@article{zhang2024,
title = {Isothermal thermoluminescence dating of speleothem growth – A case study from Bleßberg cave 2,},
author = {Junjie Zhang and Jennifer Klose and Denis Scholz and Norbert Marwan and Sebastian F. M. Breitenbach and Lutz Katzschmann and Dennis Kraemer and Sumiko Tsukamoto},
doi = {10.1016/j.quageo.2024.101628},
year = {2024},
date = {2024-09-21},
urldate = {2024-09-21},
journal = {Quaternary Geochronology},
volume = {85},
pages = {101628},
abstract = {Speleothems are a key archive of past climatic and environmental changes. 230Th/U dating is the most commonly used method to determine speleothem ages. However, incorporation of non-radiogenic thorium may hamper 230Th/U dating, and samples older than 600 ka also remain out-of-reach. Calcite exhibits a thermoluminescence (TL) signal at 280 °C with a high characteristic saturation dose, and provides significant potential to date carbonate samples over several million years. Hitherto, the application of TL dating for calcite has mainly been hindered by two factors: 1) a spurious TL signal occurring in the high temperature range, and 2) non-uniform dose rate due to U-series disequilibrium. Here we test an isothermal TL (ITL) dating method on a speleothem sample from Bleßberg cave 2, Germany. We show that the ITL signal measured at 240 °C can completely remove the 280 °C TL peak with a negligible TL contribution from the higher temperature range, thus reducing the influence from the spurious signal. The time-dependent dose rate variation can be simulated using the initial radioactivity of 238U, 234U, 230Th and their decay constants. We use the 230Th/U dating method to provide precise and accurate radiometric ages documenting that the speleothem grew between 425.5 ± 5.4 and 320.5 ± 9.7 ka. The ITL ages (421 ± 23 to 311 ± 23 ka) of four subsamples from the speleothem are consistent with the 230Th/U ages at isochronous sampling positions, showing the general reliability of the ITL dating method. ITL dating provides a pathway to construct chronologies for palaeoclimate reconstructions for speleothems beyond the range of the 230Th/U-method and for samples that are unsuitable for U-series dating methods.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {article}
}
Speleothems are a key archive of past climatic and environmental changes. 230Th/UU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute. dating is the most commonly used method to determine speleothem ages. However, incorporation of non-radiogenic thorium may hamper 230Th/U dating, and samples older than 600 kaka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr. also remain out-of-reach. Calcite exhibits a thermoluminescence (TL) signal at 280 °C with a high characteristic saturation dose, and provides significant potential to date carbonate samples over several million years. Hitherto, the application of TL dating for calcite has mainly been hindered by two factors: 1) a spurious TL signal occurring in the high temperature range, and 2) non-uniform dose rate due to U-series disequilibrium. Here we test an isothermal TL (ITL) dating method on a speleothem sample from Bleßberg cave 2, Germany. We show that the ITL signal measured at 240 °C can completely remove the 280 °C TL peak with a negligible TL contribution from the higher temperature range, thus reducing the influence from the spurious signal. The time-dependent dose rate variation can be simulated using the initial radioactivity of 238U, 234U, 230Th and their decay constants. We use the 230Th/U dating method to provide precise and accurate radiometric ages documenting that the speleothem grew between 425.5 ± 5.4 and 320.5 ± 9.7 ka. The ITL ages (421 ± 23 to 311 ± 23 ka) of four subsamples from the speleothem are consistent with the 230Th/U ages at isochronous sampling positions, showing the general reliability of the ITL dating method. ITL dating provides a pathway to construct chronologies for palaeoclimate reconstructions for speleothems beyond the range of the 230Th/U-method and for samples that are unsuitable for U-series dating methods.
@misc{zhang2023,
title = {Isothermal thermoluminescence (ITL) dating of a speleothem from Bleßberg Cave},
author = {J. Zhang and J. Klose and M. Sierralta and S. Tsukamoto and D. Scholz and N. Marwan and S. Breitenbach},
editor = {17th International Luminescence and Electron Spin Resonance Dating conference (LED2023), Copenhagen (Denmark)},
year = {2023},
date = {2023-06-29},
urldate = {2023-06-29},
abstract = {The calcite thermoluminescence (TL) signal (280 °C peak) saturates at much higher doses (saturation dose up to 5000 Gy) compared to quartz and feldspar, which shows great potential to extend the dating limit. However, spurious TL signal occurred at the high temperature range hindered its application. The conventional multiple-aliquot additive-dose (MAAD) protocol used for TL dating applies extrapolation for equivalent dose (De) estimation, which also has large error. Isothermal TL (ITL) dating with the single-aliquot regenerative-dose (SAR) protocol might be a promising way as it reduces the influence of the spurious TL signal, and it applies interpolation to obtain the De. However, this protocol has not been tested on samples with independent age control.
This study tests the ITL SAR dating protocol on a speleothem sample from Bleßberg cave, which has been accurately dated with 230Th/U (ca. 320–425 ka). ITL measurement at 235 °C for 200 °C can remove the 280 °C TL peak completely without TL contribution from higher temperature range. ITL De shows a plateau when the ITL temperature varies between 230 °C and 240 °C. Peak shifting and isothermal annealing tests indicate the 280 °C TL peak has a lifetime of tens of millions years at 10 °C, which is stable enough for the age range of this speleothem sample. The accurate alpha efficiency (α-value) and the U, Th distribution within the sample are measured to estimate the dose rate. The dose rate variation with time due to U-series disequilibrium is corrected for. The ITL ages are compared with the 230Th/U ages to evaluate the performance of the ITL dating protocol.},
note = {17th International Luminescence and Electron Spin Resonance Dating conference (LED2023), Copenhagen (Denmark)},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {presentation}
}
The calcite thermoluminescence (TL) signal (280 °C peak) saturates at much higher doses (saturation dose up to 5000 Gy) compared to quartz and feldspar, which shows great potential to extend the dating limit. However, spurious TL signal occurred at the high temperature range hindered its application. The conventional multiple-aliquot additive-dose (MAAD) protocol used for TL dating applies extrapolation for equivalent dose (De) estimation, which also has large error. Isothermal TL (ITL) dating with the single-aliquot regenerative-dose (SAR) protocol might be a promising way as it reduces the influence of the spurious TL signal, and it applies interpolation to obtain the De. However, this protocol has not been tested on samples with independent age control.
This study tests the ITL SAR dating protocol on a speleothem sample from Bleßberg cave, which has been accurately dated with 230Th/U (ca. 320–425 ka). ITL measurement at 235 °C for 200 °C can remove the 280 °C TL peak completely without TL contribution from higher temperature range. ITL De shows a plateau when the ITL temperature varies between 230 °C and 240 °C. Peak shifting and isothermal annealing tests indicate the 280 °C TL peak has a lifetime of tens of millions years at 10 °C, which is stable enough for the age range of this speleothem sample. The accurate alpha efficiency (α-value) and the U, Th distribution within the sample are measured to estimate the dose rate. The dose rate variation with time due to U-series disequilibrium is corrected for. The ITL ages are compared with the 230Th/U ages to evaluate the performance of the ITL dating protocol.
Diese Studie untersucht die Methode der isothermalen Thermolumineszenz-DatierungThermolumineszenz-DatierungIn manchen Mineralen (wie z. B. Kalzit) wird Energie in Form von Strahlenschäden (z. B. durch kosmische Strahlung) im Kristallgitter gespeichert. Durch Erhitzen kann diese gespeicherte Energie in Form von Licht freigesetzt und für die Datierung genutzt werden., um das Alter von Tropfsteinen zu bestimmen. Die herkömmlichen Methoden zur DatierungDatierungUm einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung). von Höhlenformationen, wie die U/Th-DatierungU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute., sind bei sehr alten Proben schwierig. Am LIAG wurde nun anhand des Stalagmiten BB2-1 untersucht, wie man die Thermolumineszenz-Datierung anpassen kann, damit sie korrekte Alter liefert. Da die Lichteinwirkung auf den Stalagmiten die Datierungsergebnisse beeinflussen kann, wurde ein Teil des Materials mir einer spezielle Säure entfernt, um diesen Effekt zu minimieren. Es wurde auch getestet, wie Licht die Ergebnisse dennoch beeinflussen könnte. Die Alters-Ergebnisse wurden mit U/ThU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute.-Altern, die an der Uni Mainz gemessen wurden, verglichen. Sie stimmen innerhalb der Fehlergenzen gut überein. Damit belegt die Studie, dass die Thermolumineszenz-Datierung zuverlässige Altersangaben für besonders alte Tropfsteine liefern kann.
Vergleich der Datierungsergebnisse von BB2-1 mit U/Th- und TL-Datierung.
@phdthesis{klose2023phd,
title = {Quantitative multi-proxy climate reconstruction for MIS 3 in Central Europe based on precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany},
author = {Jennifer Klose},
editor = {Johannes Gutenberg University Mainz},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2024/09/Klose_Thesis_Jennifer-Klose.pdf},
doi = {10.25358/openscience-10558},
year = {2024},
date = {2024-05-01},
urldate = {2024-05-01},
abstract = {Speläotheme zeichnen sich als sensitive Klimaarchive aus und haben sich in letzten
Jahrzehnten als solche etabliert. Sie haben das Potential wertvolle Informationen über das
Paläoklima kontinuierlich aufzuzeichnen und können mit den Uran-
Ungleichgewichtsmethoden präzise datiert werden. Das Berechnen von unabhängigen
Altersmodellen kombiniert mit Analysen verschiedener Klimaproxys, wie δ18O und δ13C,
Spurenelementen oder Tropfwassereinschlüssen ermöglicht es, hochaufgelöste
Paläoklimarekonstruktionen zu erstellen.
Dansgaard-Oeschger (DO)-Ereignisse sind kurzfristige Klimaschwankungen über
einige hunderte oder wenige tausende Jahre, welche vor allem während der marinen
Isotopenstufe 3 (MIS 3, ca. 60 - 30 ka BP) auftraten. Obwohl erste Beweise für die
Ereignisse in grönländischen Eisbohrkernen entdeckt wurden, sind sie mittlerweile global
nachweisbar. DO-Ereignisse zeichnen sich durch eine rasche Erwärmung, gefolgt von
gradueller Abkühlung aus, während das MIS 3 generell als eine kältere Periode definiert
ist. Daher wurde die Tatsache, dass bisher kaum zentraleuropäische Speläotheme aus dem
MIS 3 gefunden wurden, mit zu kaltem oder trockenem Klima begründet. Im Rahmen
dieser Arbeit wurden drei MIS 3 Speläotheme aus der Bleßberg Höhle in Deutschland
detailliert untersucht. Durch die Kombination von lösungs-basierter und in-situ
Laserablation 230Th/U-Datierung konnte das komplexe Wachstum der Proben präzise
aufgeschlüsselt werden.
Es konnten mehrere Wachstumsepisoden im MIS 3 identifiziert werden, welche primär
zeitgleich zu DO-Ereignissen in Grönland auftraten. Die Wachstumsphasen wurde daher
als eigenständiger Proxy für günstige Klimabedingungen für Speläothemwachstum
etabliert, d.h. Perioden mit ausreichender Boden- und Vegetationsbedeckung über der
Höhle und der Möglichkeit das Tropfwasser in die Höhle gelangt. Darüber hinaus wurde
eine multi-Proxy Analyse durchgeführt mit dem Ziel möglichst vielfältige Informationen
über das MIS 3 in Mitteleuropa zu erhalten. Ein langfristiger Trend zeigt die generelle
Verschlechterung des Klimas mit Fortschreiten des MIS 3 auf. Eine besonders warme und
kontinuierliche Wachstumsphase trat zeitgleich mit DO14 auf. Außerdem wurden zwei
kurzzeitige Kälteereignisse innerhalb des DO14 aufgezeichnet, welches die hohe
Sensitivität der Speläotheme aus der Bleßberg Höhle verdeutlicht.
Weitere kurzzeitige Klimaereignisse wurden während des spätglazialen Teils der
Speläothem-Proben (ca. 14,5 - 1,7 ka BP) aufgezeichnet und ein hochauflösender multi-
Proxy-Datensatz, der das Holozän (11,7 ka BP - rezent) bis 0,6 ka BP abdeckt, wurde
erstellt.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {phdthesis}
}
SpeläothemeSpeläothemSekundäre Mineralablagerungen in Höhlen, wie Sinter, Stalagmiten, Stalaktiten, usw. zeichnen sich als sensitive Klimaarchive aus und haben sich in letzten
Jahrzehnten als solche etabliert. Sie haben das Potential wertvolle Informationen über das
Paläoklima kontinuierlich aufzuzeichnen und können mit den Uran-
Ungleichgewichtsmethoden präzise datiert werden. Das Berechnen von unabhängigen AltersmodellenAltersmodellNach der Datierung eines Stalagmiten werden allen anderen Messungen (z. B. Isotopenverhältnisse), die ursprünglich entlang einer Längen-Achse durchgeführt wurden, ein Alter zugeordnet. kombiniert mit Analysen verschiedener Klimaproxys, wie δ18O und δ13C,
Spurenelementen oder Tropfwassereinschlüssen ermöglicht es, hochaufgelöste
Paläoklimarekonstruktionen zu erstellen.
Dansgaard-Oeschger (DO)-Ereignisse sind kurzfristige Klimaschwankungen über
einige hunderte oder wenige tausende Jahre, welche vor allem während der marinen
Isotopenstufe 3 (MIS 3MIS 3"MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. "MIS 3" bedeutet dabei eine kurzzeitige Warmphase (beginnend vor 57 Tausend Jahren) während der letzten Eiszeit., ca. 60 - 30 ka BPka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr.) auftraten. Obwohl erste Beweise für die
Ereignisse in grönländischen Eisbohrkernen entdeckt wurden, sind sie mittlerweile global
nachweisbar. DO-Ereignisse zeichnen sich durch eine rasche Erwärmung, gefolgt von
gradueller Abkühlung aus, während das MIS 3 generell als eine kältere Periode definiert
ist. Daher wurde die Tatsache, dass bisher kaum zentraleuropäische Speläotheme aus dem
MIS 3 gefunden wurden, mit zu kaltem oder trockenem Klima begründet. Im Rahmen
dieser Arbeit wurden drei MIS 3 Speläotheme aus der Bleßberg Höhle in Deutschland
detailliert untersucht. Durch die Kombination von lösungs-basierter und in-situ
Laserablation 230Th/UU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute.-DatierungDatierungUm einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung). konnte das komplexe Wachstum der Proben präzise
aufgeschlüsselt werden.
Es konnten mehrere Wachstumsepisoden im MIS 3 identifiziert werden, welche primär
zeitgleich zu DO-Ereignissen in Grönland auftraten. Die Wachstumsphasen wurde daher
als eigenständiger ProxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. für günstige Klimabedingungen für Speläothemwachstum
etabliert, d.h. Perioden mit ausreichender Boden- und Vegetationsbedeckung über der
Höhle und der Möglichkeit das Tropfwasser in die Höhle gelangt. Darüber hinaus wurde
eine multi-ProxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. Analyse durchgeführt mit dem Ziel möglichst vielfältige Informationen
über das MIS 3 in Mitteleuropa zu erhalten. Ein langfristiger Trend zeigt die generelle
Verschlechterung des Klimas mit Fortschreiten des MIS 3 auf. Eine besonders warme und
kontinuierliche Wachstumsphase trat zeitgleich mit DO14 auf. Außerdem wurden zwei
kurzzeitige Kälteereignisse innerhalb des DO14 aufgezeichnet, welches die hohe
Sensitivität der Speläotheme aus der Bleßberg Höhle verdeutlicht.
Weitere kurzzeitige Klimaereignisse wurden während des spätglazialen Teils der SpeläothemSpeläothemSekundäre Mineralablagerungen in Höhlen, wie Sinter, Stalagmiten, Stalaktiten, usw.-Proben (ca. 14,5 - 1,7 ka BP) aufgezeichnet und ein hochauflösender multi-
Proxy-Datensatz, der das HolozänHolozänDer jüngste Abschnitt der geologischen Zeitgeschichte, etwa die letzten 11.700 Jahre. (11,7 ka BP - rezent) bis 0,6 ka BP abdeckt, wurde
erstellt.
@proceedings{klose2023poster,
title = {Timing of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany},
author = {J. Klose and D. Scholz and M. Weber and H. Vonhof and B. Plessen and S. Breitenbach and N. Marwan},
editor = {Summer School on Speleothem Sciences 2023, Sao Paulo},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2024/09/klose_SummerschoolSaoPaulo2023.pdf},
year = {2023},
date = {2023-08-07},
urldate = {2023-08-07},
abstract = {The last glacial period and especially Marine Isotope stage 3 (MIS 3, ca. 57 - 27 ka) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 230Th/U dating. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events in central Europe.},
howpublished = {Poster},
note = {Summer School on Speleothem Sciences 2023, Sao Paulo},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {proceedings}
}
The last glacial period and especially Marine IsotopeIsotopChemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben. stage 3 (MIS 3, ca. 57 - 27 kaka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr.) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 230Th/U dating. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events in central Europe.
Klose, J.; Scholz, D.; Weber, M.; Vonhof, H.; Plessen, B.; Breitenbach, S.; Marwan, N.
Timing and progression of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany Konferenzberichte
@proceedings{klose2023,
title = {Timing and progression of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany},
author = {J. Klose and D. Scholz and M. Weber and H. Vonhof and B. Plessen and S. Breitenbach and N. Marwan},
editor = {XXI INQUA Conference, Rome (Italy)},
year = {2023},
date = {2023-07-19},
urldate = {2023-07-19},
abstract = {Speleothems can be dated with unprecedented precision using U-series disequilibrium methods and provide numerous climate proxies, such as stable oxygen (δ18O) and carbon isotopes (δ13C) or trace elements, resulting in long, sometimes continuous climate proxy records. Therefore, speleothems have great potential for reconstruction of past climate variability during Marine Isotope Stage (MIS) 3 and precise determination of the timing and duration of Dansgaard-Oeschger (D/O) events. While first discovered in Greenland ice cores, various speleothem records around the globe provided clear evidence for the supra-regional character of the D/O events. However, MIS 3 speleothem records from Central Europe are very limited. Here we present three spleothem (flowstone) MIS 3 records from Bleßberg Cave, Germany.
All flowstones show episodic growth with distinctive, partially very thin (<2 mm) growth phases, interrupted by visible hiatuses consisting of detrital material. Precise and accurate 230Th/U dating of the individual growth phases is challenging due to potential detrital contamination from these layers. Combining different sampling and analytical techniques, we were able to date even the thinnest growth layers with very high precision, i.e., 2σ-age uncertainties of at most a few hundred years.
The timing of the growth phases aligns with several D/O events, which have not been recorded in other Central European speleothems yet. The δ18O and δ13C records of all three flowstones are highly correlated which suggests a dominant process influencing both isotope systems. Comparison with the Sr and Mg records provides evidence for a strong influence of Prior Calcite Precipitation (PCP) in the aquifer above and inside the cave on the stable isotope and trace element signals. In addition, all proxy records are interpreted as evidence for past changes in precipitation and vegetation density and document a clear trend from more humid climate during early MIS 3 (ca. 57 – 50 ka) to less humid conditions during mid and late MIS 3 (ca. 45 – 30 ka).
Our multi-proxy approach thus allows us not only to precisely determine the timing, duration, and progression of several D/O events, but also to deepen our general understanding of climate variability during MIS 3 in Central Europe.},
howpublished = {Poster},
note = {XXI INQUA Conference, Rome (Italy)},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {proceedings}
}
Speleothems can be dated with unprecedented precision using U-series disequilibrium methods and provide numerous climate proxiesProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet., such as stable oxygen (δ18O) and carbon isotopes (δ13C) or trace elements, resulting in long, sometimes continuous climate proxy records. Therefore, speleothems have great potential for reconstruction of past climate variability during Marine Isotope Stage (MISMIS"MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. Die MIS werden rückwärts nummeriert (also größere Zahl = älter) und ungerade Zahlen stehen für Warmzeiten, gerade für Kaltzeiten.) 3 and precise determination of the timing and duration of Dansgaard-Oeschger (D/O) events. While first discovered in Greenland ice cores, various speleothem records around the globe provided clear evidence for the supra-regional character of the D/O events. However, MIS 3 speleothem records from Central Europe are very limited. Here we present three spleothem (flowstone) MIS 3 records from Bleßberg Cave, Germany.
All flowstones show episodic growth with distinctive, partially very thin (<2 mm) growth phases, interrupted by visible hiatuses consisting of detrital material. Precise and accurate 230Th/U dating of the individual growth phases is challenging due to potential detrital contamination from these layers. Combining different sampling and analytical techniques, we were able to date even the thinnest growth layers with very high precision, i.e., 2σ-age uncertainties of at most a few hundred years.
The timing of the growth phases aligns with several D/O events, which have not been recorded in other Central European speleothems yet. The δ18O and δ13C records of all three flowstones are highly correlated which suggests a dominant process influencing both isotope systems. Comparison with the Sr and Mg records provides evidence for a strong influence of Prior Calcite Precipitation (PCP) in the aquifer above and inside the cave on the stable isotope and trace element signals. In addition, all proxy records are interpreted as evidence for past changes in precipitation and vegetation density and document a clear trend from more humid climate during early MIS 3 (ca. 57 – 50 ka) to less humid conditions during mid and late MIS 3 (ca. 45 – 30 ka).
Our multi-proxy approach thus allows us not only to precisely determine the timing, duration, and progression of several D/O events, but also to deepen our general understanding of climate variability during MIS 3 in Central Europe.
@proceedings{klose2022,
title = {Timing of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany},
author = {J. Klose and M. Weber and H. Vonhof and B. Plessen and S. Breitenbach and N. Marwan and D. Scholz},
editor = {KR9 in Innsbruck, 2022},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2024/09/klose_KR9-Innsbruck2022.pdf},
year = {2022},
date = {2022-07-19},
urldate = {2022-07-19},
abstract = {The last glacial period and especially Marine Isotope stage 3 (MIS 3, ca. 57 - 27 ka) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 230Th/U dating. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events in central Europe.},
howpublished = {Poster},
note = {KR9 Konferenz in Innsbruck},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {proceedings}
}
The last glacial period and especially Marine Isotope stage 3 (MIS 3, ca. 57 - 27 ka) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 230Th/U dating. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events in central Europe.
Klose, Jennifer; Scholz, Denis; Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Vonhof, Hubert
Determination of phases of warm climate during MIS 3 in Central Europe based on precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany Konferenzberichte
Poster, 2021, (GeoKarlsruhe 2021: Sustainable Earth – From processes to resources, Karlsruhe).
@proceedings{klose2021,
title = {Determination of phases of warm climate during MIS 3 in Central Europe based on precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany},
author = {Jennifer Klose and Denis Scholz and Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Hubert Vonhof},
editor = {GeoKarlsruhe 2021: Sustainable Earth – From processes to resources},
year = {2021},
date = {2021-09-22},
urldate = {2021-09-22},
abstract = {Speleothems provide a great opportunity for paleoclimate reconstruction because they occur almost worldwide and can be dated very precisely using the U-series disequilibrium method. The most commonly used climate proxies are stable isotope values (δ18O and δ13C) and trace elements. However, these are influenced by a variety of surface and in-cave processes, which results in a non-trivial interpretation of the speleothem proxy signals.
The last glacial period and in particular the Marine Isotope Stage (MIS) 3 is, compared to the recent warm phase, the Holocene, characterised by larger climate oscillations. These are detectable in δ18O records from Greenland ice cores and also climate archives in Europe, such as pollen or tree ring records. Unfortunately, little direct proxy evidence is available from central Europe, and the climatic and environmental conditions during MIS 3 remain largely enigmatic. Speleothem records from central Europe during MIS 3 are limited due to cold climate conditions and mainly restricted to the warmer southern or alpine regions.
Here we present the first results of two flowstones from Bleßberg Cave in Germany. Preliminary 230Th/U-ages make these flowstones the most northern continental growth of speleothems during MIS 3 in central Europe. Thus, these samples provide the unique opportunity to reconstruct climate variability during parts of the last glacial period. With the combination of several different proxies, such as stable isotopes, trace elements and the results from cave monitoring, we will be able to obtain detailed insights into environmental conditions in central Europe during MIS 3 and the Late Glacial.},
howpublished = {Poster},
note = {GeoKarlsruhe 2021: Sustainable Earth – From processes to resources, Karlsruhe},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {proceedings}
}
Speleothems provide a great opportunity for paleoclimate reconstruction because they occur almost worldwide and can be dated very precisely using the U-series disequilibrium method. The most commonly used climate proxies are stable isotope values (δ18O and δ13C) and trace elements. However, these are influenced by a variety of surface and in-cave processes, which results in a non-trivial interpretation of the speleothem proxy signals.
The last glacial period and in particular the Marine Isotope Stage (MIS) 3 is, compared to the recent warm phase, the Holocene, characterised by larger climate oscillations. These are detectable in δ18O records from Greenland ice cores and also climate archives in Europe, such as pollen or tree ring records. Unfortunately, little direct proxy evidence is available from central Europe, and the climatic and environmental conditions during MIS 3 remain largely enigmatic. Speleothem records from central Europe during MIS 3 are limited due to cold climate conditions and mainly restricted to the warmer southern or alpine regions.
Here we present the first results of two flowstones from Bleßberg Cave in Germany. Preliminary 230Th/U-ages make these flowstones the most northern continental growth of speleothems during MIS 3 in central Europe. Thus, these samples provide the unique opportunity to reconstruct climate variability during parts of the last glacial period. With the combination of several different proxies, such as stable isotopes, trace elements and the results from cave monitoring, we will be able to obtain detailed insights into environmental conditions in central Europe during MIS 3 and the Late Glacial.
Wachstumsphasen der Bleßberg-Tropfsteine im Vergleich zu anderen Klimadaten.
(a) Rekonstruktion des antarktischen Bodenwassers (AABW) basierend auf Pa/Th-Daten aus dem Bohrkern CDH19 von der Bermuda Rise (dunkel-türkise Linie).
(b) Rekonstruktion des Meeresspiegels im Roten Meer (dunkelblaue Linie).
(c) Rekonstruktion der Meereisbedeckung im Nordatlantik, basierend auf PbIP25 (ein Isoprenoid-Lipid) aus der südöstlichen Norwegischen See (hell-türkise Linie mit Dreiecken).
(d) Sommerliche Oberflächentemperaturen (SST) basierend auf Alkenon-Messungen aus Bohrkern MD01-2444 am Iberischen Rand (37°N, schwarze Linie).
(e, f) und (g): Rekonstruktionen der Vegetation, basierend auf Pollendaten von Süßgräsern (grün), Fichten (dunkelgrün) und Hainbuchen (gelb-grün) aus verschiedenen Eifel-Maar-Bohrkernen (AU3, AU4, HM4).
(h) Eistrümmer-Ablagerungen (IRD) aus Bohrkern MD01-2040 am Iberischen Rand (40°N, hellorange).
(i) Kombinierte relative Häufigkeit des Wachstums aller drei Bleßberg-Tropfsteinproben mit mehr als 30 % positiven Steigungen im AltersmodellAltersmodellNach der Datierung eines Stalagmiten werden allen anderen Messungen (z. B. Isotopenverhältnisse), die ursprünglich entlang einer Längen-Achse durchgeführt wurden, ein Alter zugeordnet. (rot). Die Vor- und Nachlaufzeiten zwischen dem Beginn der DO-Ereignisse in Grönland und dem Beginn des Tropfsteinwachstums in der Bleßberg-Höhle sind angegeben. DO-Ereignisse (grau) und Heinrich-Ereignisse (blau) sind durch farbige Balken markiert.
Diese wissenschaftliche Untersuchung analysiert Tropfstein-Wachstumsphasen in der Bleßberg-Höhle anhand der Sinterproben BB-9, BB-10 und BB-15, um klimatische Veränderungen während der Marine-Isotopenstufe 3 (MIS 3), vor etwa 60.000 bis 30.000 Jahren, zu untersuchen. Die Tropfstein-Wachstumsphasen stimmen dabei mit warmen und feuchten Klimaphasen überein, die sogenannte Dansgaard-Oeschger-Ereignisse (DO-Ereignisse) markieren. Diese Ereignisse waren durch schnelle Erwärmungen während der letzten Eiszeit gekennzeichnet.
Insgesamt wurden neun Wachstumsphasen identifiziert, von denen acht mit DO-Ereignissen wie 16, 14–11 (60.14 – 48.55 ka BP) und 8–6 (38.12 – 32.82 ka BP) korrelieren. Diese Phasen traten während starker Meeresströmungen im Atlantik, warmen Meeresoberflächentemperaturen und reduzierter Meereisbedeckung auf. Besonders markant war die Wachstumsphase während DO14 (53.4 – 50.4 ka BP), dem längsten und wärmsten Ereignis von MIS 3. In dieser Zeit dominierte eine dichte Vegetation aus Picea- und Carpinus-Bäumen, was auf besonders günstige klimatische Bedingungen in Mitteleuropa hindeutet.
Eine wichtige Rolle spielen die Analyse der Kohlenstoffisotopenwerte (δ13C) und Sauerstoffisotopenwerte (δ18O) sowie von Calcium-IsotopenIsotopChemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben. (δ44/42Ca). Die δ13C-Werte zeigen im Verlauf von MIS 3 einen Trend zu höheren Werten, was auf trockenere Bedingungen und eine weniger entwickelte Boden- und Vegetationsdecke hinweist. Calcium-Isotopen bestätigen ebenfalls den Trend zu einem trockeneren Klima, da Calcium bereits vor der Tropfsteinbildung ausfällt, was unter trockenen Bedingungen häufiger vorkommt. Die Untersuchung der Vegetation zeigt, dass sich diese von nicht-holzigen Pflanzen zu einer holzigen Vegetation entwickelte, besonders um 53.000 bis 51.000 Jahre vor heute. Später kehrte sie wieder zu nicht-holzigen Pflanzen zurück, was auf trockener werdende Bedingungen hindeutet. Die Sauerstoffisotopenδ18ODer Atomkern des Sauerstoffs besteht aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an. zeigen ebenfalls einen Trend hin zu kälteren Bedingungen in den späteren Phasen von MIS 3.
Besonders während DO14 (ca. 53.500 bis 50.500 Jahre vor heute) gab es ein warmes, feuchtes Klima mit gut entwickelten Böden und dichter Vegetation. Dies ermöglichte ein kontinuierliches Tropfsteinwachstum. Am Ende dieser Phase traten zwei Kälteereignisse auf, die zu einem Rückgang der Vegetation und trockeneren, kälteren Bedingungen führten.
Insgesamt zeigen die Tropfstein-Daten aus der Bleßberg-Höhle wichtige Hinweise auf das Klima während MIS 3 und verdeutlichen, dass wechselnde Phasen von Feuchtigkeit und Trockenheit das Wachstum der Tropfsteine beeinflussten.
@article{zhang2024,
title = {Isothermal thermoluminescence dating of speleothem growth – A case study from Bleßberg cave 2,},
author = {Junjie Zhang and Jennifer Klose and Denis Scholz and Norbert Marwan and Sebastian F. M. Breitenbach and Lutz Katzschmann and Dennis Kraemer and Sumiko Tsukamoto},
doi = {10.1016/j.quageo.2024.101628},
year = {2024},
date = {2024-09-21},
urldate = {2024-09-21},
journal = {Quaternary Geochronology},
volume = {85},
pages = {101628},
abstract = {Speleothems are a key archive of past climatic and environmental changes. 230Th/U dating is the most commonly used method to determine speleothem ages. However, incorporation of non-radiogenic thorium may hamper 230Th/U dating, and samples older than 600 ka also remain out-of-reach. Calcite exhibits a thermoluminescence (TL) signal at 280 °C with a high characteristic saturation dose, and provides significant potential to date carbonate samples over several million years. Hitherto, the application of TL dating for calcite has mainly been hindered by two factors: 1) a spurious TL signal occurring in the high temperature range, and 2) non-uniform dose rate due to U-series disequilibrium. Here we test an isothermal TL (ITL) dating method on a speleothem sample from Bleßberg cave 2, Germany. We show that the ITL signal measured at 240 °C can completely remove the 280 °C TL peak with a negligible TL contribution from the higher temperature range, thus reducing the influence from the spurious signal. The time-dependent dose rate variation can be simulated using the initial radioactivity of 238U, 234U, 230Th and their decay constants. We use the 230Th/U dating method to provide precise and accurate radiometric ages documenting that the speleothem grew between 425.5 ± 5.4 and 320.5 ± 9.7 ka. The ITL ages (421 ± 23 to 311 ± 23 ka) of four subsamples from the speleothem are consistent with the 230Th/U ages at isochronous sampling positions, showing the general reliability of the ITL dating method. ITL dating provides a pathway to construct chronologies for palaeoclimate reconstructions for speleothems beyond the range of the 230Th/U-method and for samples that are unsuitable for U-series dating methods.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {article}
}
Speleothems are a key archive of past climatic and environmental changes. 230Th/UU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute. dating is the most commonly used method to determine speleothem ages. However, incorporation of non-radiogenic thorium may hamper 230Th/U dating, and samples older than 600 kaka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr. also remain out-of-reach. Calcite exhibits a thermoluminescence (TL) signal at 280 °C with a high characteristic saturation dose, and provides significant potential to date carbonate samples over several million years. Hitherto, the application of TL dating for calcite has mainly been hindered by two factors: 1) a spurious TL signal occurring in the high temperature range, and 2) non-uniform dose rate due to U-series disequilibrium. Here we test an isothermal TL (ITL) dating method on a speleothem sample from Bleßberg cave 2, Germany. We show that the ITL signal measured at 240 °C can completely remove the 280 °C TL peak with a negligible TL contribution from the higher temperature range, thus reducing the influence from the spurious signal. The time-dependent dose rate variation can be simulated using the initial radioactivity of 238U, 234U, 230Th and their decay constants. We use the 230Th/U dating method to provide precise and accurate radiometric ages documenting that the speleothem grew between 425.5 ± 5.4 and 320.5 ± 9.7 ka. The ITL ages (421 ± 23 to 311 ± 23 ka) of four subsamples from the speleothem are consistent with the 230Th/U ages at isochronous sampling positions, showing the general reliability of the ITL dating method. ITL dating provides a pathway to construct chronologies for palaeoclimate reconstructions for speleothems beyond the range of the 230Th/U-method and for samples that are unsuitable for U-series dating methods.
@phdthesis{klose2023phd,
title = {Quantitative multi-proxy climate reconstruction for MIS 3 in Central Europe based on precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany},
author = {Jennifer Klose},
editor = {Johannes Gutenberg University Mainz},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2024/09/Klose_Thesis_Jennifer-Klose.pdf},
doi = {10.25358/openscience-10558},
year = {2024},
date = {2024-05-01},
urldate = {2024-05-01},
abstract = {Speläotheme zeichnen sich als sensitive Klimaarchive aus und haben sich in letzten
Jahrzehnten als solche etabliert. Sie haben das Potential wertvolle Informationen über das
Paläoklima kontinuierlich aufzuzeichnen und können mit den Uran-
Ungleichgewichtsmethoden präzise datiert werden. Das Berechnen von unabhängigen
Altersmodellen kombiniert mit Analysen verschiedener Klimaproxys, wie δ18O und δ13C,
Spurenelementen oder Tropfwassereinschlüssen ermöglicht es, hochaufgelöste
Paläoklimarekonstruktionen zu erstellen.
Dansgaard-Oeschger (DO)-Ereignisse sind kurzfristige Klimaschwankungen über
einige hunderte oder wenige tausende Jahre, welche vor allem während der marinen
Isotopenstufe 3 (MIS 3, ca. 60 - 30 ka BP) auftraten. Obwohl erste Beweise für die
Ereignisse in grönländischen Eisbohrkernen entdeckt wurden, sind sie mittlerweile global
nachweisbar. DO-Ereignisse zeichnen sich durch eine rasche Erwärmung, gefolgt von
gradueller Abkühlung aus, während das MIS 3 generell als eine kältere Periode definiert
ist. Daher wurde die Tatsache, dass bisher kaum zentraleuropäische Speläotheme aus dem
MIS 3 gefunden wurden, mit zu kaltem oder trockenem Klima begründet. Im Rahmen
dieser Arbeit wurden drei MIS 3 Speläotheme aus der Bleßberg Höhle in Deutschland
detailliert untersucht. Durch die Kombination von lösungs-basierter und in-situ
Laserablation 230Th/U-Datierung konnte das komplexe Wachstum der Proben präzise
aufgeschlüsselt werden.
Es konnten mehrere Wachstumsepisoden im MIS 3 identifiziert werden, welche primär
zeitgleich zu DO-Ereignissen in Grönland auftraten. Die Wachstumsphasen wurde daher
als eigenständiger Proxy für günstige Klimabedingungen für Speläothemwachstum
etabliert, d.h. Perioden mit ausreichender Boden- und Vegetationsbedeckung über der
Höhle und der Möglichkeit das Tropfwasser in die Höhle gelangt. Darüber hinaus wurde
eine multi-Proxy Analyse durchgeführt mit dem Ziel möglichst vielfältige Informationen
über das MIS 3 in Mitteleuropa zu erhalten. Ein langfristiger Trend zeigt die generelle
Verschlechterung des Klimas mit Fortschreiten des MIS 3 auf. Eine besonders warme und
kontinuierliche Wachstumsphase trat zeitgleich mit DO14 auf. Außerdem wurden zwei
kurzzeitige Kälteereignisse innerhalb des DO14 aufgezeichnet, welches die hohe
Sensitivität der Speläotheme aus der Bleßberg Höhle verdeutlicht.
Weitere kurzzeitige Klimaereignisse wurden während des spätglazialen Teils der
Speläothem-Proben (ca. 14,5 - 1,7 ka BP) aufgezeichnet und ein hochauflösender multi-
Proxy-Datensatz, der das Holozän (11,7 ka BP - rezent) bis 0,6 ka BP abdeckt, wurde
erstellt.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {phdthesis}
}
SpeläothemeSpeläothemSekundäre Mineralablagerungen in Höhlen, wie Sinter, Stalagmiten, Stalaktiten, usw. zeichnen sich als sensitive Klimaarchive aus und haben sich in letzten
Jahrzehnten als solche etabliert. Sie haben das Potential wertvolle Informationen über das
Paläoklima kontinuierlich aufzuzeichnen und können mit den Uran-
Ungleichgewichtsmethoden präzise datiert werden. Das Berechnen von unabhängigen AltersmodellenAltersmodellNach der Datierung eines Stalagmiten werden allen anderen Messungen (z. B. Isotopenverhältnisse), die ursprünglich entlang einer Längen-Achse durchgeführt wurden, ein Alter zugeordnet. kombiniert mit Analysen verschiedener Klimaproxys, wie δ18O und δ13C,
Spurenelementen oder Tropfwassereinschlüssen ermöglicht es, hochaufgelöste
Paläoklimarekonstruktionen zu erstellen.
Dansgaard-Oeschger (DO)-Ereignisse sind kurzfristige Klimaschwankungen über
einige hunderte oder wenige tausende Jahre, welche vor allem während der marinen
Isotopenstufe 3 (MIS 3MIS 3"MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. "MIS 3" bedeutet dabei eine kurzzeitige Warmphase (beginnend vor 57 Tausend Jahren) während der letzten Eiszeit., ca. 60 - 30 ka BPka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr.) auftraten. Obwohl erste Beweise für die
Ereignisse in grönländischen Eisbohrkernen entdeckt wurden, sind sie mittlerweile global
nachweisbar. DO-Ereignisse zeichnen sich durch eine rasche Erwärmung, gefolgt von
gradueller Abkühlung aus, während das MIS 3 generell als eine kältere Periode definiert
ist. Daher wurde die Tatsache, dass bisher kaum zentraleuropäische Speläotheme aus dem
MIS 3 gefunden wurden, mit zu kaltem oder trockenem Klima begründet. Im Rahmen
dieser Arbeit wurden drei MIS 3 Speläotheme aus der Bleßberg Höhle in Deutschland
detailliert untersucht. Durch die Kombination von lösungs-basierter und in-situ
Laserablation 230Th/U-DatierungDatierungUm einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung). konnte das komplexe Wachstum der Proben präzise
aufgeschlüsselt werden.
Es konnten mehrere Wachstumsepisoden im MIS 3 identifiziert werden, welche primär
zeitgleich zu DO-Ereignissen in Grönland auftraten. Die Wachstumsphasen wurde daher
als eigenständiger ProxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. für günstige Klimabedingungen für Speläothemwachstum
etabliert, d.h. Perioden mit ausreichender Boden- und Vegetationsbedeckung über der
Höhle und der Möglichkeit das Tropfwasser in die Höhle gelangt. Darüber hinaus wurde
eine multi-ProxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. Analyse durchgeführt mit dem Ziel möglichst vielfältige Informationen
über das MIS 3 in Mitteleuropa zu erhalten. Ein langfristiger Trend zeigt die generelle
Verschlechterung des Klimas mit Fortschreiten des MIS 3 auf. Eine besonders warme und
kontinuierliche Wachstumsphase trat zeitgleich mit DO14 auf. Außerdem wurden zwei
kurzzeitige Kälteereignisse innerhalb des DO14 aufgezeichnet, welches die hohe
Sensitivität der Speläotheme aus der Bleßberg Höhle verdeutlicht.
Weitere kurzzeitige Klimaereignisse wurden während des spätglazialen Teils der SpeläothemSpeläothemSekundäre Mineralablagerungen in Höhlen, wie Sinter, Stalagmiten, Stalaktiten, usw.-Proben (ca. 14,5 - 1,7 ka BP) aufgezeichnet und ein hochauflösender multi-
Proxy-Datensatz, der das HolozänHolozänDer jüngste Abschnitt der geologischen Zeitgeschichte, etwa die letzten 11.700 Jahre. (11,7 ka BP - rezent) bis 0,6 ka BP abdeckt, wurde
erstellt.
@misc{zhang2023,
title = {Isothermal thermoluminescence (ITL) dating of a speleothem from Bleßberg Cave},
author = {J. Zhang and J. Klose and M. Sierralta and S. Tsukamoto and D. Scholz and N. Marwan and S. Breitenbach},
editor = {17th International Luminescence and Electron Spin Resonance Dating conference (LED2023), Copenhagen (Denmark)},
year = {2023},
date = {2023-06-29},
urldate = {2023-06-29},
abstract = {The calcite thermoluminescence (TL) signal (280 °C peak) saturates at much higher doses (saturation dose up to 5000 Gy) compared to quartz and feldspar, which shows great potential to extend the dating limit. However, spurious TL signal occurred at the high temperature range hindered its application. The conventional multiple-aliquot additive-dose (MAAD) protocol used for TL dating applies extrapolation for equivalent dose (De) estimation, which also has large error. Isothermal TL (ITL) dating with the single-aliquot regenerative-dose (SAR) protocol might be a promising way as it reduces the influence of the spurious TL signal, and it applies interpolation to obtain the De. However, this protocol has not been tested on samples with independent age control.
This study tests the ITL SAR dating protocol on a speleothem sample from Bleßberg cave, which has been accurately dated with 230Th/U (ca. 320–425 ka). ITL measurement at 235 °C for 200 °C can remove the 280 °C TL peak completely without TL contribution from higher temperature range. ITL De shows a plateau when the ITL temperature varies between 230 °C and 240 °C. Peak shifting and isothermal annealing tests indicate the 280 °C TL peak has a lifetime of tens of millions years at 10 °C, which is stable enough for the age range of this speleothem sample. The accurate alpha efficiency (α-value) and the U, Th distribution within the sample are measured to estimate the dose rate. The dose rate variation with time due to U-series disequilibrium is corrected for. The ITL ages are compared with the 230Th/U ages to evaluate the performance of the ITL dating protocol.},
note = {17th International Luminescence and Electron Spin Resonance Dating conference (LED2023), Copenhagen (Denmark)},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {presentation}
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The calcite thermoluminescence (TL) signal (280 °C peak) saturates at much higher doses (saturation dose up to 5000 Gy) compared to quartz and feldspar, which shows great potential to extend the dating limit. However, spurious TL signal occurred at the high temperature range hindered its application. The conventional multiple-aliquot additive-dose (MAAD) protocol used for TL dating applies extrapolation for equivalent dose (De) estimation, which also has large error. Isothermal TL (ITL) dating with the single-aliquot regenerative-dose (SAR) protocol might be a promising way as it reduces the influence of the spurious TL signal, and it applies interpolation to obtain the De. However, this protocol has not been tested on samples with independent age control.
This study tests the ITL SAR dating protocol on a speleothem sample from Bleßberg cave, which has been accurately dated with 230Th/U (ca. 320–425 ka). ITL measurement at 235 °C for 200 °C can remove the 280 °C TL peak completely without TL contribution from higher temperature range. ITL De shows a plateau when the ITL temperature varies between 230 °C and 240 °C. Peak shifting and isothermal annealing tests indicate the 280 °C TL peak has a lifetime of tens of millions years at 10 °C, which is stable enough for the age range of this speleothem sample. The accurate alpha efficiency (α-value) and the U, Th distribution within the sample are measured to estimate the dose rate. The dose rate variation with time due to U-series disequilibrium is corrected for. The ITL ages are compared with the 230Th/U ages to evaluate the performance of the ITL dating protocol.
@bachelorthesis{kuehne2023,
title = {Spurenelementanalyse eines Speläothems der Marinen Isotopenstadien 9 und 11 aus der Blessberghöhle},
author = {Sofia Kühne},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2024/09/Bachelorarbeit_Sofia_Kuehne_2753456.pdf},
year = {2023},
date = {2023-01-01},
urldate = {2023-01-01},
school = {Johannes-Gutenberg-Universität Mainz},
abstract = {Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem Speläothem aus der Blessberghöhle in Thüringen. Diese Probe hatte jeweils eine Wachstumsphase während des Marinen Isotopenstadiums 11 und während des Marinen Isotopenstadiums 9. Dazwischen scheint es zu einem Wachstumsstopp gekommen zu sein. Die Probe wurde bereits datiert und auf Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope untersucht, wobei im Rahmen dieser Arbeit zusätzlich die Spurenelemente gemessen wurden. Durch die Interpretation dieser Daten lassen sich Schlüsse über das Klima ziehen. Allerdings ist die genaue Analyse der Daten komplex, weshalb der Vergleich mit globalen Klimatrends von großer Bedeutung ist.
Für das MIS 11 deuten die Daten auf eine sich verändernde Umwelt in Richtung trockeneres und vegetationsärmeres Klima hin, das aufgrund der abflachenden globalen Temperatur zu dieser Zeit erklärt werden kann. Es lässt sich anhand von einer schnelleren Wachstumsrate auf erhöhten Niederschlag während des Wachstums schließen, im Gegensatz zum MIS 9. Im Bezug auf das MIS 9 sind keine eindeutigen Schlussfolgerungen möglich, doch das stabile Verhalten der Werte lässt darauf schließen, dass das Klima während des Höhepunkts des MIS 9-Wachstums (9e) nur geringe Veränderungen aufwies. Diese sind nicht eindeutig zu interpretieren, da unterschiedliche Argumente für oder gegen Vegetationswachstum und Niederschlagsmengen vorliegen.
Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Interpretation der vorliegenden Daten Unsicherheiten birgt. Zusätzliche Informationen wie ein Vergleich zu Proben aus der Höhle, die zur gleichen Zeit wuchsen, sowie mehr Wissen über lokale Faktoren, die die Höhlenbedingungen beeinflusst haben und weitere Altersdatierungen könnten zu einer akkurateren Deutung führen. Daher wären weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die aufgestellten Vermutungen zu verifizieren und um ein umfassenderes Bild der vergangenen Gegebenheiten zu erhalten.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {bachelorthesis}
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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem Speläothem aus der Blessberghöhle in Thüringen. Diese Probe hatte jeweils eine Wachstumsphase während des Marinen Isotopenstadiums 11 und während des Marinen Isotopenstadiums 9. Dazwischen scheint es zu einem Wachstumsstopp gekommen zu sein. Die Probe wurde bereits datiert und auf Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope untersucht, wobei im Rahmen dieser Arbeit zusätzlich die SpurenelementeSpurenelementEin Spurenelement ist ein chemisches Element genannt, das nur in geringer Konzentration in einer Probe vorhanden ist. Tropfsteine bestehen fast ausschließlich aus Kalziumkarbonat, also aus den Elementen Kalzium, Kohlenstoff und Sauerstoff. Andere Elemente kommen nur in sehr geringen Konzentrationen vor, sind aber vorhanden. Deren Konzentration hängt oft von den während der Entstehung des Tropfsteins herrschenden Umweltbedingungen ab. gemessen wurden. Durch die Interpretation dieser Daten lassen sich Schlüsse über das Klima ziehen. Allerdings ist die genaue Analyse der Daten komplexKomplexe SystemeKomplexe Systeme bestehen aus sehr vielen Komponenten, die auch miteinander wechselwirken, zeigen unvorhersagbares Verhalten und können trotzdem charakteristische Muster hervorrufen (weshalb sie sich deutlich von rein zufälligen Systemen unterscheiden)., weshalb der Vergleich mit globalen Klimatrends von großer Bedeutung ist.
Für das MISMIS"MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. Die MIS werden rückwärts nummeriert (also größere Zahl = älter) und ungerade Zahlen stehen für Warmzeiten, gerade für Kaltzeiten. 11 deuten die Daten auf eine sich verändernde Umwelt in Richtung trockeneres und vegetationsärmeres Klima hin, das aufgrund der abflachenden globalen Temperatur zu dieser Zeit erklärt werden kann. Es lässt sich anhand von einer schnelleren Wachstumsrate auf erhöhten Niederschlag während des Wachstums schließen, im Gegensatz zum MIS 9. Im Bezug auf das MIS 9 sind keine eindeutigen Schlussfolgerungen möglich, doch das stabile Verhalten der Werte lässt darauf schließen, dass das Klima während des Höhepunkts des MIS 9-Wachstums (9e) nur geringe Veränderungen aufwies. Diese sind nicht eindeutig zu interpretieren, da unterschiedliche Argumente für oder gegen Vegetationswachstum und Niederschlagsmengen vorliegen.
Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Interpretation der vorliegenden Daten Unsicherheiten birgt. Zusätzliche Informationen wie ein Vergleich zu Proben aus der Höhle, die zur gleichen Zeit wuchsen, sowie mehr Wissen über lokale Faktoren, die die Höhlenbedingungen beeinflusst haben und weitere Altersdatierungen könnten zu einer akkurateren Deutung führen. Daher wären weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die aufgestellten Vermutungen zu verifizieren und um ein umfassenderes Bild der vergangenen Gegebenheiten zu erhalten.
@bachelorthesis{geier2022,
title = {^{230}Th/U – Datierung eines Speläothems der Marinen Isotopenstadien 9 und 11 aus der Bleßberghöhle in Thüringen},
author = {Florian Geier},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2024/09/Bachelorarbeit-Florian-Geier-2744515.pdf},
year = {2022},
date = {2022-06-01},
urldate = {2022-06-01},
school = {Johannes-Gutenberg-Universität Mainz},
abstract = {Im Zuge des gegenwärtigen Klimawandels gewinnen Rekonstruktionen des vergangenen Klimas zunehmend an Bedeutung, da durch sie klimatische Entwicklungen besser verstanden werden können. Speläotheme bilden ein terrestrisches Archiv, welche mittels der 230Th/U-Datierung absolut und sehr präzise datiert werden können. Die datierten Wachstumsphasen von Speläothemen liefern unmittelbar Rückschlüsse auf vergangene klimatische Gegebenheiten, da ihr Wachstum von der Tropfwasser- und damit der Niederschlagswasserverfügbarkeit abhängen. Aus diesen Wachstumsphasen lassen sich wärmere und feuchtere Zeiträume abgrenzen (Interglaziale). Der Stalagmit BB2‘1 aus der Bleßberghöhle im südlichen Thüringen wurde mit dieser Methode datiert. Sein Wachstum fand in den Interglazialen Marines Isoptenstadium (MIS) 11e-c und MIS 9e statt. Besonders im MIS 11e wurde viel Wachstum des BB2‘1 verzeichnet. Im Vergleich mit anderen Klimaarchiven können die klimatischen Bedingungen um die Bleßberghöhle in einen globalen Kontext gesetzt werden. Es zeigt sich, dass das Klima um die Bleßberghöhle an globale, klimatische Veränderungen gekoppelt war und sehr früh auf diese reagierte.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {bachelorthesis}
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Im Zuge des gegenwärtigen Klimawandels gewinnen Rekonstruktionen des vergangenen Klimas zunehmend an Bedeutung, da durch sie klimatische Entwicklungen besser verstanden werden können. Speläotheme bilden ein terrestrisches Archiv, welche mittels der 230Th/U-Datierung absolut und sehr präzise datiert werden können. Die datierten Wachstumsphasen von Speläothemen liefern unmittelbar Rückschlüsse auf vergangene klimatische Gegebenheiten, da ihr Wachstum von der Tropfwasser- und damit der Niederschlagswasserverfügbarkeit abhängen. Aus diesen Wachstumsphasen lassen sich wärmere und feuchtere Zeiträume abgrenzen (Interglaziale). Der Stalagmit BB2‘1 aus der Bleßberghöhle im südlichen Thüringen wurde mit dieser Methode datiert. Sein Wachstum fand in den Interglazialen Marines Isoptenstadium (MIS) 11e-c und MIS 9e statt. Besonders im MIS 11e wurde viel Wachstum des BB2‘1 verzeichnet. Im Vergleich mit anderen Klimaarchiven können die klimatischen Bedingungen um die Bleßberghöhle in einen globalen Kontext gesetzt werden. Es zeigt sich, dass das Klima um die Bleßberghöhle an globale, klimatische Veränderungen gekoppelt war und sehr früh auf diese reagierte.
@inproceedings{sierralta2015,
title = {Insights in Bleßberg cave: Speleothem chronology and geochemical research},
author = {Melanie Sierralta and Lutz Katzschmann and Wilhelm Nikonow and Dieter Rammlmair},
year = {2015},
date = {2015-03-23},
booktitle = {75. Jahrestagung der Deutsche Geophysikalische Gesellschaft in Hannover},
abstract = {During construction works on the railway network between Ebensfeld and Erfurt a karst cave was found in the Bleßberg tunnel. The so called „Bleßberg Cave“ developed in limestone of the Lower Muschelkalk. The investigations by the Geological Survey of Thuringia (TLUG), the mining agency of Thuringia, and the incorporated society of cave explorer in Thuringia revealed impressing objects (stalagmites, stalactites, sinter, excentriques, cave lake, cave creek), which were partly sampled; furthermore the extent of the cave was measured. The more than 1000 m long cave had no natural entrance. Based on interdisciplinary studies on the sampled material information about the development and age of the cave will be obtained. Speleothem represent an impressive and unique archive for climate and palaeoenvironmental changes. The growth of stalagmites can be linked to warm climate phases of past. In these warm stages, the growth of stalagmites depends on the precipitation and the water supply; thus palaeoenvironmental conditions are preserved. The aim of this study is to decode the environmental condi- tions using high resolution techniques. Selected stalagmites and sinters were radiometrically dated by 230Th/U and analysed for their stable isotopic compositions. Furthermore, micro-energy dispersive X-ray fluorescence analyses were performed to evaluate trace element dis- tribution and identify growth phases of the speleothem. Most elements revealed the layered texture of the specimen while distribution of Al recorded the fractures. Some visibly identified hiatuses could be associated with changes in chemistry (Si, Fe). The determined 230Th/U ages on several speleothem samples range between 6 ka and 360 ka. In combination with high res- olution stable isotope investigation they provide insights into climatic changes from MIS 11 to the Holocene.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
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During construction works on the railway network between Ebensfeld and Erfurt a karst cave was found in the Bleßberg tunnel. The so called „Bleßberg Cave“ developed in limestone of the Lower Muschelkalk. The investigations by the Geological Survey of Thuringia (TLUG), the mining agency of Thuringia, and the incorporated society of cave explorer in Thuringia revealed impressing objects (stalagmites, stalactites, sinter, excentriques, cave lake, cave creek), which were partly sampled; furthermore the extent of the cave was measured. The more than 1000 m long cave had no natural entrance. Based on interdisciplinary studies on the sampled material information about the development and age of the cave will be obtained. Speleothem represent an impressive and unique archive for climate and palaeoenvironmental changes. The growth of stalagmites can be linked to warm climate phases of past. In these warm stages, the growth of stalagmites depends on the precipitation and the water supply; thus palaeoenvironmental conditions are preserved. The aim of this study is to decode the environmental condi- tions using high resolution techniques. Selected stalagmites and sinters were radiometrically dated by 230Th/U and analysed for their stable isotopic compositions. Furthermore, micro-energy dispersive X-ray fluorescence analyses were performed to evaluate trace element dis- tribution and identify growth phases of the speleothem. Most elements revealed the layered texture of the specimen while distribution of Al recorded the fractures. Some visibly identified hiatuses could be associated with changes in chemistry (Si, Fe). The determined 230Th/U ages on several speleothem samples range between 6 ka and 360 ka. In combination with high res- olution stable isotopeIsotopChemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben. investigation they provide insights into climatic changes from MIS 11 to the Holocene.
Am BB2-1 aus der Bleßberghöhle 2 wurden bereits 2014/15 am LIAG einige erste Untersuchungen durchgeführt, wie Altersbestimmungen, erste SpurenelementSpurenelementEin Spurenelement ist ein chemisches Element genannt, das nur in geringer Konzentration in einer Probe vorhanden ist. Tropfsteine bestehen fast ausschließlich aus Kalziumkarbonat, also aus den Elementen Kalzium, Kohlenstoff und Sauerstoff. Andere Elemente kommen nur in sehr geringen Konzentrationen vor, sind aber vorhanden. Deren Konzentration hängt oft von den während der Entstehung des Tropfsteins herrschenden Umweltbedingungen ab.- und Sauerstoffisotopenδ18ODer Atomkern des Sauerstoffs besteht aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an.-Analysen. Dadurch war das ungefähre Alter des Stalagmiten bekannt: 360 bis 301 ka BP.
2022 wurde im Rahmen einer Bachelorarbeit an der Uni Mainz der Stalagmit BB2-1 systematisch datiert und die neuen Alter ausgewertet. Dafür wurden 14 Datierungsproben entnommen und in der Arbeitsgruppe Isotopengeochemische Paläoklimatologie der Uni Mainz mittels U/Th-DatierungU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute. auf einer moderneren Anlage als am LIAG datiert. Mögliche Verunreinigungen wurden berücksichtigt und die Alter entsprechend korrigiert. Die Alter sind daher deutlich genauer als die bereits bekannten.
Das älteste Alter wurde wie erwartet an der Basis des Stalagmiten gefunden. Es beträgt 425,46 ± 5,43 ka BP. Das jüngste Alter, an der Oberkante des Stalagmiten, beträgt 320,49 ± 9,58 ka BP. Die Alter dazwischen ändern sich nicht gleichmäßig. In den unteren 4/5 des Stalagmiten sind die Alter alle älter als 400 ka BP. Nur in dem oberen Fünftel sind die Alter deutlich jünger und liegen zwischen 341,31 und 320,49 ka BP.
Stalagmit BB2/1 mit Bohrstellen (rot) der einzelnen Proben mit den gemessenen und korrigierten Altern.
Damit lassen sich Wachstumsphasen des Stalagmiten definieren: Der untere, größere Teil ist im Isotopenstadium 11 gewachsen, der obere, jüngere Teil im Isotopenstadium 9. Bei beiden Stadien handelt es sich um Warmzeiten. In der Kaltzeit davor, dazwischen und danach ist der Stalgamit nicht gewachsen. Interessant ist, daß das Wachstum nur in den beginnenden Phasen der Warmzeiten stattfand, welche wärmer sind als die folgenden Phasen innerhalb des betreffenden Isotopenstadiums (Wachstum in MIS 11e bis 11c sowie in MIS 9e). Danach fand kein Stalagmitenwachstum mehr statt, auch nicht mehr in jüngeren Warmzeiten, was eine Änderung der hydrologischen Verhältnisse vermuten läßt.
@incollection{breitenbach_bbh2022,
title = {Die Bleßberghöhle – ein Glücksfall für die Klimaforschung},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Norbert Marwan},
editor = {Thüringer Höhlenverein, e. V.},
year = {2022},
date = {2022-02-22},
urldate = {2022-02-22},
booktitle = {Nächster Halt: Bleßberghöhle},
address = {Suhl},
abstract = {Höhlen stellen generell für die Wissenschaft ein wertvolles Archiv dar, aus dem vielfältige und interessante Erkenntnisse gewonnen werden können. So gehören sie inzwischen auch zu den bedeutendsten Klimaarchiven auf dem Festland (See- und Meeressedimente stellen andere wichtige Archive dar). Solange die Höhlensedimente und Sinter ungestört bleiben, können hydrologische und klimatische Bedingungen detailliert aufgezeichnet werden. Die Bleßberghöhle ist in diesem Zusammenhang ein ausgesprochener Glücksfall, da sie über viele Jahrtausende komplett verschlossen war und so vor äußeren Störungen bewahrt wurde. Sie ist in vielen Abschnitten mit verschiedensten Sinterformen geschmückt. Für die Rekonstruktion regionaler Klimaänderungen sind vor allem die Stalagmiten geeignet. Die wissenschaftliche Bearbeitung des aus der Bleßberghöhle gesammelten Materials ist ein langwieriger Prozess und noch lange nicht abgeschlossen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können aber bereits erste interessante Aussagen gemacht werden, auf die wir hier nach einem kurzen allgemeinen Einblick in verschiedene Aspekte der Paläoklimaforschung eingehen wollen.},
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tppubtype = {incollection}
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Höhlen stellen generell für die Wissenschaft ein wertvolles Archiv dar, aus dem vielfältige und interessante Erkenntnisse gewonnen werden können. So gehören sie inzwischen auch zu den bedeutendsten Klimaarchiven auf dem Festland (See- und Meeressedimente stellen andere wichtige Archive dar). Solange die Höhlensedimente und Sinter ungestört bleiben, können hydrologische und klimatische Bedingungen detailliert aufgezeichnet werden. Die Bleßberghöhle ist in diesem Zusammenhang ein ausgesprochener Glücksfall, da sie über viele Jahrtausende komplett verschlossen war und so vor äußeren Störungen bewahrt wurde. Sie ist in vielen Abschnitten mit verschiedensten Sinterformen geschmückt. Für die Rekonstruktion regionaler Klimaänderungen sind vor allem die Stalagmiten geeignet. Die wissenschaftliche Bearbeitung des aus der Bleßberghöhle gesammelten Materials ist ein langwieriger Prozess und noch lange nicht abgeschlossen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können aber bereits erste interessante Aussagen gemacht werden, auf die wir hier nach einem kurzen allgemeinen Einblick in verschiedene Aspekte der Paläoklimaforschung eingehen wollen.
@inproceedings{breitenbach2016,
title = {A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Sarah Wenz and Jens Leonhardt and Rik Tjallingii and Denis Scholz and Klaus-Peter Jochum and Norbert Marwan},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/05/Breitenbach_poster_EGU_2016.pdf},
year = {2016},
date = {2016-04-01},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {18},
pages = {EGU2016-14213},
abstract = {Although Holocene climate dynamics were relatively stable compared to glacial conditions, climatic changes had significant impact on ecosystems and human society on various timescales (Mayewski et al. 2004, Donges et al. 2015, Tan et al. 2015). Precious few high-resolution records on Holocene temperature and precipitation conditions in Central Europe are available (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012).
Here we present a speleothem-based reconstruction of past climate dynamics from Blessberg Cave, Thuringia, central Germany. Three calcitic stalagmites were recovered when the cave was discovered during tunneling operations in 2008. Samples BB-1, -2 and -3 were precisely dated by the 230Th/U-method, with errors between 10 and 160 years (2σ). The combined record covers large parts of the Holocene (10 – 0.4 ka BP). δ13C and δ18O were analysed at 100 μm resolution. To gain additional insights in infiltration conditions, Sr/Ca and S/Ca were measured on BB-1 and BB-3 using an Röntgenanalytik Eagle XXL μXRF scanner.
Differences to other central European records (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012) suggest complex interaction between multiple factors influencing speleothem δ18O in Blessberg Cave. Furthermore, no clear influence of the North Atlantic Oscillation on our proxies is found. However, a link across the N Atlantic realm is indicated by a centennial-scale correlation between Blessberg δ18O values and minerogenic input into lake SS1220 in Greenland over the last 5 ka (Olsen et al. 2012). In addition, recurrence analysis indicates an imprint of Atlantic Bond events on Blessberg δ18O values (Marwan et al. 2014), corroborating the suggested link with high northern latitudes. Larger runoff into the Greenland lake seems to be associated with lower δ18O, higher δ13C and S/Ca ratios, as well as lower Sr/Ca ratios in Blessberg Cave speleothems. This might be linked to lower local temperature and/or changes in precipitation seasonality. Opposing millennial scale trends with lowering S/Ca ratios and δ13C values but increasing Sr/Ca ratios calls for more than one controlling factor. Most likely, δ13C decreased through the Holocene due to afforestation, which in turn might have increased sulphate retention in the thickening soil cover (Frisia et al. 2005) and limited sulphur flux into the cave. Alternatively, marine sulfur flux could have diminished with winter wind intensities. However, additional data is required to clarify this hypothesis. A positive Sr/Ca trend through the Holocene might result from increasing prior calcite precipitation induced by a negative moisture balance in summer.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
}
Although Holocene climate dynamics were relatively stable compared to glacial conditions, climatic changes had significant impact on ecosystems and human society on various timescales (Mayewski et al. 2004, Donges et al. 2015, Tan et al. 2015). Precious few high-resolution records on Holocene temperature and precipitation conditions in Central Europe are available (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012).
Here we present a speleothem-based reconstruction of past climate dynamics from Blessberg Cave, Thuringia, central Germany. Three calcitic stalagmites were recovered when the cave was discovered during tunneling operations in 2008. Samples BB-1, -2 and -3 were precisely dated by the 230Th/UU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute.-method, with errors between 10 and 160 years (2σ). The combined record covers large parts of the Holocene (10 – 0.4 ka BPka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr.). δ13C and δ18O were analysed at 100 μm resolution. To gain additional insights in infiltration conditions, Sr/Ca and S/Ca were measured on BB-1 and BB-3 using an Röntgenanalytik Eagle XXL μXRF scanner.
Differences to other central European records (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012) suggest complex interaction between multiple factors influencing speleothem δ18O in Blessberg Cave. Furthermore, no clear influence of the North Atlantic Oscillation on our proxiesProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. is found. However, a link across the N Atlantic realm is indicated by a centennial-scale correlation between Blessberg δ18O values and minerogenic input into lake SS1220 in Greenland over the last 5 kaka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr. (Olsen et al. 2012). In addition, recurrence analysis indicates an imprint of Atlantic Bond events on Blessberg δ18O values (Marwan et al. 2014), corroborating the suggested link with high northern latitudes. Larger runoff into the Greenland lake seems to be associated with lower δ18O, higher δ13C and S/Ca ratios, as well as lower Sr/Ca ratios in Blessberg Cave speleothems. This might be linked to lower local temperature and/or changes in precipitation seasonality. Opposing millennial scale trends with lowering S/Ca ratios and δ13C values but increasing Sr/Ca ratios calls for more than one controlling factor. Most likely, δ13C decreased through the Holocene due to afforestation, which in turn might have increased sulphate retention in the thickening soil cover (Frisia et al. 2005) and limited sulphur flux into the cave. Alternatively, marine sulfur flux could have diminished with winter wind intensities. However, additional data is required to clarify this hypothesis. A positive Sr/Ca trend through the Holocene might result from increasing prior calcite precipitation induced by a negative moisture balance in summer.
Die ersten Ergebnisse der geochemischen Analysen der drei Stalagmiten BB-1 bis BB-3 lassen bereits Aussagen über die klimatischen Veränderungen des Klimas der letzten 14.000 Jahre zu. Eine ausführliche Interpretation findet sich im Beitrag Klimazonenverschiebung in Mitteleuropa.
@article{Keiner2013,
title = {Raman Spectroscopy—An Innovative and Versatile Tool To Follow the Respirational Activity and Carbonate Biomineralization of Important Cave Bacteria},
author = {Robert Keiner and Torsten Frosch and Stefan Hanf and Anna Rusznyak and Denise M Akob and Kirsten Küsel and Jürgen Popp},
doi = {10.1021/ac401699d},
year = {2013},
date = {2013-09-01},
urldate = {2013-09-01},
journal = {Analytical Chemistry},
volume = {85},
number = {18},
pages = {8708–8714},
abstract = {Raman gas spectrometry is introduced as a unique tool for the investigation of the respiratory activity that is indicative for growth of bacteria involved in biomineralization. Growth of these bacteria cannot be monitored using conventional turbidity-based optical density measurements due to concomitant mineral formation in the medium. The respiratory activity of carbonate-precipitating Arthrobacter sulfonivorans, isolated from the recently discovered Herrenberg Cave, was investigated during its lifecycle by means of innovative cavity-enhanced Raman gas analysis. This method allowed rapid and nonconsumptive online quantification of CO2 and O2 in situ in the headspace of the bacterial culture. Carbon dioxide production rates of A. sulfonivorans showed two maxima due to its pleomorphic growth lifecycle. In contrast, only one maximum was observed in control organism Pseudomonas fluorescens with a one-stage lifecycle. Further insight into the biomineralization process over time was provided by a combination of Raman macro- and microspectroscopy. With the help of this spatially resolved chemical imaging of the different types of calcium carbonate minerals, it was elucidated that the surface of the A. sulfonivorans bacterial cells served as nuclei for biomineralization of initially spherical vaterite precipitates. These vaterite biominerals continued growing as chemically stable rock-forming calcite crystals with rough edges. Thus, the utilization of innovative Raman multigas spectroscopy, combined with Raman mineral analysis, provided novel insights into microbial-mediated biomineralization and, therefore, provides a powerful methodology in the field of environmental sciences.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {article}
}
Raman gas spectrometry is introduced as a unique tool for the investigation of the respiratory activity that is indicative for growth of bacteria involved in biomineralization. Growth of these bacteria cannot be monitored using conventional turbidity-based optical density measurements due to concomitant mineral formation in the medium. The respiratory activity of carbonate-precipitating Arthrobacter sulfonivorans, isolated from the recently discovered Herrenberg Cave, was investigated during its lifecycle by means of innovative cavity-enhanced Raman gas analysis. This method allowed rapid and nonconsumptive online quantification of CO2 and O2 in situ in the headspace of the bacterial culture. Carbon dioxide production rates of A. sulfonivorans showed two maxima due to its pleomorphic growth lifecycle. In contrast, only one maximum was observed in control organism Pseudomonas fluorescens with a one-stage lifecycle. Further insight into the biomineralization process over time was provided by a combination of Raman macro- and microspectroscopy. With the help of this spatially resolved chemical imaging of the different types of calcium carbonate minerals, it was elucidated that the surface of the A. sulfonivorans bacterial cells served as nuclei for biomineralization of initially spherical vaterite precipitates. These vaterite biominerals continued growing as chemically stable rock-forming calcite crystals with rough edges. Thus, the utilization of innovative Raman multigas spectroscopy, combined with Raman mineral analysis, provided novel insights into microbial-mediated biomineralization and, therefore, provides a powerful methodology in the field of environmental sciences.
@article{Rusznyak2012,
title = {Calcite Biomineralization by Bacterial Isolates from the Recently Discovered Pristine Karstic Herrenberg Cave},
author = {Anna Rusznyák and Denise M Akob and Sándor Nietzsche and Karin Eusterhues and Kai Uwe Totsche and Thomas R Neu and Torsten Frosch and Jürgen Popp and Robert Keiner and Jörn Geletneky and Lutz Katzschmann and Ernst-Detlef Schulze and Kirsten Küsel},
doi = {10.1128/AEM.06568-11},
year = {2012},
date = {2012-02-01},
urldate = {2012-02-01},
journal = {Applied and Environmental Microbiology},
volume = {78},
number = {4},
pages = {1157–1167},
abstract = {Karstic caves represent one of the most important subterranean carbon storages on Earth and provide windows into the subsurface. The recent discovery of the Herrenberg Cave, Germany, gave us the opportunity to investigate the diversity and potential role of bacteria in carbonate mineral formation. Calcite was the only mineral observed by Raman spectroscopy to precipitate as stalactites from seepage water. Bacterial cells were found on the surface and interior of stalactites by confocal laser scanning microscopy. Proteobacteria dominated the microbial communities inhabiting stalactites, representing more than 70% of total 16S rRNA gene clones. Proteobacteria formed 22 to 34% of the detected communities in fluvial sediments, and a large fraction of these bacteria were also metabolically active. A total of 9 isolates, belonging to the genera Arthrobacter , Flavobacterium , Pseudomonas , Rhodococcus , Serratia , and Stenotrophomonas , grew on alkaline carbonate-precipitating medium. Two cultures with the most intense precipitate formation, Arthrobacter sulfonivorans and Rhodococcus globerulus , grew as aggregates, produced extracellular polymeric substances (EPS), and formed mixtures of calcite, vaterite, and monohydrocalcite. R. globerulus formed idiomorphous crystals with rhombohedral morphology, whereas A. sulfonivorans formed xenomorphous globular crystals, evidence for taxon-specific crystal morphologies. The results of this study highlighted the importance of combining various techniques in order to understand the geomicrobiology of karstic caves, but further studies are needed to determine whether the mineralogical biosignatures found in nutrient-rich media can also be found in oligotrophic caves.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {article}
}
Karstic caves represent one of the most important subterranean carbon storages on Earth and provide windows into the subsurface. The recent discovery of the Herrenberg Cave, Germany, gave us the opportunity to investigate the diversity and potential role of bacteria in carbonate mineral formation. Calcite was the only mineral observed by Raman spectroscopy to precipitate as stalactites from seepage water. Bacterial cells were found on the surface and interior of stalactites by confocal laser scanning microscopy. Proteobacteria dominated the microbial communities inhabiting stalactites, representing more than 70% of total 16S rRNA gene clones. Proteobacteria formed 22 to 34% of the detected communities in fluvialfluvialDurch fließendes Wasser verursacht; zum Beispiel: "Fluviale Sedimente" = durch fließendes Wasser abgelagertes Material. sediments, and a large fraction of these bacteria were also metabolically active. A total of 9 isolates, belonging to the genera Arthrobacter , Flavobacterium , Pseudomonas , Rhodococcus , Serratia , and Stenotrophomonas , grew on alkaline carbonate-precipitating medium. Two cultures with the most intense precipitate formation, Arthrobacter sulfonivorans and Rhodococcus globerulus , grew as aggregates, produced extracellular polymeric substances (EPS), and formed mixtures of calcite, vaterite, and monohydrocalcite. R. globerulus formed idiomorphous crystals with rhombohedral morphology, whereas A. sulfonivorans formed xenomorphous globular crystals, evidence for taxon-specific crystal morphologies. The results of this study highlighted the importance of combining various techniques in order to understand the geomicrobiology of karstic caves, but further studies are needed to determine whether the mineralogical biosignatures found in nutrient-rich media can also be found in oligotrophic caves.
Anhand von Stalaktitenmaterial und fluvialenfluvialDurch fließendes Wasser verursacht; zum Beispiel: "Fluviale Sedimente" = durch fließendes Wasser abgelagertes Material. Sedimenten aus der Bleßberghöhle wurde die Vielfalt und Aktivität der enthaltenen Bakterien und deren Bildung von Karbonatmineralen erforscht. Dazu wurden verschiedenste Techniken wie phylogenetische Analysenphylogenetische AnalyseMolekularbiologische Untersuchung evolutionärer Verwandtschaftsverhältnisse von Organismen (z. B. durch Abgleich von Erbinformationen)., BakterienkultivierungBakterienkultivierungFür weitergehende Untersuchungen werden Bakterien im Labor auf geeigneten Nährlösungen vermehrt., ElektronenmikroskopieElektronenmikroskopieSpezielle Art der Mikroskopie, die Elektronen statt Licht verwendet, um eine deutlich höhere Auflösung zu erzielen., RöntgenspektroskopieRöntgenspektroskopieEin spezielles Analyseverfahren, bei dem mittels Röntgenstrahlen die interne Struktur von Objekten untersucht werden kann., konfokale Laser-Scanning-Mikroskopiekonfokale Laser-Scanning-MikroskopieEine spezielle Art der Mikroskopie, bei der ein stark fokussierter Laserstrahl das Objekt abtastet, um eine höhere Auflösung als bei herkömmlichen Lichtmikroskopen zu erreichen. und RamanspektroskopieRamanspektroskopieEin spezielles Verfahren zur Untersuchung von Materialeigenschaften, bei dem die unterschiedlichen Frequenzen des am Objekt gestreuten Lichtes zur Interpreation genutzt werden. angewendet.
Auf der Oberfläche und im Inneren der Stalaktiten wurden Bakterien mithilfe von konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie gefunden. Phylogenetische Analysen zeigten, dass an und in den Stalaktiten und auch in den fluvialen Sedimenten ProteobakterienProteobakterienEine Gruppe von Bakterien, zu denen viele wichtige stickstofffixierende Bakterien und Krankheitserreger gehören. am häufigsten in der Bakteriengemeinschaft vertreten waren, aber auch andere Gruppen wie ActinobakterienActinobakterienEine der artenreichsten Gruppe von Bakterien, die sich u. a. durch einen hohen Anteil der Nukleinbasen in ihrer Bakterien-DNS auszeichnen. oder FirmicutesFirmicutesEine artenreiche Gruppe innerhalb der Bakterien. Unterscheiden sich von den Actinobakterien unter anderem durch ihren niedrigeren Gehalt an Nukleinbasen in der Bakterien-DNS.. Viele der detektierten Bakterien sind bisher unkultiviert.
Aus den Höhlensedimenten wurden insgesamt neun neue Bakterienkulturen isoliert, die auf alkalischem Karbonat-Fällungsmedium wuchsen und zu den Bakteriengattungen Arthrobacter, Flavobacterium, Pseudomonas, Rhodococcus, Serratia und Stenotrophomonas gehörten. Von diesen wurden die zwei mit der intensivsten PräzipitatbildungPräzipitatNiederschlag oder Bodensatz einer Flüssigkeit. für die weitere Forschung ausgewählt: Arthrobacter sulfonivorans SCM3 und Rhodococcus globerulus SCM4. Beide produzierten extrazelluläre polymere Substanzenextrazelluläre polymere SubstanzenLangkettige, organische Verbindungen, die von Mikroorganismen außerhalb ihrer Zellstruktur gebildet und an die Umgebung abgegeben werden. (EPS) und wuchsen als Zell-Aggregate.
Rasterelektronenmikroskopie von Zellaggregaten und extrazellulärer polymerer Substanz (EPS) der Isolate Arthrobacter sulfonivorans SCM3 (links) und Rhodococcus globerulus SCM4 (rechts) (Bild: Elektronenmikroskopisches Zentrum Jena, Sándor Nietzsche und Anna Rusznyak).
Die gebildeten Karbonatminerale waren Mischungen aus Kalzit, VateritVateritEine metastabile Modifikation von Kalziumkarbonat. und MonohydrokalzitMonohydrokalzitEine Modifikation von wasserhaltigem Kalziumkarbonat.. Dabei bildete Arthrobacter sulfonivorans SCM3 xenomorphexenomorphDie Kristallgestalt des Minerals ist anders, als sie eigentlich sein sollte, z. B. weil das regelmäßige Wachstums des Kristalls gehemmt wurde. kugelförmige Kristalle, und Rhodococcus globerulus SCM4 idiomorpheidiomorphDie Kristallgestalt des Minerals ist ideal und entspricht den physikalischen, charakteristischen Eigenschaften des Minerals. Kristalle mit rhomboedrischer Morphologie.
Der Biomineralisierungsprozess von Arthrobacter sulfonivorans SCM3 wurde mittels einer Kombination aus Raman-Makro- und -Mikrospektroskopie weiter untersucht, um eine ortsaufgelöste chemische Darstellung der verschiedenen Arten von Kalziumkarbonat-Mineralen zu erhalten. Die Zell-Oberfläche von Arthrobacter sulfonivorans SCM3 diente als Keim für die Biomineralisation von Vaterit-Präzipitaten. Diese waren zunächst kugelförmig und wuchsen dann als chemisch stabile, steinbildende Kalzitkristalle mit rauen Kanten weiter.
Rasterelektronenmikroskopie von Präzipitaten der Isolate Arthrobacter sulfonivorans SCM3 (links) und Rhodococcus globerulus SCM4 (rechts) (Bild: Elektronenmikroskopisches Zentrum Jena, Sándor Nietzsche und Anna Rusznyak).
@article{Kaufmann2020,
title = {Modelling long-term and short-term evolution of karst in vicinity of tunnels},
author = {Georg Kaufmann and Douchko Romanov},
doi = {10.1016/j.jhydrol.2019.124282},
year = {2020},
date = {2020-02-01},
journal = {Journal of Hydrology},
volume = {581},
pages = {124282},
abstract = {Tunnel construction offers unique insights into the interior structure of rock massifs. Soluble rocks encountered during tunnel construction, however, pose a substantial challenge. Especially classical karst rocks such as limestone, dolostone, gypsum, and anhydrite are unpredictable during tunnel excavation. The enlarged voids created by the long-term dissolution of the soluble rocks in contact with water pose risks because of possible uncontrollable water inflow and of instability of the encountered cave voids, which often requires expensive remediation measures. We model the long-term development of karst features and the evolution of phreatic and epi-phreatic caves below the Schalkau Plateau in the Triassic limestone with a numerical karst evolution model. With hydrological boundary conditions derived from local meteorological data and karst springs, and a simplified model of the local lithology, our model predicts the increase in secondary permeability in the karst aquifer. Enlarged fracture zones develop at locations, where cave systems have been explored. Thus our long-term evolution model can successfully predict karst features in the Schalkau Plateau. Applying the karst evolution model on a short-term period, we assess the effect of consolidation measures taken to stabilise the tunnel cross section in vicinity of the Bleßberg Cave and its longer-term stability. Our model results suggest that flow through the cave section beneath the tunnel, which has been filled with concrete and blocks, is blocked and that during flood events the impounded water will accelerate the development of by-passes around the artificial infill.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {article}
}
Tunnel construction offers unique insights into the interior structure of rock massifs. Soluble rocks encountered during tunnel construction, however, pose a substantial challenge. Especially classical karst rocks such as limestone, dolostone, gypsum, and anhydrite are unpredictable during tunnel excavation. The enlarged voids created by the long-term dissolution of the soluble rocks in contact with water pose risks because of possible uncontrollable water inflow and of instability of the encountered cave voids, which often requires expensive remediation measures. We model the long-term development of karst features and the evolution of phreatic and epi-phreatic caves below the Schalkau Plateau in the Triassic limestone with a numerical karst evolution model. With hydrological boundary conditions derived from local meteorological data and karst springs, and a simplified model of the local lithology, our model predicts the increase in secondary permeability in the karst aquifer. Enlarged fracture zones develop at locations, where cave systems have been explored. Thus our long-term evolution model can successfully predict karst features in the Schalkau Plateau. Applying the karst evolution model on a short-term period, we assess the effect of consolidation measures taken to stabilise the tunnel cross section in vicinity of the Bleßberg Cave and its longer-term stability. Our model results suggest that flow through the cave section beneath the tunnel, which has been filled with concrete and blocks, is blocked and that during flood events the impounded water will accelerate the development of by-passes around the artificial infill.
@inproceedings{kaufmann2019egu,
title = {Karst and trains: The challenge of railway tunneling},
author = {Georg Kaufmann and Douchko Romanov},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/04/EGU2019-3554.pdf},
year = {2019},
date = {2019-04-08},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {21},
pages = {EGU2019-3554},
abstract = {Tunnel construction offers unique insights into the interior structure of landscapes. Soluble rocks encountered during tunnel construction, however, pose a substantial challenge. Especially classical karst rocks such as limestone, dolomite, gypsum, and above all anhydrite, are unpredictable during tunnel excavation. The enlarged voids created by the long-term dissolution of the soluble rocks in contact with water and the hydration of anhydrite with the sub-sequent precipitation of gypsum during the drilling pose risks because of possible uncontrollable water inflow and of instability of the encountered cave voids, which often requires expensive remediation measures.
We report on a high-speed railway tunnel in Germany along the line Berlin-Munich. The Blessberg-Tunnel, about 8,3 km long, mainly traverses Ordovician quarzites and shales, but along its southern end it crosses the Frankonian line, a major fault zone, with Triassic limestones on the southern part of the fault. Here, a substantial active water cave, the Blessberg Cave, has been encountered during tunnel construction.
We attempt to explain the karst features along the Frankonian line, the evolution of active water caves in the Triassic limestones south of the fault, and try to assess the effect of consolidation measures taken to stabilise the tunnel cross section in vicinity of the cave and its longer-term stability.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
}
Tunnel construction offers unique insights into the interior structure of landscapes. Soluble rocks encountered during tunnel construction, however, pose a substantial challenge. Especially classical karst rocks such as limestone, dolomite, gypsum, and above all anhydrite, are unpredictable during tunnel excavation. The enlarged voids created by the long-term dissolution of the soluble rocks in contact with water and the hydration of anhydrite with the sub-sequent precipitation of gypsum during the drilling pose risks because of possible uncontrollable water inflow and of instability of the encountered cave voids, which often requires expensive remediation measures.
We report on a high-speed railway tunnel in Germany along the line Berlin-Munich. The Blessberg-Tunnel, about 8,3 km long, mainly traverses Ordovician quarzites and shales, but along its southern end it crosses the Frankonian line, a major fault zone, with Triassic limestones on the southern part of the fault. Here, a substantial active water cave, the Blessberg Cave, has been encountered during tunnel construction.
We attempt to explain the karst features along the Frankonian line, the evolution of active water caves in the Triassic limestones south of the fault, and try to assess the effect of consolidation measures taken to stabilise the tunnel cross section in vicinity of the cave and its longer-term stability.
Die Stärke und Geschwindigkeit der Verkarstung hängt von verschiedenen Parametern ab, wie vom Wasserhaushalt oder den vorhandenen Gesteinen. Mit einem VerkarstungsmodellModellEin Computermodell ist in der Regel eine Sammlung von vielen mathematischen Gleichungen, die verschiedene natürliche (physikalische, chemische, biologische) Vorgänge sehr gut mathematisch darstellen. Im Computer kann man das Modell mit verschiedenen Parameterwerten (z. B. verschiedene Häufigkeit von Klüften, verschiedene Temperatur) laufen lassen, wodurch man ein sehr gutes Verständnis der Zusammenhänge und Einflußfaktoren auf die zu untersuchenden Phänomene erhält. wurde nun modelliert, wie sich im Bereich der Schalkauer Platte die Verkarstung entwickelt hatte und wie sie sich in Zukunft entwickeln wird.
Das ModellModellEin Computermodell ist in der Regel eine Sammlung von vielen mathematischen Gleichungen, die verschiedene natürliche (physikalische, chemische, biologische) Vorgänge sehr gut mathematisch darstellen. Im Computer kann man das Modell mit verschiedenen Parameterwerten (z. B. verschiedene Häufigkeit von Klüften, verschiedene Temperatur) laufen lassen, wodurch man ein sehr gutes Verständnis der Zusammenhänge und Einflußfaktoren auf die zu untersuchenden Phänomene erhält. zeigt regionale Unterschiede im Verkarstungspotential. Vor allem in den Bereichen, in denen das Modell verstärkte Verkarstung berechnet hat, gibt es mehr Höhlen, u. a. die Bleßberghöhle. Die Modellierung der künftigen Entwicklung vor allem im Bereich des beim Tunnelbau verblockten Höhlenteils unter dem Tunnel ergab eine substantielle Verstärkung der Verkarstung in diesem Bereich, d. h. eine schnellere Aufweitung von Klüften und Spalten (im Zeitrahmen von 100 bis 200 Jahren).
@proceedings{klose2023poster,
title = {Timing of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany},
author = {J. Klose and D. Scholz and M. Weber and H. Vonhof and B. Plessen and S. Breitenbach and N. Marwan},
editor = {Summer School on Speleothem Sciences 2023, Sao Paulo},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2024/09/klose_SummerschoolSaoPaulo2023.pdf},
year = {2023},
date = {2023-08-07},
urldate = {2023-08-07},
abstract = {The last glacial period and especially Marine Isotope stage 3 (MIS 3, ca. 57 - 27 ka) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 230Th/U dating. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events in central Europe.},
howpublished = {Poster},
note = {Summer School on Speleothem Sciences 2023, Sao Paulo},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {proceedings}
}
The last glacial period and especially Marine IsotopeIsotopChemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben. stage 3 (MIS 3MIS 3"MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. "MIS 3" bedeutet dabei eine kurzzeitige Warmphase (beginnend vor 57 Tausend Jahren) während der letzten Eiszeit., ca. 57 - 27 kaka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr.) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 230Th/UU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute. dating. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events in central Europe.
Klose, J.; Scholz, D.; Weber, M.; Vonhof, H.; Plessen, B.; Breitenbach, S.; Marwan, N.
Timing and progression of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany Konferenzberichte
@proceedings{klose2023,
title = {Timing and progression of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany},
author = {J. Klose and D. Scholz and M. Weber and H. Vonhof and B. Plessen and S. Breitenbach and N. Marwan},
editor = {XXI INQUA Conference, Rome (Italy)},
year = {2023},
date = {2023-07-19},
urldate = {2023-07-19},
abstract = {Speleothems can be dated with unprecedented precision using U-series disequilibrium methods and provide numerous climate proxies, such as stable oxygen (δ18O) and carbon isotopes (δ13C) or trace elements, resulting in long, sometimes continuous climate proxy records. Therefore, speleothems have great potential for reconstruction of past climate variability during Marine Isotope Stage (MIS) 3 and precise determination of the timing and duration of Dansgaard-Oeschger (D/O) events. While first discovered in Greenland ice cores, various speleothem records around the globe provided clear evidence for the supra-regional character of the D/O events. However, MIS 3 speleothem records from Central Europe are very limited. Here we present three spleothem (flowstone) MIS 3 records from Bleßberg Cave, Germany.
All flowstones show episodic growth with distinctive, partially very thin (<2 mm) growth phases, interrupted by visible hiatuses consisting of detrital material. Precise and accurate 230Th/U dating of the individual growth phases is challenging due to potential detrital contamination from these layers. Combining different sampling and analytical techniques, we were able to date even the thinnest growth layers with very high precision, i.e., 2σ-age uncertainties of at most a few hundred years.
The timing of the growth phases aligns with several D/O events, which have not been recorded in other Central European speleothems yet. The δ18O and δ13C records of all three flowstones are highly correlated which suggests a dominant process influencing both isotope systems. Comparison with the Sr and Mg records provides evidence for a strong influence of Prior Calcite Precipitation (PCP) in the aquifer above and inside the cave on the stable isotope and trace element signals. In addition, all proxy records are interpreted as evidence for past changes in precipitation and vegetation density and document a clear trend from more humid climate during early MIS 3 (ca. 57 – 50 ka) to less humid conditions during mid and late MIS 3 (ca. 45 – 30 ka).
Our multi-proxy approach thus allows us not only to precisely determine the timing, duration, and progression of several D/O events, but also to deepen our general understanding of climate variability during MIS 3 in Central Europe.},
howpublished = {Poster},
note = {XXI INQUA Conference, Rome (Italy)},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {proceedings}
}
Speleothems can be dated with unprecedented precision using U-series disequilibrium methods and provide numerous climate proxiesProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet., such as stable oxygen (δ18O) and carbon isotopes (δ13C) or trace elements, resulting in long, sometimes continuous climate proxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. records. Therefore, speleothems have great potential for reconstruction of past climate variability during Marine Isotope Stage (MISMIS"MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. Die MIS werden rückwärts nummeriert (also größere Zahl = älter) und ungerade Zahlen stehen für Warmzeiten, gerade für Kaltzeiten.) 3 and precise determination of the timing and duration of Dansgaard-Oeschger (D/O) events. While first discovered in Greenland ice cores, various speleothem records around the globe provided clear evidence for the supra-regional character of the D/O events. However, MIS 3 speleothem records from Central Europe are very limited. Here we present three spleothem (flowstone) MIS 3 records from Bleßberg Cave, Germany.
All flowstones show episodic growth with distinctive, partially very thin (<2 mm) growth phases, interrupted by visible hiatuses consisting of detrital material. Precise and accurate 230Th/U dating of the individual growth phases is challenging due to potential detrital contamination from these layers. Combining different sampling and analytical techniques, we were able to date even the thinnest growth layers with very high precision, i.e., 2σ-age uncertainties of at most a few hundred years.
The timing of the growth phases aligns with several D/O events, which have not been recorded in other Central European speleothems yet. The δ18O and δ13C records of all three flowstones are highly correlated which suggests a dominant process influencing both isotope systems. Comparison with the Sr and Mg records provides evidence for a strong influence of Prior Calcite Precipitation (PCP) in the aquifer above and inside the cave on the stable isotope and trace element signals. In addition, all proxy records are interpreted as evidence for past changes in precipitation and vegetation density and document a clear trend from more humid climate during early MIS 3 (ca. 57 – 50 ka) to less humid conditions during mid and late MIS 3 (ca. 45 – 30 ka).
Our multi-proxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. approach thus allows us not only to precisely determine the timing, duration, and progression of several D/O events, but also to deepen our general understanding of climate variability during MIS 3 in Central Europe.
@proceedings{klose2022,
title = {Timing of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany},
author = {J. Klose and M. Weber and H. Vonhof and B. Plessen and S. Breitenbach and N. Marwan and D. Scholz},
editor = {KR9 in Innsbruck, 2022},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2024/09/klose_KR9-Innsbruck2022.pdf},
year = {2022},
date = {2022-07-19},
urldate = {2022-07-19},
abstract = {The last glacial period and especially Marine Isotope stage 3 (MIS 3, ca. 57 - 27 ka) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 230Th/U dating. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events in central Europe.},
howpublished = {Poster},
note = {KR9 Konferenz in Innsbruck},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {proceedings}
}
The last glacial period and especially Marine Isotope stage 3 (MIS 3, ca. 57 - 27 ka) was characterized by various climate oscillations (i.e., rapid increases in temperature, followed by a gradual cooling, the Dansgaard-Oeschger (D/O) events), which were first discovered in Greenland ice cores. Although their causes are still not fully understood, clear evidence for their supra-regional character was found in various climate records around the globe. However, European speleothem samples, which grew during MIS 3, are limited and mainly restricted to alpine regions, where glacier meltwater enabled speleothem growth, and to south/south-western parts of Europe characterised by a generally warmer climate. This led to the opinion that it was too cold and/or too dry in central Europe for speleothem growth. Here we present three speleothem (flowstone) records from Bleßberg Cave, Germany, which grew during MIS 3.
All flowstones show episodical growth patterns with distinctive, thin growth phases. Potential contamination deriving form detrital material deposited during hiatuses between individual growth phases, open-system behaviour around the hiatuses and the limited thickness of the growth layers are the biggest challenges during sampling for 230Th/U dating. By combination of different sampling techniques (i.e., laser ablation and micro-milling) in addition to the common approach of handheld drilling and due to the relatively high 238U concentration of the samples (approx. 0.4 – 1 µg/g), we were able to date even the thinnest growth layers (< 2 mm) of the Bleßberg flowstones with a very high precision (i.e., with 2σ-age uncertainties of a few hundred years or even lower).
The timing of the growth phases of the Bleßberg flowstones correlates with several D/O events recorded in the Greenland ice cores. This proves that at least some phases of MIS 3 had favourable climate conditions for speleothem growth in Central Europe. In addition, the analysis of the stable oxygen and carbon isotopes (δ18O and δ13C) for all three flowstones revealed several D/O events, which have not been recorded in any other speleothem from central Europe so far. This will enhance our understanding of climate variability during MIS 3 and specific D/O events in central Europe.
@incollection{breitenbach_bbh2022,
title = {Die Bleßberghöhle – ein Glücksfall für die Klimaforschung},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Norbert Marwan},
editor = {Thüringer Höhlenverein, e. V.},
year = {2022},
date = {2022-02-22},
urldate = {2022-02-22},
booktitle = {Nächster Halt: Bleßberghöhle},
address = {Suhl},
abstract = {Höhlen stellen generell für die Wissenschaft ein wertvolles Archiv dar, aus dem vielfältige und interessante Erkenntnisse gewonnen werden können. So gehören sie inzwischen auch zu den bedeutendsten Klimaarchiven auf dem Festland (See- und Meeressedimente stellen andere wichtige Archive dar). Solange die Höhlensedimente und Sinter ungestört bleiben, können hydrologische und klimatische Bedingungen detailliert aufgezeichnet werden. Die Bleßberghöhle ist in diesem Zusammenhang ein ausgesprochener Glücksfall, da sie über viele Jahrtausende komplett verschlossen war und so vor äußeren Störungen bewahrt wurde. Sie ist in vielen Abschnitten mit verschiedensten Sinterformen geschmückt. Für die Rekonstruktion regionaler Klimaänderungen sind vor allem die Stalagmiten geeignet. Die wissenschaftliche Bearbeitung des aus der Bleßberghöhle gesammelten Materials ist ein langwieriger Prozess und noch lange nicht abgeschlossen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können aber bereits erste interessante Aussagen gemacht werden, auf die wir hier nach einem kurzen allgemeinen Einblick in verschiedene Aspekte der Paläoklimaforschung eingehen wollen.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {incollection}
}
Höhlen stellen generell für die Wissenschaft ein wertvolles Archiv dar, aus dem vielfältige und interessante Erkenntnisse gewonnen werden können. So gehören sie inzwischen auch zu den bedeutendsten Klimaarchiven auf dem Festland (See- und Meeressedimente stellen andere wichtige Archive dar). Solange die Höhlensedimente und Sinter ungestört bleiben, können hydrologische und klimatische Bedingungen detailliert aufgezeichnet werden. Die Bleßberghöhle ist in diesem Zusammenhang ein ausgesprochener Glücksfall, da sie über viele Jahrtausende komplett verschlossen war und so vor äußeren Störungen bewahrt wurde. Sie ist in vielen Abschnitten mit verschiedensten Sinterformen geschmückt. Für die Rekonstruktion regionaler Klimaänderungen sind vor allem die Stalagmiten geeignet. Die wissenschaftliche Bearbeitung des aus der Bleßberghöhle gesammelten Materials ist ein langwieriger Prozess und noch lange nicht abgeschlossen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können aber bereits erste interessante Aussagen gemacht werden, auf die wir hier nach einem kurzen allgemeinen Einblick in verschiedene Aspekte der Paläoklimaforschung eingehen wollen.
@inproceedings{marwan2014,
title = {Recurrence properties as signatures for abrupt climate change},
author = {Norbert Marwan and Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Denis Scholz and Jens Leonhardt
},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/04/EGU2014-8893.pdf},
year = {2014},
date = {2014-04-01},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {16},
pages = {EGU2014-8893},
abstract = { The study of recurrence properties of dynamical systems has been shown to be very successful in characterising typical dynamical behaviour, finding regime transitions, or detecting couplings and synchronisations, even for short, noisy, and nonstationary data, as typical in Earth Sciences. Recurrence plots and their quantifications are powerful techniques for the investigation of recurrence and increasingly attract attention in recent years. We demonstrate the potential of the newly introduced extension of recurrence plot analysis by complex network measures for the detection of abrupt dynamical changes. This method is applied on a Holocene palaeoclimate data set from Central Europe derived from a stalagmite from Blessberg Cave, Thuringia, Germany. The stalagmite δ18O proxy record covers the middle to late Holocene (6000-400 years BP). Dating uncertainties are considered by an ensemble approach derived from the COPRA framework. Characteristic changes in the recurrence properties reflecting regular dynamics coincide well with the occurrence of the Bond events 1, 2, and 3. During Bond events the Central European climate variability appears more regular. The analysis presented here examplifies the potency of quantitative recurrence methods in detecting climatic events, which otherwise remain hidden in the raw proxy time series. },
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
}
The study of recurrence properties of dynamical systems has been shown to be very successful in characterising typical dynamical behaviour, finding regime transitions, or detecting couplings and synchronisations, even for short, noisy, and nonstationary data, as typical in Earth Sciences. Recurrence plots and their quantifications are powerful techniques for the investigation of recurrence and increasingly attract attention in recent years. We demonstrate the potential of the newly introduced extension of recurrence plot analysis by complex network measures for the detection of abrupt dynamical changes. This method is applied on a Holocene palaeoclimate data set from Central Europe derived from a stalagmite from Blessberg Cave, Thuringia, Germany. The stalagmite δ18O proxy record covers the middle to late Holocene (6000-400 years BPka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr.). Dating uncertainties are considered by an ensemble approach derived from the COPRA framework. Characteristic changes in the recurrence properties reflecting regular dynamics coincide well with the occurrence of the Bond events 1, 2, and 3. During Bond events the Central European climate variability appears more regular. The analysis presented here examplifies the potency of quantitative recurrence methods in detecting climatic events, which otherwise remain hidden in the raw proxy time series.
Am PIK werden u. a. neue Methoden entwickelt, die einerseits neue Aspekte in Paläoklimadaten untersuchen, die aber auch mit den Schwierigkeiten klarkommen, die für gewöhnlich mit Paläoklimaanalysen zusammenhängen – wie z. B. Lücken in den DatenLücken in den DatenStalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Es kann sogar zu langen Ruhephasen kommen, in denen gar kein Wachstum stattfindet. Somit werden zu diesen Zeiten die entsprechenden Umweltinformationen nicht im Stalagmit abgespeichert. Es entstehen also "Lücken" in den Daten., Unsicherheiten der AlterUnsicherheiten der AlterUm die abgespeicherten Umweltinformationen aus den Stalagmiten bestimmten Zeiträumen zuordnen zu können, muß man diese datieren. Allerdings sind alle Datierungsverfahren mit Unsicherheiten behaftet. Das heißt, man kann den Zeitpunkt von bestimmten Umweltveränderungen, die man aus den Stalagmiten herauslesen kann, nie ganz genau bestimmen, sondern nur so ungefähr. Viele statistische Verfahren benötigen allerdings genaue Zeitpunkte und können daher mit solchen Daten nicht umgehen. oder Unregelmäßigkeiten der DatenpunkteUnregelmäßigkeiten der DatenpunkteStalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Daher kann man die im Stalagmiten gemessenen Umweltveränderungen nicht gleichmäßig bestimmten Zeitpunkten (z. B. jährliche Zeitpunkte) zuordnen. Das erschwert in der Regel statistische Auswertungen, da die Auswertemethoden meist von gleichmäßig verteilten Zeitpunkten ausgehen.. Dabei handelt es sich zwar um Grundlagenforschung, aber diese wird auch sofort auf interessante Fragestellungen angewendet.
Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung und Anwendung von Methoden, die speziell die wiederkehrenden Muster untersuchen (im englischen: „recurrence“). Diese Methoden sind sehr erfolgreich für das Auffinden von abrupten Änderungen, aber auch für das Vergleichen verschiedener Datensätze, um z. B. herauszufinden, ob es da gegenseitige Einflüsse gibt.
In einer unserer ersten Analysen von den drei Stalagmiten BB-1 bis BB-3, hatten wir uns die Sauerstoffisotopeδ18ODer Atomkern des Sauerstoffs besteht aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an. von BB-1 mit diesen Wiederkehr-Methoden angeschaut. Dabei hatten wir extra auch die DatierungsunsicherheitUnsicherheiten der AlterUm die abgespeicherten Umweltinformationen aus den Stalagmiten bestimmten Zeiträumen zuordnen zu können, muß man diese datieren. Allerdings sind alle Datierungsverfahren mit Unsicherheiten behaftet. Das heißt, man kann den Zeitpunkt von bestimmten Umweltveränderungen, die man aus den Stalagmiten herauslesen kann, nie ganz genau bestimmen, sondern nur so ungefähr. Viele statistische Verfahren benötigen allerdings genaue Zeitpunkte und können daher mit solchen Daten nicht umgehen. mit berücksichtigt. Durch die Datierungsunsicherheiten gibt es kleine Verschiebungen der Zeitreihe entlang der x-Achse. Innerhalb der Unsicherheiten sind daher verschiedene Realisierungen des Verlaufs der gemessenen Sauerstoffisotope möglich.
Sauerstoffisotope von BB-1. Durch die Datierungsunsicherheiten gibt es verschiedene Möglichkeiten, zu welcher Zeit es Änderungen in diesem Klima-Archiv gab. Der Stalagmit ist in der Zeit von vor etwa 6.000 bis vor etwa 400 Jahren gewachsen.
Die Wiederkehrmuster werden mit einem speziellen Analysewerkzeug untersucht, dem sogenannten „recurrence plot“. Damit lassen sich Zeiten darstellen, zu denen ähnliche Zustände aufgetreten sind. Die Muster, die man in so einem „recurrence plot“ sieht, haben eine tiefere Bedeutung und können weiter analysiert und quantifiziert werden, um Änderungen in der DynamikDynamikDie zeitliche Veränderung von Zuständen, wie z. B. die zyklische Änderung des Klimas zwischen Warm und Kaltzeiten. des zugrundeliegenden Prozesses zu finden.
Recurrence plot einer Realisierung der gemessenen Sauerstoff-Isotopeδ18ODer Atomkern des Sauerstoffs besteht aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an. in BB-1.
Die numerische Analyse von „recurrence plots“ liefert verschiedene Ergebnisse, die verschiedene Aspekte der Klimadynamik beleuchten. Zwei solcher Ergebnisse sind hier kurz dargestellt: einerseits die KomplexitätKomplexe SystemeKomplexe Systeme bestehen aus sehr vielen Komponenten, die auch miteinander wechselwirken, zeigen unvorhersagbares Verhalten und können trotzdem charakteristische Muster hervorrufen (weshalb sie sich deutlich von rein zufälligen Systemen unterscheiden). der Klimavariabilität („TransitivityTransitivityEin Maß aus der Netzwerktheorie, welches quantifiziert, wie stark sich Zustände zu kleinen Gruppen zusammenfinden.“) und andererseits, wie gut so ein Klimasignal vorhersagbar wäre („DeterminismDeterminismEin Maß aus der Wiederkehr-Analyse, welches beschreibt, wie gut sich die Veränderung eines Systems vorhersagen läßt.“). Beide Ergebnisse zeigen eine generelle Tendenz zu größerer Komplexität und geringerer Vorhersagbarkeit für jüngere Alter. Sie zeigen aber auch für bestimmte Zeitpunkte kurzzeitige Anstiege zu besserer Vorhersagbarkeit, nämlich ungefähr vor 4.200, 2.800 und 1.400 Jahren. Genau zu diesen Zeitpunkten kam es zu kurzzeitigen und schnellen Vereisungen im Nordatlantik, den sogenannten „Bond-EreignissenBond-EreignisKurze Zeiträume im Holozän, in denen kühleres Oberflächenwasser und Treibeis aus dem Arktischen Ozean bis tief in wärmere subpolare Gewässer getrieben wurde.“. Gleichzeitig gibt es Variationen in der Komplexität des Klimasignals („Transitivity“), allerdings bewegen sich diese Variationen innerhalb eines Unsicherheitsbereiches (KonfidenzintervallKonfidenzintervallIm Rahmen der Statistik ein Bereich, in dem man den gemessenen Veränderungen nicht wirklich vertrauen kann.), so daß wir diese nicht wirklich interpretieren dürfen.
Quantitative Analyse von Wiederkehrmustern in den Sauerstoffisotopenδ18ODer Atomkern des Sauerstoffs besteht aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an.-Messungen von BB-1.
@misc{marwan2019lodz,
title = {Recurrence based entropies},
author = {Norbert Marwan and Kai Hauke Kraemer and Karolin Wiesner and Sebastian F. M. Breitenbach and Jens Leonhardt},
editor = {Fourth International Conference on Recent Advances in Nonlinear Mechanics, Łódz (Poland)},
year = {2019},
date = {2019-05-07},
abstract = {Many dynamical processes are considered to be of complex nature. To get a quantitative idea of the complexity, often the Shannon entropy of the value distribution of a measurement is used. Alternative entropy measures have been suggested using the recurrence plot (RP) approach. A RP is a matrix that represents the recurrences of states in the d-dimensional phase space. The RP can consist of small-scale structures, such as single points, diagonal and vertical lines, which characterize important dynamical properties of the system. Various entropy measures have been defined using different features of the RP or can be related to certain properties of the RP. Because of the different features that are used, some entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. This fact can lead to misunderstandings and difficulties in interpreting and understanding those measures. We discuss definitions, motivation and interpretation of some of those entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them. },
note = {Fourth International Conference on Recent Advances in Nonlinear Mechanics, Łódz (Poland)},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {presentation}
}
Many dynamical processes are considered to be of complex nature. To get a quantitative idea of the complexity, often the Shannon entropy of the value distribution of a measurement is used. Alternative entropy measures have been suggested using the recurrence plot (RP) approach. A RP is a matrix that represents the recurrences of states in the d-dimensional phase space. The RP can consist of small-scale structures, such as single points, diagonal and vertical lines, which characterize important dynamical properties of the system. Various entropy measures have been defined using different features of the RP or can be related to certain properties of the RP. Because of the different features that are used, some entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. This fact can lead to misunderstandings and difficulties in interpreting and understanding those measures. We discuss definitions, motivation and interpretation of some of those entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them.
@inproceedings{marwan2019,
title = {Recurrence based entropies},
author = {Norbert Marwan and Kai Hauke Kraemer and Karolin Wiesner and Sebastian F. M. Breitenbach and Jens Leonhardt},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/04/EGU2019-2817.pdf},
year = {2019},
date = {2019-04-08},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {21},
pages = {EGU2019-2817},
abstract = {Dynamical processes in Earth sciences are often considered to be of complex nature. The term complexity is often used for processes that are either unpredictable (e.g. nonlinear dynamics), consist of many different components, or exhibit regime transitions (e.g. tipping points). To measure complexity, the Shannon entropy is often used.
Here we present various entropy measures that have been defined on the base of the recurrence plot. Because of the different features that are used, these entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. In the past, this fact has lead to difficulties in interpreting and understanding those measures. We summarize the definitions, the motivation and interpretation of these entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them.
Finally, we illustrate their potential in an application on palaeoclimate time series. Using entropy measures, changes and transitions in the climate dynamics in the past can be identified and interpreted.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
}
Dynamical processes in Earth sciences are often considered to be of complex nature. The term complexity is often used for processes that are either unpredictable (e.g. nonlinear dynamics), consist of many different components, or exhibit regime transitions (e.g. tipping points). To measure complexity, the Shannon entropy is often used.
Here we present various entropy measures that have been defined on the base of the recurrence plot. Because of the different features that are used, these entropy measures represent different aspects of the analysed system and, thus, behave differently. In the past, this fact has lead to difficulties in interpreting and understanding those measures. We summarize the definitions, the motivation and interpretation of these entropy measures, compare their differences and discuss some of the pitfalls when using them.
Finally, we illustrate their potential in an application on palaeoclimate time series. Using entropy measures, changes and transitions in the climate dynamics in the past can be identified and interpreted.
Am PIK werden u. a. neue Methoden entwickelt, die einerseits neue Aspekte in Paläoklimadaten untersuchen, die aber auch mit den Schwierigkeiten klarkommen, die für gewöhnlich mit Paläoklimaanalysen zusammenhängen – wie z. B. Lücken in den DatenLücken in den DatenStalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Es kann sogar zu langen Ruhephasen kommen, in denen gar kein Wachstum stattfindet. Somit werden zu diesen Zeiten die entsprechenden Umweltinformationen nicht im Stalagmit abgespeichert. Es entstehen also "Lücken" in den Daten., Unsicherheiten der AlterUnsicherheiten der AlterUm die abgespeicherten Umweltinformationen aus den Stalagmiten bestimmten Zeiträumen zuordnen zu können, muß man diese datieren. Allerdings sind alle Datierungsverfahren mit Unsicherheiten behaftet. Das heißt, man kann den Zeitpunkt von bestimmten Umweltveränderungen, die man aus den Stalagmiten herauslesen kann, nie ganz genau bestimmen, sondern nur so ungefähr. Viele statistische Verfahren benötigen allerdings genaue Zeitpunkte und können daher mit solchen Daten nicht umgehen. oder Unregelmäßigkeiten der DatenpunkteUnregelmäßigkeiten der DatenpunkteStalagmiten wachsen nicht gleichmäßig. Daher kann man die im Stalagmiten gemessenen Umweltveränderungen nicht gleichmäßig bestimmten Zeitpunkten (z. B. jährliche Zeitpunkte) zuordnen. Das erschwert in der Regel statistische Auswertungen, da die Auswertemethoden meist von gleichmäßig verteilten Zeitpunkten ausgehen.. Dabei handelt es sich zwar um Grundlagenforschung, aber diese wird auch sofort auf interessante Fragestellungen angewendet.
In diesem Beispiel wurde eine Methode entwickelt, die die Regelmäßigkeit bestimmter Muster in den Daten bestimmt. Die Fachbegriffe sind hier „recurrence“ (Wiederkehr) und „entropy“ (ein Maß für die Unordnung). Methoden, die nach wiederkehrenden Mustern suchen, finden in verschiedenen Fachbereichen Anwendung, nicht nur in den Geowissenschaften, sondern auch in der Medizin, im Maschinenbau, Finanzsektor usw. Neben dem Auffinden von abrupten Änderungen werden sie auch für den Vergleich verschiedener Datensätze oder zur Klassifizierung (z. B. für Maschinelles Lernen) benutzt.
Die weiterentwickelte Methode wurde auf die Kohlenstoffisotopendaten von BB-1 und BB-3 angewendet (dazu wurden die Daten aus beiden Stalagmiten mit einem speziellen Verfahren zu einer langen Datenreihe vereinigt). Interessanterweise gibt es regelmäßige Unterschiede während des Einflusses des maritimen Klimas (Atlantikeinfluß) und während des Einflusses des Kontinentalklimas. Während des Atlantikeinflusses scheint sich das Klima regelmäßiger geändert zu haben als während des dominierenden Kontinentalklimas (da kann z. B. durch den regelmäßigen Wechsel von Kaltereignissen im Nordatlantik, sogenannten „Bond-EreignissenBond-EreignisKurze Zeiträume im Holozän, in denen kühleres Oberflächenwasser und Treibeis aus dem Arktischen Ozean bis tief in wärmere subpolare Gewässer getrieben wurde.“, oder auch mit der Nordatlantik-OszillationNordatlantische OszillationRegelmäßige Schwankung des Druckverhältnisses zwischen dem Islandtief im Norden und dem Azorenhoch im Süden über dem Nordatlantik. Verantwortlich für schnell wechselnde Großwetterlagen oder stabilen Wetterlagen (Schön- wie Schlechtwetter) in Europa und sogar Asien. zusammenhängen). Das könnte genutzt werden, um den Wechsel der Klimazonengrenze, wie er für die letzten 4000 Jahren bekannt ist (siehe Klimazonenverschiebung in Mitteleuropa), weiter in die Vergangenheit auszuweiten. Immer wenn das neue Maß anzeigt, daß es eine regelmäßigere Klimadynamik gab, lag die Klimazonengrenze weiter östlich von der Bleßberghöhle.
@incollection{breitenbach_bbh2022,
title = {Die Bleßberghöhle – ein Glücksfall für die Klimaforschung},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Norbert Marwan},
editor = {Thüringer Höhlenverein, e. V.},
year = {2022},
date = {2022-02-22},
urldate = {2022-02-22},
booktitle = {Nächster Halt: Bleßberghöhle},
address = {Suhl},
abstract = {Höhlen stellen generell für die Wissenschaft ein wertvolles Archiv dar, aus dem vielfältige und interessante Erkenntnisse gewonnen werden können. So gehören sie inzwischen auch zu den bedeutendsten Klimaarchiven auf dem Festland (See- und Meeressedimente stellen andere wichtige Archive dar). Solange die Höhlensedimente und Sinter ungestört bleiben, können hydrologische und klimatische Bedingungen detailliert aufgezeichnet werden. Die Bleßberghöhle ist in diesem Zusammenhang ein ausgesprochener Glücksfall, da sie über viele Jahrtausende komplett verschlossen war und so vor äußeren Störungen bewahrt wurde. Sie ist in vielen Abschnitten mit verschiedensten Sinterformen geschmückt. Für die Rekonstruktion regionaler Klimaänderungen sind vor allem die Stalagmiten geeignet. Die wissenschaftliche Bearbeitung des aus der Bleßberghöhle gesammelten Materials ist ein langwieriger Prozess und noch lange nicht abgeschlossen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können aber bereits erste interessante Aussagen gemacht werden, auf die wir hier nach einem kurzen allgemeinen Einblick in verschiedene Aspekte der Paläoklimaforschung eingehen wollen.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {incollection}
}
Höhlen stellen generell für die Wissenschaft ein wertvolles Archiv dar, aus dem vielfältige und interessante Erkenntnisse gewonnen werden können. So gehören sie inzwischen auch zu den bedeutendsten Klimaarchiven auf dem Festland (See- und Meeressedimente stellen andere wichtige Archive dar). Solange die Höhlensedimente und Sinter ungestört bleiben, können hydrologische und klimatische Bedingungen detailliert aufgezeichnet werden. Die Bleßberghöhle ist in diesem Zusammenhang ein ausgesprochener Glücksfall, da sie über viele Jahrtausende komplett verschlossen war und so vor äußeren Störungen bewahrt wurde. Sie ist in vielen Abschnitten mit verschiedensten Sinterformen geschmückt. Für die Rekonstruktion regionaler Klimaänderungen sind vor allem die Stalagmiten geeignet. Die wissenschaftliche Bearbeitung des aus der Bleßberghöhle gesammelten Materials ist ein langwieriger Prozess und noch lange nicht abgeschlossen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können aber bereits erste interessante Aussagen gemacht werden, auf die wir hier nach einem kurzen allgemeinen Einblick in verschiedene Aspekte der Paläoklimaforschung eingehen wollen.
@article{breitenbach2019,
title = {Holocene interaction of maritime and continental climate in Central Europe: New speleothem evidence from Central Germany},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Sarah Waltgenbach and Rik Tjallingii and Jens Leonhardt and Klaus-Peter Jochum and Hanno Meyer and Bedartha Goswami and Norbert Marwan and Denis Scholz},
doi = {10.1016/j.gloplacha.2019.03.007},
year = {2019},
date = {2019-00-00},
journal = {Global and Planetary Change},
volume = {176},
pages = {144–161},
abstract = {Central European climate is strongly influenced by North Atlantic (Westerlies) and Siberian High circulation patterns, which govern precipitation and temperature dynamics and induce heterogeneous climatic conditions, with distinct boundaries between climate zones. These climate boundaries are not stationary and shift geographically, depending on long-term atmospheric conditions. So far, little is known about past shifts of these climate boundaries and the local to regional environmental response prior to the instrumental era.
High resolution multi-proxy data (stable oxygen and carbon isotope ratios, S/Ca and Sr/Ca) from two Holocene stalagmites from Bleßberg Cave (Thuringia) are used here to differentiate local and pan-regional environmental and climatic conditions Central Germany through the Holocene. Carbon isotope and S/Ca and Sr/Ca ratios inform us on local Holocene environmental changes in and around the cave, while δ18O (when combined with independent records) serves as proxy for (pan-)regional atmospheric conditions.
The stable carbon isotope record suggests repeated changes in vegetation density (open vs. dense forest), and increasing forest cover in the late Holocene. Concurrently, decreasing S/Ca values indicate more effective sulfur retention in better developed soils, with a stabilization in the mid-Holocene. This goes in hand with changes in effective summer infiltration, reflected in the Sr/Ca profile. Highest Sr/Ca values between 4 ka and 1 ka BP indicate intensified prior calcite precipitation resulting from reduced effective moisture supply.
The region of Bleßberg Cave is sensitive to shifts of the boundary between maritime (Cfb) and continental (Dfb) climate and ideally suited to reconstruct past meridional shifts of this divide. We combined the Bleßberg Cave δ18O time series with δ18O data from Bunker Cave (western Germany) and a North Atlantic Oscillation (NAO) record from lake SS1220 (SW Greenland) to reconstruct the mean position of the Cfb-Dfb climate boundary. We further estimate the dynamic interplay of the North Atlantic Oscillation and the Siberian High and their influence on Central European climate. Repeated shifts of the Cfb-Dfb boundary over the last 4000 years might explain previously observed discrepancies between proxy records from Europe. Detailed correlation analyses reveal multi-centennial scale alternations of maritime and continental climate and, concurrently, waning and waxing influences of Siberian High and NAO on Central Europe.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {article}
}
Central European climate is strongly influenced by North Atlantic (Westerlies) and Siberian High circulation patterns, which govern precipitation and temperature dynamics and induce heterogeneous climatic conditions, with distinct boundaries between climate zones. These climate boundaries are not stationary and shift geographically, depending on long-term atmospheric conditions. So far, little is known about past shifts of these climate boundaries and the local to regional environmental response prior to the instrumental era.
High resolution multi-proxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. data (stable oxygen and carbon isotopeIsotopChemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben. ratios, S/Ca and Sr/Ca) from two Holocene stalagmites from Bleßberg Cave (Thuringia) are used here to differentiate local and pan-regional environmental and climatic conditions Central Germany through the Holocene. Carbon isotope and S/Ca and Sr/Ca ratios inform us on local Holocene environmental changes in and around the cave, while δ18O (when combined with independent records) serves as proxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. for (pan-)regional atmospheric conditions.
The stable carbon isotope record suggests repeated changes in vegetation density (open vs. dense forest), and increasing forest cover in the late Holocene. Concurrently, decreasing S/Ca values indicate more effective sulfur retention in better developed soils, with a stabilization in the mid-Holocene. This goes in hand with changes in effective summer infiltration, reflected in the Sr/Ca profile. Highest Sr/Ca values between 4 kaka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr. and 1 ka BPka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr. indicate intensified prior calcite precipitation resulting from reduced effective moisture supply.
The region of Bleßberg Cave is sensitive to shifts of the boundary between maritime (Cfb) and continental (Dfb) climate and ideally suited to reconstruct past meridional shifts of this divide. We combined the Bleßberg Cave δ18O time series with δ18O data from Bunker Cave (western Germany) and a North Atlantic Oscillation (NAO) record from lake SS1220 (SW Greenland) to reconstruct the mean position of the Cfb-Dfb climate boundary. We further estimate the dynamic interplay of the North Atlantic Oscillation and the Siberian High and their influence on Central European climate. Repeated shifts of the Cfb-Dfb boundary over the last 4000 years might explain previously observed discrepancies between proxy records from Europe. Detailed correlation analyses reveal multi-centennial scale alternations of maritime and continental climate and, concurrently, waning and waxing influences of Siberian High and NAO on Central Europe.
@inproceedings{breitenbach2016,
title = {A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany},
author = {Sebastian F. M. Breitenbach and Birgit Plessen and Sarah Wenz and Jens Leonhardt and Rik Tjallingii and Denis Scholz and Klaus-Peter Jochum and Norbert Marwan},
url = {https://bbh.pik-potsdam.de/wp-content/uploads/2021/05/Breitenbach_poster_EGU_2016.pdf},
year = {2016},
date = {2016-04-01},
booktitle = {Geophysical Research Abstracts},
volume = {18},
pages = {EGU2016-14213},
abstract = {Although Holocene climate dynamics were relatively stable compared to glacial conditions, climatic changes had significant impact on ecosystems and human society on various timescales (Mayewski et al. 2004, Donges et al. 2015, Tan et al. 2015). Precious few high-resolution records on Holocene temperature and precipitation conditions in Central Europe are available (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012).
Here we present a speleothem-based reconstruction of past climate dynamics from Blessberg Cave, Thuringia, central Germany. Three calcitic stalagmites were recovered when the cave was discovered during tunneling operations in 2008. Samples BB-1, -2 and -3 were precisely dated by the 230Th/U-method, with errors between 10 and 160 years (2σ). The combined record covers large parts of the Holocene (10 – 0.4 ka BP). δ13C and δ18O were analysed at 100 μm resolution. To gain additional insights in infiltration conditions, Sr/Ca and S/Ca were measured on BB-1 and BB-3 using an Röntgenanalytik Eagle XXL μXRF scanner.
Differences to other central European records (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012) suggest complex interaction between multiple factors influencing speleothem δ18O in Blessberg Cave. Furthermore, no clear influence of the North Atlantic Oscillation on our proxies is found. However, a link across the N Atlantic realm is indicated by a centennial-scale correlation between Blessberg δ18O values and minerogenic input into lake SS1220 in Greenland over the last 5 ka (Olsen et al. 2012). In addition, recurrence analysis indicates an imprint of Atlantic Bond events on Blessberg δ18O values (Marwan et al. 2014), corroborating the suggested link with high northern latitudes. Larger runoff into the Greenland lake seems to be associated with lower δ18O, higher δ13C and S/Ca ratios, as well as lower Sr/Ca ratios in Blessberg Cave speleothems. This might be linked to lower local temperature and/or changes in precipitation seasonality. Opposing millennial scale trends with lowering S/Ca ratios and δ13C values but increasing Sr/Ca ratios calls for more than one controlling factor. Most likely, δ13C decreased through the Holocene due to afforestation, which in turn might have increased sulphate retention in the thickening soil cover (Frisia et al. 2005) and limited sulphur flux into the cave. Alternatively, marine sulfur flux could have diminished with winter wind intensities. However, additional data is required to clarify this hypothesis. A positive Sr/Ca trend through the Holocene might result from increasing prior calcite precipitation induced by a negative moisture balance in summer.},
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pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
}
Although Holocene climate dynamics were relatively stable compared to glacial conditions, climatic changes had significant impact on ecosystems and human society on various timescales (Mayewski et al. 2004, Donges et al. 2015, Tan et al. 2015). Precious few high-resolution records on Holocene temperature and precipitation conditions in Central Europe are available (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012).
Here we present a speleothem-based reconstruction of past climate dynamics from Blessberg Cave, Thuringia, central Germany. Three calcitic stalagmites were recovered when the cave was discovered during tunneling operations in 2008. Samples BB-1, -2 and -3 were precisely dated by the 230Th/UU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute.-method, with errors between 10 and 160 years (2σ). The combined record covers large parts of the Holocene (10 – 0.4 ka BP). δ13C and δ18O were analysed at 100 μm resolution. To gain additional insights in infiltration conditions, Sr/Ca and S/Ca were measured on BB-1 and BB-3 using an Röntgenanalytik Eagle XXL μXRF scanner.
Differences to other central European records (e.g., von Grafenstein et al. 1999, Fohlmeister et al. 2012) suggest complex interaction between multiple factors influencing speleothem δ18O in Blessberg Cave. Furthermore, no clear influence of the North Atlantic Oscillation on our proxiesProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. is found. However, a link across the N Atlantic realm is indicated by a centennial-scale correlation between Blessberg δ18O values and minerogenic input into lake SS1220 in Greenland over the last 5 ka (Olsen et al. 2012). In addition, recurrence analysis indicates an imprint of Atlantic Bond events on Blessberg δ18O values (Marwan et al. 2014), corroborating the suggested link with high northern latitudes. Larger runoff into the Greenland lake seems to be associated with lower δ18O, higher δ13C and S/Ca ratios, as well as lower Sr/Ca ratios in Blessberg Cave speleothems. This might be linked to lower local temperature and/or changes in precipitation seasonality. Opposing millennial scale trends with lowering S/Ca ratios and δ13C values but increasing Sr/Ca ratios calls for more than one controlling factor. Most likely, δ13C decreased through the Holocene due to afforestation, which in turn might have increased sulphate retention in the thickening soil cover (Frisia et al. 2005) and limited sulphur flux into the cave. Alternatively, marine sulfur flux could have diminished with winter wind intensities. However, additional data is required to clarify this hypothesis. A positive Sr/Ca trend through the Holocene might result from increasing prior calcite precipitation induced by a negative moisture balance in summer.
Die drei Stalagmiten BB-1 bis BB-3 wurden von GFZ Potsdam, Ruhr-Uni Bochum, PIK Potsdam, Uni Mainz und Northumbria University geochemischGeochemieUntersuchung kleinster chemischer Unterschiede, meist anhand von Isotopenverhältnissen und Elementverteilungen, um Aussagen zu den Klima- und Umweltbedingungen während der erdgeschichtlichen Entstehung der Probe zu erhalten. untersucht.
Die DatierungDatierungUm einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung). (U/ThU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute.) wurde an der Uni Mainz vorgenommen. Stalagmit BB-1 ist vor 5.600 bis 600 Jahren, BB-2 vor 6.200 bis 3.700 und BB-3 (obwohl der kürzeste) vor 11.200 bis 5.300 Jahren gewachsen. Am GFZ wurden im BB-1 in über 1.000 Proben Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopeδ18ODer Atomkern des Sauerstoffs besteht aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an. (δ13C und δ18O) gemessen, im BB-2 und BB-3 jeweils etwa 400 bzw. 540 Proben. Parallel dazu wurde die Verteilung verschiedener Elemente (u.a. Sr/Ca und S/Ca) röntgenanalytisch gemessen. Die Altersmodellierung und statistische Auswertungen erfolgten an Ruhr-Uni Bochum, PIK Potsdam und Northumbria University.
In den AltersmodellenAltersmodellNach der Datierung eines Stalagmiten werden allen anderen Messungen (z. B. Isotopenverhältnisse), die ursprünglich entlang einer Längen-Achse durchgeführt wurden, ein Alter zugeordnet. der Stalagmiten BB-1 und BB-3 sind abrupte Wechsel von langsamen zu schnellem Wachstum bei etwa 5.900 v. Chr. und von schnellem zu einem eher langsamen Wachstum bei etwa 2.600 v. Chr. zu erkennen.
Altersmodelle der Stalagmiten BB-1 und BB-3. Deutlich sind Änderungen der Wachstumsgeschwindigkeiten bei etwa 6.200 v. Chr. und zwischen 5.900 und 2.600 v. Chr. zu erkennen, wofür Klimaänderungen verantwortlich sind.
Die zeitlichen Änderungen der Isotopenverhältnisse wurden mit Paläoklimadaten aus der Bunkerhöhle in Nordrhein-Westfalen und aus Grönland verglichen.
Isotopenverhältnisse in Stalagmiten BB-1 und BB-3 (kombiniert). Die längerfristigen Trends spiegeln vermutlich eine Änderung des solaren Einflusses wider. Die kurzzeitige Klima-Abkühlung um 6.200 v. Chr. ist deutlich in den Isotopenverhältnissen zu erkennen. Der abrupte Abfall der δ18O-Werte um 900 bis 1.200 AD fällt mit der mittelalterlichen Warmperiode zusammen.
Dieser Vergleich erlaubt eine Abschätzung der räumlichen Verteilung des Einflusses des maritimen, feuchten und warmen Atlantik-Klimas in Mitteleuropa. Die Bleßberghöhle befindet sich an der Grenze zwischen dem Einfluss des Atlantik-Klimas und dem kontinentalen, trockeneren und kälteren Klima aus dem Osten. Aus dem Wechsel zwischen stärkerer Ähnlichkeit und größeren Unterschieden im regionalen Klima an der Bleßberghöhle und der Bunkerhöhle läßt sich festzustellen, wann die Klimazonengrenze östlich oder westlich von der Bleßberghöhle lag, wann also das atlantische, feuchtere und wärmere Klima und wann das kältere und trockenere Kontinentalklima über der Bleßberghöhle vorherrschte. Diese Analyse konnte bis etwa 4.000 Jahre zurück durchgeführt werden (also etwa 2050 v. Chr.). Vor dieser Zeit können aufgrund fehlender Daten aus Grönland bislang keine Aussagen bezüglich der Lage der Klimazonengrenze getroffen werden, aber vermutlich lag um diese Zeit die Bleßberghöhle wohl im Einflussbereich des atlantischen Klimas. Um 1850 v. Chr. wechselte es dann zum kontinentalen Klima (in der späten Aunjetitzer KulturAunjetitzer KulturEine archäologische Kultur der Frühbronzezeit (ca. 2300 v. Chr. bis 1600/1500 v. Chr.). Bekannt durch die "Himmelsscheibe von Nebra"., bekannt durch die Himmelsscheibe von Nebra). Zwischen 950 bis 850 v. Chr. wurde der atlantische Einfluss wieder dominanter (gegen Ende der UrnenfelderkulturUrnenfelderkulturWeit verbreitete mitteleuropäische Kultur der späten Bronzezeit (1300 v. Chr. bis 800 v. Chr). Charakteristisch sind die Beisetzung der Toten in Urnen, sowie typische Bronze- und Keramikformen.).
Verlagerung der Klimazonengrenze (gestrichelt) nach Osten mit hypothetischem Verlauf (gepunktet) zur Zeit der Urnenfelderkultur (BU – Bunkerhöhle, BBH – Bleßberghöhle).
