Karstmodell Vorschau

Karst modelling Schalkauer Platte

Project lead

Content

Development of a karst model for the area of the Schalkauer Platte and the tunnel area of the Blessberg cave. Tunnel constructions are potentially at risk from water migration through the rock. Particularly in highly permeable karst, the modelling of water pathways is of great importance for hazard assessment. How does the karstification behaviour change due to large underground structures? How does water movement change due to concrete placement? Does groundwater quality possibly suffer? What are the effects of changing water flow in the Blessberg cave (and in other caves)? These and many other questions will be addressed with karst modelling.

Results

Isolat und Präzipitate (Vorschau)

Diversity and role of cave bacteria in the formation of carbonate minerals

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within the framework of the research project “AquaDiv@Jena”, funded by the ProExcellence Initiative of the Free State of Thuringia, and the Collaborative Research Centre 1076 “AquaDiva ↗“, funded by the DFG

Project Lead

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What biodiversity do we find in subsurface habitats such as caves? What role do bacteria play in the Earth’s biogeochemical cycles? Which bacteria are involved in the formation of minerals?

Karst areas are particularly interesting subsurface habitats because they represent one of the most important natural subsurface reservoirs of carbon on Earth. Caves are like a window into these subsurface habitats and allow the exploration of subsurface microbial life. However, it can be difficult to distinguish between microbial communities that are pristine or indigenous and those that have been introduced into caves by animals and humans. The Blessberg cave provides a unique pristine site for the study of active bacterial communities in a karst system.

Using stalactite material and fluvialfluvial Durch fließendes Wasser verursacht; zum Beispiel: "Fluviale Sedimente" = durch fließendes Wasser abgelagertes Material. sediments from the Blessberg cave, the diversity and activity of the occurring bacteria and their formation of carbonate minerals are being investigated. For this purpose, a wide variety of techniques such as phylogenetic analyses, bacterial cultivation, electron microscopy, X-ray spectroscopy, confocal laser scanning microscopy and Raman spectroscopy are applied.

Carbonate precipitates of the bacterial isolate Rhodococcus globerulus SCM4
Carbonate precipitates of the bacterial isolate Rhodococcus globerulus SCM4 from the Blessberg cave. EDX mapping underlain by a gray level scanning electron microscopy image; the false colors red, green, and blue show the local occurrence of the elements carbon, oxygen, and calcium, respectively (Image: Elektronenmikroskopisches Zentrum Jena, Sándor Nietzsche and Anna Rusznyak).

Results

Sedimente vorschau

Carbon isotope monitoring

Project Lead

Involved Partners

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Constraining the response of carbon dynamics in the terrestrial system to climate warming are crucial for improved model-based predictions.

We aim to significantly improve our knowledge of terrestrial carbon dynamics in karst environments and their response, in particular of organic carbon reservoirs deep down in the karst, to climate variability. This goal will be obtained by combining novel information on C-cycling in contemporary karst systems with information on past C-cycle dynamics from speleothems:

  1. Investigating C dynamics in cave environments, in particular the size and role of present-day deep organic carbon (OC) in karst systems through extensive C monitoring. This will cover regular sampling of cave air and air outside the cave, soil air, drip water, soil leachate, karst CO2, and recent cave carbonates. Additionally, organic carbon along soil profiles from above the cave will be investigated. We will perform analyses of CO2 concentrations (where applicable) as well as δ13C and 14C signature on a monthly basis during two years. Contemporaneous speleothems will be analyzed using the novel LA-AMSLA-AMS Laser ablation mass spectrometry … technique.
  2. Understanding how speleothems record surface (vegetation) and subsurface (soil, karst) C cycling to investigate the response of terrestrial ecosystems, especially of the deep OC reservoir, to past climate shifts. For this, we will perform spatially resolved 14C analyses on speleothems covering past rapid climate shifts (< 25 ka BPka BP Mit "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.).
Luminescence Reader (Vorschau)

Development and application of alternative dating methods

Project Lead

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Development and application of dating methods based on luminescence and electron spin resonance (ESRElektronenspinresonanz-Datierung Eine physikalische Datierungsmethode, die darauf beruht, daß die Menge magnetischer Anomalien im Probenmaterial proportional zur Lagerungszeit im Sediment ist.) methods. Using samples from the Blessberg Cave, thermoluminescence (TL) dating of speleothems is being tested, which has the potential to date calcite up to ~2 million years.

Furthermore, it is planned to date cave sediments.

Monitoring vorschau

Monitoring

Project Lead

Involved Partners

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For the quantitative reconstruction of past moisture regimes, detailed measurements of the environmental conditions in the cave, in the ground, and on the surface are carried out. This programme is led by Northumbria Uni and gets support from all sides, especially from the cavers on site. In the cave, water samples are mainly collected for stable isotopeIsotop Chemische 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. analysis (δD and δ18O) and a number of parameters are measured, such as air and water temperature in the cave, water pressure, pCO2 and drip rates. At the surface, air temperature and soil temperatures are measured at different depths. In addition, carbonate is collected on watch glasses in the cave to support calibration studies and to better understand the growth dynamics of the stalagmites.

Altersverteilung (Vorschau)

Dating and permafrost in Central Europe

Project Lead

Involved Partners

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How are U/ThU/Th-Datierung Die 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 of cave carbonates in Europe distributed over time and space? Can these be used to spatiotemporally constrain permafrostPermafrost Unter Permafrost versteht man dauerhaft gefrorenen Boden, der auch im Sommer nicht auftaut. In Mitteleuropa gab es während den Eiszeiten Permafrost. in Europe?

Lehmbäumchen (Vorschau)

Sediment studies

Project Lead

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Lehmbäumchen in der Bleßberghöhle
Clay trees in the Bleßberg Cave (Photo: K. Peterknecht).

Quantification and qualification of clastic cave sediments from the karst area of the Schalkauer Platte. The aim is to clarify the provenance of the sediment components on the basis of mineralogical and physical composition and to attribute weathering-related macro- and micro-morphic changes to climate-related environmental influences. Furthermore, the formation conditions of sediment structures such as clay trees and sediment aggregates from the cave ceiling area (“swallows’ nests”) are investigated on the basis of the substrate composition.

BB-8 (Vorschau)

Quantitative climate reconstruction for Marine Isotope Stage 3

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DFG Project: Quantitative climate reconstruction for 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. in Central Europe based on multi-proxyProxy Umwelt- 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 from precisely dated speleothems (flowstones) from Bleßberg Cave, Germany

Project lead

Involved Partners

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The last glacial period and in particular the Marine IsotopeIsotop Chemische 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 (MIS) 3 (ca. 57 to 27 ka) 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 other climate archives in Europe, such as pollen or tree ring records. Unfortunately, little direct proxyProxy Umwelt- 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. evidence is available from central Europe, and the climatic and environmental conditions during MIS 3 remains 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, where meltwater enabled speleothem growth.

Preliminary 230Th/U-dating of further speleothems from Bleßberg Cave (Germany) revealed two flowstones, which grew during MIS 3 and the Late Glacial. Therefore, these flowstones are the most northern continental growth of speleothems during MIS 3 in central Europe.

The main objective of this project is to construct a precisely dated multi-proxy climate record for MIS 3 and the Late Glacial based on the flowstones from Bleßberg Cave. This will provide the unique opportunity to obtain precisely dated information on terrestrial climate variability during selected phases of the last glacial period, which is currently not available for Central Europe based on speleothems. With the combination of several different proxiesProxy Umwelt- 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 isotopes and trace elements, the results from a cave monitoring program, the analysis of the δD and δ18O values of inclusions of fossil water, and isotope-enabled climate modelling, we will be able to obtain detailed insights into environmental conditions in central Europe during MIS 3 and the Late Glacial.