3 (MIS 3; ~36-~24 ka), welcher auch den maximalen letztglazialen Eisvorstoß im Khangai Gebirge hervorgerufen haben könnte. Ein scharfer Übergang am Ende der letzten Eiszeit (~11 ka) wird mittels geochemischen, palynologischen und Ostrakodendaten nachgewiesen. Das untere Einzugsgebiet des Orog Nuur war im Pleistozän durch Artemisia Steppengesellschaften dominiert und veränderte sich im Holozän allmählich zur Chenopodiaceae-Wüstensteppe. Das frühe Holozän ist ebenso durch eine relativ feuchte Umwelt gekennzeichnet, wenn auch eine gegenläufige Variabilität der hygrischen und Temperatursignale zwischen den palynologischen und gesamt-geochemischen Signalen abgeleitet werden können. Der holozäne Wasserkörper zeigt alkalische Bedingungen und war häufig allochthonen Sedimenteinträgen sowie höherer limnischer Sauerstoffzufuhr als im späten Pleistozän ausgesetzt. Dadurch wurden Phasen anoxischer Bedingungen im See verringert. Die zwei genannten Feuchteimpulse könnten ein weit verbreitetes Phänomen im trockenen Zentralasien sein, welches in zahlreichen Archiven dokumentiert wurde. Betrachtet man die atmosphärische Kinetik, scheinen die gekoppelten atmosphärische Phänomene des Ostasiatischen Sommermonsuns (East Asian Summer Monsoon; EASM) und eine verstärkte Feuchtigkeitzufuhr durch die Westwinde die treibenden Mechanismen zu sein. Diese gekoppelte Funktionsweise könnte durch die Schwankungen der Solareinstrahlung in borealen Breiten moduliert worden sein. Des Weiteren wurden in den Bohrkernen vier aride Phasen, repräsentiert durch Playa-Phasen, nachgewiesen: Um ~47 ka, ~37 ka, ~19 ka (gLGM) und ~13-~11 ka (Jüngere Dryas). Der geringere Feuchtetransport über die Westwinde sowie ein abgeschwächter Ostasiatischer-Monsun könnte zur Ausprägung dieser Playa-Phasen beigetragen haben.Kontinuierliche, hochauflösende Elementhäufigkeiten wurden in 1 cm-Intervallen im Bohrkern ONW II untersucht. Aufgrund der vorherrschenden Ton- oder schluffigen Tonfraktion in den Sedimenten, zeigen Aluminium und Silizium weitgehend ein identisches Muster. Die Verhaltensweisen von Kalzium können auf die Varianz des authigenen Kalzits zurückgeführt werden. Mangan und Kobalt fungieren als aussagekräftige Indikatoren für Redoxbedingungen. Wegen der kurzen Überdeckungszeit und der schwachen diagenetischen Überprägung ist Eisen kein Indikator für die diagenetischen Prozesse. Zirkon kann wahrscheinlich mit den fluvialen Sedimenten in Verbindung gebracht werden, wenn man sich auf die Deckgesteine bezieht. Nicht aber notwendigerweise mit den äolischen Sanden. Darüber hinaus könnte das Vorkommen von Schwefel in Seesedimenten die Redoxbedingung anzeigen. Kalium ist eher mit K-Feldspat verknüpft, was mit allochthonen fluvialen Einträgen in Zusammenhang gebracht werden kann. Die zwei mit dem letztglazialen Kältemaximum (LGM) und der Jüngeren Tundrenzeit (YD = Younger Dryas) - Ereignissen einhergehenden Sandschichten, werden durch grobkörnige Sande in den Bohrkern angezeigt. Wie aus dem Biplot zwischen Ca und Al/Si abgeleitet werden kann, kommen unterschiedliche sedimentäre Oberflächen als Quellen der lakustrinen Ablagerungen vor und nach dem Ende des Pleistozäns in Frage. Im Holozän scheint im Vergleich zum späten Pleistozän ein deutlich alkalisches Seesystem vorzuherrschen. Darauf deuten eine verstärkte fluviale Morphodynamik und effektivere Erosion in den oberen Einzugsgebieten des Orog Nuur während des frühen Holozäns hin. In ariden Gebieten, können Sande einen signifikanten Einfluss auf die Gesamt-geochemie der Seesedimente ausüben. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass angesichts der Gesamt-geochemie lakustrischer Sedimente, das Paläoklima nicht der einzig bestimmende Faktor sein muss, sondern die Kopplung der Einflüsse von Ausgangsgesteinen und die Verwitterungsintensität ebenso entscheidenden Einfluss haben.

Considerable efforts have been devoted to disentangle the late Quaternary moisture and thermal evolution of arid central Asia. However, an array of paramount aspects has inhibited our complete understanding of the broad pattern of Quaternary moisture and thermal history of arid central Asia and underlying mechanisms.The Ejina Basin, with its suite of different sediment archives, is known as one of the main sources for the loess accumulation on the Chinese Loess Plateau. In order to understand mechanisms along this supra-regional sediment cascade (aeolian, fluvial and alluvial sediments), it is crucial to decipher the archive characteristics and formation processes. Five sediment archives from three lithologic units exhibit geochemical characteristics as follows: (i) aeolian sands have high contents of Zirconium and Hafnium, whereas only Hafnium can be regarded as a valuable indicator to discriminate the coarse sand proportion; (ii) sandy loess has high Calcium and Strontium contents which both exhibit broad correlations with the medium to coarse silt proportions; (iii) lacustrine clays have high contents of felsic, ferromagnesian and mica source elements e.g., Potassium, Iron, Titanium, Vanadium, and Nickel; (iv) fluvial sands have high contents of Magnesium, Chlorine and Sodium which may be enriched in evaporite minerals; (v) alluvial gravels have high contents of Chromium which may originate from nearby Cr-rich bedrock. Temporal variations can be illustrated by four robust factors: weathering intensity, silicate-bearing mineral abundance, saline / alkaline magnitude and quasi-constant aeolian input. In summary, the bulk-composition of the late Quaternary sediments in this arid context is governed by the nature of the source terrain, weak chemical weathering, authigenic minerals, aeolian sand input, whereas pedogenesis and diagenesis exert only limited influences. Hence, here demonstrates a practical geochemical strategy to discriminate sediment archives and thereafter enhance our ability to offer more intriguing information about the sedimentary processes in the arid central Asia.On the other hand, two parallel cores (ONW I, 6.00 m; ONW II, 13.35 m) were retrieved from lake Orog Nuur, in the Gobi Desert of Mongolia. Ample evidences reveal a marked moisture pulse during the Marine Isotope Stage 3 (~36-~24 ka) which might have induced the maximum last glacial expansion in the high elevated Khangai Mountains. A sharp transition of Termination I (~11 ka) is illuminated by geochemical, palynological, and ostracod data. Lower area of the Orog Nuur catchment was dominated by Artemisia steppe community in the late Pleistocene and altered gradually to Chenopodiaceae desert steppe in the Holocene. The early Holocene is also characterized by relatively humid environment, albeit discordant downcore variability of moisture and thermal signals can be derived between palynological and bulk-geochemical signals. Water body in the Holocene appears to be a distinct alkaline environment which was subjected to frequent allogenic input and disturbance of the late Pleistocene anoxic states. These two humid pulses may be the trait of a larger scale of arid central Asia that would be documented in a suite of archives. Considering kinetics, a coupled atmospheric component comprising both East Asian Summer Monsoon and strengthened Westerlies moisture supply seems to be the driving mechanism, and this coupled mode might have been modulated broadly by boreal insolation variances. On the other hand, four major harsh climatic phases were documented in the core at ~47 ka, ~37 ka, ~19 ka (gLGM) and ~13-~11 ka (Younger Dryas) as playa phases. Reduced conveying of the Westerlies moisture along with the retreated East Asian Summer Monsoon might have contributed to these playa phases in the Gobi Desert.Continuous, high-resolution elemental abundances at a 1 cm interval were examined on core ONW II. Due to the predominant clay or silty-clay fraction in the sediments, Aluminium and Silicon display broadly identical pattern. Calcium behaviors may be ascribed to the authigenic calcite variance. Manganese and Cobalt act as sound indicator for the redox condition. Owing to the short burial time and weak diagenetic influence, Iron is not an indicator to the diagenetic processes. Likewise, Zirconium may be associated to fluvial clastic in relation to the lithotypes but not necessarily linked to the aeolian sands relative to that in the pelagic realm. Furthermore, Sulfur in lake sediments may denote the redox condition and Potassium is more likely linked to the K-feldspar which is associated with the allogenic fluvial inputs. The two sand layers corresponding to LGM and YD event were dominated by coarse sands. In the Gobi Desert of Mongolia, these two laminations provide an opportunity to be regarded as potential chronological benchmarks. As inferred from the biplot between Ca and Al/Si, disparate source lithotypes may exist before and after Termination I. The Holocene appears to be a distinct alkaline environment compared with the late Pleistocene. This may be ascribed to strengthened fluvial morphodynamics of the riverine inflows and intensified erosion of source rocks in the upper catchment of the Orog Nuur. In exceptionally arid realm, sands may exert significant influence on bulk-geochemistry of the lake sediments. In summary, considering the bulk-geochemistry of lacustrine sediments, paleoclimate would not be the solely governing factor, the coupled alteration of precursor rocks and decomposition intensity may also exert pivotal influences.

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