Reconstructing Miocene Climate Dynamics in the Ili Basin (SE Kazakhstan) Using Rock Magnetic Studies

Abstract

Die Rekonstruktion des Klimas in Zentralasien während des Neogen ist von großer Bedeutung, um die gegenwärtige und zukünftige Klimadynamik im asiatischen Innenland zu verstehen. Im Känozoikum erlebte Zentralasien eine zunehmende Aridifizierung, die heute zu einer verstärkten Wüstenbildung in der Region führt. Zu den Hauptfaktoren für diese progressive Aridifikation zählt globale Abkühlung und die Hebung der Tibetischen Hochebene, welche die Feuchtigkeitszufuhr aus dem Süden blockierte. Weiter beeinflusste die Ausdehnung und der Rückgang der Paratethys die Feuchtigkeitszufuhr in Zentralasien. Um diese Einflussfaktoren auf die neogene Klimaentwicklung in Zentralasien zu verstehen, wurde ein Palöklimaarchiv im Ili Becken in Südostkasachstan erforscht. Die untersuchte terrestrische Gesteinsabfolge der Aktau Berge zeigt alluviale, Playa- und lakustrine Sedimentablagerungen aus dem Mittel- bis Spätmiozän. Ein robustes Altersmodell, das deren detaillierte Korrelation zu transregionalen und globalen tektonischen und klimatischen Prozessen im Neogen ermöglicht, ist fundamental für die paläoklimatische Interpretation der Proxydaten. Daher liegt das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit auf gesteinsmagnetischen Untersuchungen für die magnetostratigraphische Datierung und für paläoklimatische Proxydaten. Sedimentologische Studien wie Sedimentmineralogie, Geochemie und Palynologie stützen dabei die Interpretation des magnetischen Signals und ergeben gleichzeitig weitere paläoklimatische Proxies. Eine Chronostratigraphie der untersuchten Gesteinsabfolge wurde durch magnetostratigraphische Datierung und mit Hilfe von biostratigraphischen Markern erstellt. Weitverbreitete Remagnetisierung limitierte die aufgestellte Magnetostratigraphie auf die 90 m dicke Bastau Formation, der ein Alter von 15,3 bis 13,9 Millionen Jahre zugeordnet wurde. Die sekundären Magnetisierungen wurden wahrscheinlich durch Alterationseffekte nach der Sedimentablagerung und authigene Magnetitbildung hervorgerufen. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Altersmodell kann die Bastau Formation in Zusammenhang mit dem mittelmiozänen Klimawandel gebracht werden. Globale Abkühlung geht mit Änderungen der magneto-mineralogischen Eigenschaften oberhalb von 50 m in der Bastau Formation einher sowie einer steigenden Versalzung und Lithologieänderungen hin zu Salztonebenen und später zu einem ephemeren Playasee. Um die Verwendung von gesteinsmagnetischen Parametern als Proxies und deren Klimasensitivität zu validieren, wurden die treibenden Faktoren für die Bildung magnetischer Minerale und magnetische Alterationsprozesse sowie deren Korrelation zu Umweltveränderungen evaluiert. Ein 4,5 m mächtiger Playazyklus in der mittelmiozänen Koktal Formation wurde dafür detailliert untersucht. Gesteinsmagnetische Parameter wurden zusammen mit geochemischen Elementgehalten verwendet um die Änderungen der Wasserverfügbarkeit und Aridität während des Playazyklus zu rekonstruieren. Es konnte gezeigt werden, dass gesteinsmagnetische Parameter wie χ, ARM, SIRM, HIRM, ARM/SIRM und s-ratio potentielle Proxies für eine detaillierte Rekonstruktion der Paläoumwelt sind, nicht nur im mittelmiozänen Ili Becken sondern auch in vergleichbaren Überschwemmungs- bzw. Playaseegebieten. Weiter konnte mit der magnetischen Suszeptibilität und Studien zur Sedimentmineralogie, Geochemie, Sedimentfarbe und Palynologie an der Bastau Formation gezeigt werden, dass die Verfügbarkeit von Feuchte, die Intensität des Sedimenttransportes, Verwitterung und Pädogenese im mittelmiozänen Ili Becken durch das Klima gesteuert werden. Zeitreihenanalysen der magnetischen Suszeptibilität und chemischer Verwitterungsindizes wie dem Ti/Al-Verhältnis deuten darauf hin, dass Änderungen der Feuchteverfügbarkeit und die Tonebenen von orbitalen Einflüssen wie der langen Exzentrizität gesteuer twerden.

The reconstruction of Central Asia's climate during the Neogene is important in order to understand present and future climate dynamics in the Asian inland. Central Asia witnessed increased aridification during the Cenozoic, resulting in ongoing desertification of the region today. Factors such as global cooling and uplift of the Tibetan Plateau blocking the moisture supply from the south mainly controlled the progressive aridification. Furthermore, the advance and retreat of the Paratethys largely influenced the moisture supply to Central Asia. To unravel these influencing factors on the Neogene climate evolution in Central Asia, a well-exposed paleoclimatic archive is studied in the Ili Basin in southeast Kazakhstan. The studied terrestrial succession of the Aktau Mountains exposes alluvial, playa and lacustrine deposits of middle to late Miocene age. A robust age model that allows detailed correlation to trans-regional and global tectonic and climatic processes during the Neogene is fundamental for paleoclimatic interpretation of the proxy record. Thus, the focus of the present doctoral thesis is on rock magnetic studies for magnetostratigraphic dating and for a paleoclimatic proxy record. Sedimentological studies such as bulk-sediment mineralogy, geochemistry and palynology further assist the interpretations of the magnetic signal and provide additional paleoclimatic proxies. A chronostratigraphy of the studied succession is achieved by magnetostratigraphic dating and using biostratigraphic markers. Widespread remagnetization constrained the established magnetostratigraphy to the 90 m-thick Bastau Formation, which is dated to an age of 15.3 to 13.9 Ma. Secondary magnetizations are likely related to post-depositional magnetic alterations and authigenic formation of magnetite. With the age model, the middle Miocene succession can be put in the context of the Middle Miocene Climate Transition. Global cooling is associated with changes of magneto-mineralogical properties above 55 m in the Bastau Formation concomitant with increasing salinization and lithology changes to saline mudflats and further up to an ephemeral playa lake. In order to validate the use of rock magnetic parameters as proxies and their sensitivity to climate, the driving mechanisms behind the formation of magnetic minerals and magnetic alteration processes, and their correlation to environmental changes are assessed. A 4.5 m-thick playa cycle in the middle Miocene Koktal Formation is studied in high-resolution. Rock magnetic parameters together with geochemical element content are used to reconstruct changes in water availability and aridity during the playa cycle. It is shown that rock magnetic parameters such as χ, ARM, SIRM, HIRM, ARM/SIRM and s-ratio are potentially effective proxies for a detailed paleo-environment reconstruction not only in the middle Miocene Ili Basin but also in comparable floodplain/playa lake settings. Combining magnetic susceptibility data with studies of bulk-sediment mineralogy, geochemistry, sediment color and palynology from the Bastau Formation revealed that moisture availability, the intensity of sediment discharge, weathering and pedogenesis in the middle Miocene Ili Basin are climatically forced. Time series analysis of magnetic susceptibility and chemical weathering indices such as the Ti/Al ratio suggest that the changes in moisture availability and the mudflat deposits are orbitally forced by long eccentricity.