Publications – Science@Bleßberghöhle

Zhang, Junjie; Klose, Jennifer; Scholz, Denis; Marwan, Norbert; Breitenbach, Sebastian F. M.; Katzschmann, Lutz; Kraemer, Dennis; Tsukamoto, Sumiko

Isothermal thermoluminescence dating of speleothem growth – A case study from Bleßberg cave 2, Journal Article

In: Quaternary Geochronology, vol. 85, pp. 101628, 2024.

Abstract | Links | BibTeX | Tags: bb2-1, chronology, dating, jgu, liag, northumbria, pik, stalagmite, tl dating

@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 = {bb2-1, chronology, dating, jgu, liag, northumbria, pik, stalagmite, tl dating},

pubstate = {published},

tppubtype = {article}

}

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Speleothems are a key archive of past climatic and environmental changes. 230Th/UU/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 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 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. 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.

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Marwan, Norbert

Bleßberghöhle – Schatzkammer für die Wissenschaft Presentation

15.06.2022, (VdHK-Symposium: Wissenschaft unter Tage – Höhlenforschung im Dialog, Truckenthal (Germany)).

BibTeX | Tags: abrupt climate change, bacteria, chronology, climate zone shift, karst development, microbiology, morphology, palaeoclimate, pik, stalagmite

230Th/U – Datierung eines Speläothems der Marinen Isotopenstadien 9 und 11 aus der Bleßberghöhle in Thüringen

Geier, Florian

²³⁰Th/U – Datierung eines Speläothems der Marinen Isotopenstadien 9 und 11 aus der Bleßberghöhle in Thüringen Bachelor Thesis

Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, 2022.

Abstract | Links | BibTeX | Tags: bb2-1, chronology, dating, jgu, stalagmite

Im Zuge des gegenwärtigen Klimawandels gewinnen Rekonstruktionen des vergangenen Klimas zunehmend an Bedeutung, da durch sie klimatische Entwicklungen besser verstanden werden können. SpeläothemeSpeläothem Sekundäre Mineralablagerungen in Höhlen, wie Sinter, Stalagmiten, Stalaktiten, usw. bilden ein terrestrisches Archiv, welche mittels der 230Th/U-DatierungDatierung Um 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). 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 (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.) 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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Sierralta, Melanie; Katzschmann, Lutz; Nikonow, Wilhelm; Rammlmair, Dieter

Insights in Bleßberg cave: Speleothem chronology and geochemical research Proceedings Article

In: 75. Jahrestagung der Deutsche Geophysikalische Gesellschaft in Hannover, 2015.

Abstract | BibTeX | Tags: bb2-1, chronology, liag, stalagmite

@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.},

keywords = {bb2-1, chronology, liag, stalagmite},

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 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. investigation they provide insights into climatic changes from MIS 11 to the Holocene.

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