A study of Pleistocene Lacustrine Sediments at the Southern Front of the Tibetan Plateau : Dating and Palaeoclimate record

Abstract

The rise of the Himalaya and the Tibetan plateau strongly controlled the monsoon system. Lacustrine sediments of long living lakes at the southern margin of the Tibetan plateau are useful archives to study long-term palaeoenvironmental changes with high time resolution. Three sites at the southern hinge of the Tibetan plateau, i.e. Kashmir basin in the west, Kathmandu basin in the central part, and Heqing Basin in the far eastern part were sampled. Detailed studies on Heqing and Kathmandu basins are reported in this thesis. High-resolution magnetostratigraphy, cyclostratigraphy, and AMS radiocarbon dating are integrated to establish an optimum age model for a 168 m long drill core of lacustrine sediments from Heqing Basin, Yunnan Province, southwestern China. A 14C age of 51.62 +2.42/-1.85 kyr BP is obtained at a depth of 7.3 m. Remanent magnetization resides in maghemite and partly magnetite, both showing the same direction. The polarity sequence clearly reveals the Brunhes/Matuyama (B/M) boundary at 141.5 m. The upper boundary of Jaramillo is indicated at 167 m, as well as Blake Event between 16.3 to 17.5 m. Fourier analysis was done on carbonate, magnetic susceptibility and saturation isothermal remanent magnetization (SIRM) in wavelength domain for sliding windows with different window lengths. Almost all spectra within the range of window centers (30-140 m) show a dominant long wavelength, which changes from about 18.5 m in the lower part (>65 m) to about 14.5 m in the upper part (<65 m) of the core. It is assumed that the long wavelength peak represents the 95-kyr Milankovitch cycle (eccentricity). Based on this assumption a wavelength age model is determined using the 14C age as a tie point. The B/M boundary and Blake Event match very well with this model, but the age of Jaramillo is strongly underestimated. Fourier spectra of sliding windows slightly indicate a drop of the sedimentation rate at the lowermost part of the core. A tuned age model was calculated by cubic spline interpolation using tie points from 14C dating, magnetostratigraphy (‘true’ ages of Blake Event, B/M boundary, and Jaramillo), and wavelength model (change in sedimentation rate at 65 m i.e. 15 cm/Kyr above 65 m and 19 cm/Kyr below). With this age model, spectrum of carbonate shows clear Milankovitch cyclicities. Alternative depth to age transfer functions were tested, i.e. a cyclostratigraphic model (using bandpass-filtered carbonate data corresponding to 95 kyr eccentricity cycles) and correlation of carbonate variations to the marine oxygen isotope curve. However non of the approaches lead to a convincing Milankovitch spectrum of whole core carbonate data. According to this result the Heqing core spans almost the complete past 1 Ma (5 to 1,001 ka). Correlation coefficient of sliding windows between susceptibility and carbonate dominantly show negative correlations between 55 m to 155 m and positive for rest of the core. Cluster analysis on selected variables show systematic grouping pattern and confirm the subdivision of the core into three parts, i.e. below about 120m (ca700 ka), 120-65 m and above 65 m (ca 420 ka). The whole core Fourier spectra of carbonate shows clear Milankovitch cyclicities (95, 41, 23, and 19 kyr), and susceptibility, Anhysteretic Remanent Magnetization (ARM) and SIRM show only Earths eccentricity and obliquity cycles using tuned time series. Localized variations of power within the time series are known using wavelet transform. The highest power is concentrated between 300 – 750 ka. ARM/SIRM ratio represents magnetic mineralogy and also has a strong tie with Tsuga (tree pollen). Spectral results as well as a rough correlation of susceptibility and carbonate with the marine oxygen isotope record suggest that the climatic record of this area is tied directly to the global climatic pattern. Pollen data from Heqing indicate alternations between temperate humid and cold-dry climatic conditions, which is typically a regional palaeoclimatic pattern. Maghemite and magnetite dominate the magnetic mineralogy. Maghemite is distributed throughout the whole core, whereas magnetite occurs additionally in samples with higher &chi; in cold dry periods. The magnetic and non-magnetic variations show a strong anomaly at ~ 65 m (corresponding to MIS 11 onset which is ~400 ka) and a change at ~ 55 m indicating a change in depositional system related to a climatic and/or tectonic event. Katmandu is mainly influenced by the SW India monsoon. A sequence of about 170 m is exposed at the southern part of the basin. The bottom part of the sequence mainly comprises fine-grained sediments whereas gravel beds dominate the upper part. A total of 750 oriented samples were collected all along the accessible sequence in 2 cm3 plastic boxes with a sampling interval of 10 cm. Additionally 128 samples were collected for pollen analysis with a sampling interval of 50 cm. Magnetostratigraphy was established and four magnetic transitions were observed indicating that the sampled section spans 0.7 to 1.8 Ma. Amino acid dating on a fossil found in one of the intercalated lignite layers yielding an age of ~ 900 ka is in agreement with the magnetostratigraphy. Anisotropy of magnetic susceptibility was measured for 250 samples. The results show good grouping in the bottom part of the section and a scatter in the uppermost part. The lithology and the AMS results indicate a significant change in the depositional system above 50 m depth. Mainly two magnetic components are dominant. One with lower coercivity (identified as magnetite), which is dominant all along the sequence and additionally hematite is associated at layers with lower susceptibility. A rough correlation between pollen and susceptibility is observed. Pollen results show typical regional signal and indicate the coldest driest period at ~ 0.9 Ma. The Heqing core has revealed interesting new aspects about the palaeoenvironmental evolution in the Indian monsoon region southeast of Tibetan plateau. On the other hand Kathmandu basin overlaps in part with Heqing basin, but the results show clearly the limited use of outcrop studies.

Das System des Monsoons wurde stark beeinflusst vom Aufstieg des Himalaya und Tibetplateaus. Seen, die am südlichen Rand des Tibetplateaus über längere Zeit hinweg Sedimente aufgenommen haben, stellen nützliche Archive dar, an denen längerfristige Veränderungen der Paläoumwelt mit hoher Auflösung untersucht werden können. An drei Stellen der südlichen Front des Tibetplateaus wurden Proben genommen: Kashmir-Becken im Westen, Kathmandu-Becken im Zentrum und Heqing-Becken im Osten. In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen an den Heqing und Kathmandu-Becken vorgestellt. Hochauflösende Magnetostratigraphie, Zyklostratigraphie und AMS Radiokarbondatierung werden verwendet, um ein optimales Altersmodell für einen 168m langen Bohrkern aus lakustrinen Sedimenten des Heqing-Beckens (Yunnan Province, Südwest-China) zu erarbeiten. In einer Tiefe von 7.3 m ergeben sich 14C-Alter von 51.62 +2.42/-1.85 kyr BP. Die Remanenz in diesem Bereich wird getragen von Maghemit und Magnetit, beide zeigen dabei dieselbe Richtung. Die Polaritätsskala weist mit hoher Sicherheit die Brunhes/Matuyama-Grenze (B/M) bei 141.5 m auf. Die Oberkante von Jaramillo liegt bei 167 m. Ausserdem tritt der Blake Event zwischen 16.3 und 17.5 m auf. Fourieranalysen wurden angewendet auf Karbonat, magnetische Suszeptibilität und Sättigungs-Isothermale-Remanenz (SIRM) im Wellenlängenbereich, wobei gleitende Fenster mit unterschiedlichen Breiten verwendet wurden. Nahezu alle Spektren innerhalb des Bereiches der Fenstenzentren (30-140 m) zeigen eine dominante Wellenlänge, die im unteren Teil (>65 m Tiefe) 18.5 m beträgt und im oberen Teil (<65m) auf 14.5 m abnimmt. Es ist anzunehmen, dass dieser langwelliger Anteil den 95-kyr Milankovitch-Zyklus darstellt (Exzentrizität). Mit dieser Annahme und der 14C-Altersreferenz wurde ein Wellenlängen-Alters-Modell entwickelt. Die B/M-Grenze und der Blake Event passen sehr gut dazu, jedoch ergibt sich für das Jaramillo-Alter ein viel zu geringer Wert. Fourierspektren gleitender Fenster weisen leicht auf eine Abnahme der Sedimentationsraten zuunterst im Kern hin. Mittels kubischer Spline-Interpolation liess sich ein angepasstes Altersmodell erstellen, das die 14C-Datierung, Magnetostratigraphie (‘wahre’ Alter von Blake Event, B/M-Grenze und Jaramillo) und das Wellenlängenmodell (Veränderung der Sedimentationsrate bei 65m, 15 cm/Kyr oberhalb 65 m und 19 cm/Kyr unterhalb) berücksichtigt. In diesem Modell zeigen die Karbonatspektren eindeutige Milankovitch-Zyklen. Alternative Tiefen-Alters-Transferfunktionen wurden getestet, u.a. ein zyklostratigraphisches Modell unter Verwendung bandpassgefilterter Karbonatdaten, die 95 kyr Exzentritätszyklen entsprechen, sowie die Korrelation von Karbonatvariationen mit der marinen Sauerstoffisotopenkurve. Keiner dieser Ansätze führt jedoch zu einem überzeugenden Milankovitch-Spektrum für die Karbonatdaten des gesamten Kerns. Demnach umfasst der Heqing-Kern einen Zeitraum von beinahe 1 Million Jahre (5 bis 1,001 ka). Korrelationskoeffizienten gleitender Fenster zwischen Suszeptibilität und Karbonat weisen überwiegend negative Korrelationen von 55-155 m und positive für den Rest des Kerns. Cluster-Analyse an ausgewählten Variablen ergeben systematische Gruppierungsstrukturen und bestätigen die Unterteilung des Kerns in 3 Abschnitte: unter 120m (ca. 700 ka), 120-65 m und über 65 m (ca. 420 ka). Die Gesamtspektren von Karbonat zeigen dabei klare Milankovitch-Zyklen (95, 41, 23 und 19 ka). Suszeptibilität, Anhysteresische Remanenz und SIRM zeigen nur die Exzentrizität der Erde und Schiefezyklen, wenn angepasste Zeitserien verwendet werden. Lokale Variationen der Potenzen in den Zeitserien werden sichtbar bei der Verwendung einer Wavelet-Transformation. Die höchsten Potenzen konzentrieren sich bei 300-750 ka. Das ARM/SIRM-Verhältnis zeigt die Magnetomineralogie an und hat ausserdem eine starke Relation zu den Baumpollen, den Tsuga. Sowohl die Spektren als auch die insgesamte Korrelation von Suszeptibilität und Karbonat mit der marinen Sauerstoffisotopenkurve weisen darauf hin, dass die dort aufgezeichnete Klimageschichte direkt mit dem globalen Klima in Verbindung steht. Pollen von Heqing zeigen den Wechsel zwischen gemässigt-feuchtem und kalt-trockenem Klima, typischerweise ein regionales Klimamuster. Maghemit und Magnetit dominieren die magnetische Mineralogie. Maghemit kommt im gesamten Kern vor, während Magnetit ausserdem in Proben hoher &chi; und in kalten Abschnitten auftritt. Die magnetischen und nicht-magnetischen Variationen ergeben eine starke Anomalie bei ~ 65 m (entspricht dem Beginn von MIS 11 von ~400 ka) und einen markanten Wechsel bei ~ 55 m, was auf einen Wechsel der Ablagerungsbedingungen aufgrund klimatischer oder tektonischer Ereignisse hinweist. Katmandu ist hauptsächlich vom SW-Indien-Monsoon beeinflusst. Eine Abfolge von ca. 170 m ist im südlichen Teil des Beckens aufgeschlossen. Im unteren Teil dominieren feinkörnige Sedimente, im oberen Kieslagen. Insgesamt wurden 750 orientierte Proben (2 cm3 Plastikzylinder, 10 cm Probenabstand) genommen entlang der zugänglichen Abfolge. Weitere 128 Proben im Abstand von 50 cm wurden entnommen für Pollenanalyse. Die Magnetostratigraphie ergibt vier magnetische Übergänge, was einem Altersbereich von 0.7 - 1.8 Ma entspricht. Die Datierung von Aminosäuren an einem Fossil aus einer der Ligniteinschaltungen erbringt übereinstimmend damit ein Alter von ~ 900 ka. Die Anisotropie der magnetischen Suszeptibilität wurde an 250 Proben bestimmt. Die Ergebnisse gruppieren gut im unteren Teil der Abfolge, oben streuen sie jedoch. Lithologie und AMS deuten auf einen signifikanten Wechsel der Ablagerungsverhältnisse über 50 m Tiefe hin. Zwei magnetische Komponenten sind dominierend: Magnetit niedriger Koerzitivkraft, der über die gesamt Abfolge vorherrscht, sowie Hämatit in Schichten geringerer Suszeptibilität. Zwischen Pollen und Suszeptibilität tritt eine grobe Korrelation auf. Die Pollen zeigen das typische regionale Verhalten mit die kältesten Periode bei ~ 0.9 Ma. Der Heqing-Bohrkern hat neue, interessante Erkenntnisse über die Entwicklung der Paläoumwelt in der indischen Monsoongegend südöstlich des Tibetplateaus geliefert. Das Kathmandu-Becken hingegen überlappt zwar teilweise mit dem Heqing-Becken, aber die Ergebnisse zeigen klar den begrenzten Nutzen von Aufschlussstudien.