Thermoluminiscence Dating of speleothemes

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.

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Zhang, J.; Klose, J.; Sierralta, M.; Tsukamoto, S.; Scholz, D.; Marwan, N.; Breitenbach, S.

Isothermal thermoluminescence (ITL) dating of a speleothem from Bleßberg Cave Presentation

29.06.2023, (17th International Luminescence and Electron Spin Resonance Dating conference (LED2023), Copenhagen (Denmark)).

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This study examines the method of isothermal thermoluminescence dating to determine the age of speleothems. Traditional methods for dating cave formations, such as 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, are challenging for very old samples. At LIAG, the stalagmite BB2-1 was used to investigate how thermoluminescence dating can be adjusted to provide accurate ages. Since light exposure on the stalagmite can affect the dating results, part of the material was removed using a special acid to minimize this effect. Additionally, it was tested how light might still influence the results. The age estimates were compared with U/Th ages measured at the University of Mainz, and they are in good agreement within the margin of error. This study thus demonstrates that thermoluminescence dating can provide reliable age estimates for particularly old speleothems.

Correlation of dating points
Comparison of dating results of BB2-1 using U/Th dating and TL dating

Stalagmite growth during MIS 9 and MIS 11

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.

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Klose, Jennifer

Quantitative multi-proxy climate reconstruction for MIS 3 in Central Europe based on precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany PhD Thesis

2024.

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Zhang, J.; Klose, J.; Sierralta, M.; Tsukamoto, S.; Scholz, D.; Marwan, N.; Breitenbach, S.

Isothermal thermoluminescence (ITL) dating of a speleothem from Bleßberg Cave Presentation

29.06.2023, (17th International Luminescence and Electron Spin Resonance Dating conference (LED2023), Copenhagen (Denmark)).

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Kühne, Sofia

Spurenelementanalyse eines Speläothems der Marinen Isotopenstadien 9 und 11 aus der Blessberghöhle Bachelor Thesis

Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, 2023.

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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.

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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.

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Some initial investigations on BB2-1 from the Blessberg Cave 2 were already performed at the LIAG in 2014/15, such as age dating, initial trace element and oxygen isotope analyses. Thus the approximate age of the stalagmite was known: 360 to 301 ka BP.

In 2022, as part of a bachelor thesis at the University of Mainz, the stalagmite BB2-1 was systematically dated and the new ages evaluated. For this purpose, 14 dating samples were taken and dated in the Isotope Geochemical Palaeoclimatology working group at the University of Mainz by means of 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 on a more modern system than at LIAG. Possible detritical content were taken into account and the ages corrected accordingly. The ages are, therefore, significantly more accurate than those already known.

The oldest age was found at the base of the stalagmite, as expected. It is 425.46 ± 5.43 ka BP. The youngest age, at the top of the stalagmite, is 320.49 ± 9.58 ka BP. The ages in between do not change uniformly. In the lower 4/5 of the stalagmite, all ages are older than 400 ka BP. Only in the upper fifth of the stalagmite the ages are significantly younger and range between 341.31 and 320.49 ka BP.

Stalagmit BB2/1 with dated ages
Stalagmite BB2/1 with drill sites (red) of the individual samples with the measured and corrected ages.

This allows us to define the growth phases of the stalagmite: The lower, larger part grew in isotope stage 11, the upper, younger part in isotope stage 9. Both stages are warm periods. The stalgamite did not grow in the cold periods before, in between, and after. It is interesting that growth only occurred in the beginning phases of these warm periods, which are warmer than the following phases within the isotope stage in question (growth in MIS 11e to 11c as well as in MIS 9e). After that, no more stalagmite growth took place, not even in more recent warm periods, which suggests a change in the hydrological conditions.

Luminescence Reader (Vorschau)

Development and application of alternative dating methods

Project Lead

Content

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.

Altersverteilung (Vorschau)

Dating and permafrost in Central Europe

Project Lead

Involved Partners

Content

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?

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Johannes Gutenberg University Mainz, Institute of Geosciences – Isotope-geochemical Palaeoclimatology/Speleothem Research

The 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.-geochemical Palaeoclimatology/Speleothem Research Group exists since September 2009 and is led by Prof. Dr. Denis Scholz. The major goal of the group is the reconstruction of past climate variability. We mainly use speleothems, such as stalagmites, stalactites and flowstones, as climate archives, which are secondary carbonates found in caves.

The group performs research in the Bleßberg Cave by dating and geochemical analyses of stalagmites.

Contact

Prof. Dr. Denis Scholz

Web site

https://www.geowiss.uni-mainz.de/isotopengeochemische-palaeoklimatologie-spelaeothemforschung/

Publications

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.

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Klose, Jennifer

Quantitative multi-proxy climate reconstruction for MIS 3 in Central Europe based on precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany PhD Thesis

2024.

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Klose, J.; Scholz, D.; Weber, M.; Vonhof, H.; Plessen, B.; Breitenbach, S.; Marwan, N.

Timing of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany Proceedings

Poster, 2023, (Summer School on Speleothem Sciences 2023, Sao Paulo).

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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 Proceedings

Poster, 2023, (XXI INQUA Conference, Rome (Italy)).

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Kühne, Sofia

Spurenelementanalyse eines Speläothems der Marinen Isotopenstadien 9 und 11 aus der Blessberghöhle Bachelor Thesis

Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, 2023.

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Klose, J.; Weber, M.; Vonhof, H.; Plessen, B.; Breitenbach, S.; Marwan, N.; Scholz, D.

Timing of Dansgaard-Oeschger events in Central Europe based on three precisely dated speleothems from Bleßberg Cave, Germany Proceedings

Poster, 2022, (KR9 Konferenz in Innsbruck).

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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.

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Bojack, Stephan

Rekonstruktion des MIS 3 anhand von Wachstumsphasen eines präzise datierten Speläothems aus der Bleßberghöhle Bachelor Thesis

Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, 2022.

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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 Proceedings

Poster, 2021, (GeoKarlsruhe 2021: Sustainable Earth – From processes to resources, Karlsruhe).

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Waltgenbach, Sarah

Evaluation of the potential of speleothems for reconstruction of (short-term) phases of extreme climate PhD Thesis

2019.

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Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Waltgenbach, Sarah; Tjallingii, Rik; Leonhardt, Jens; Jochum, Klaus-Peter; Meyer, Hanno; Goswami, Bedartha; Marwan, Norbert; Scholz, Denis

Holocene interaction of maritime and continental climate in Central Europe: New speleothem evidence from Central Germany Journal Article

In: Global and Planetary Change, vol. 176, pp. 144–161, 2019.

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Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Waltgenbach, Sarah; Tjallingii, Rik; Leonhardt, Jens; Jochum, Klaus-Peter; Meyer, Hanno; Marwan, Norbert; Scholz, Denis

Tracing past shifts of the boundary between maritime and continental climate over Central Europe Proceedings Article

In: Geophysical Research Abstracts, pp. EGU2018-9046, 2018.

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Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Wenz, Sarah; Leonhardt, Jens; Tjallingii, Rik; Scholz, Denis; Jochum, Klaus-Peter; Marwan, Norbert

A multi-proxy reconstruction of Holocene climate change from Blessberg Cave, Germany Proceedings Article

In: Geophysical Research Abstracts, pp. EGU2016-14213, 2016.

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Wenz, Sarah; Scholz, Denis; Spötl, Christoph; Plessen, Birgit; Mischel, Simon; Breitenbach, Sebastian F. M.; Jochum, Klaus-Peter; Fohlmeister, Jens

Timing and duration of climate variability during the 8.2 ka event reconstructed from four speleothems from Germany Proceedings Article

In: Geophysical Research Abstracts, pp. EGU2016-12731, 2016.

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Marwan, Norbert; Breitenbach, Sebastian F. M.; Plessen, Birgit; Scholz, Denis; Leonhardt, Jens

Recurrence properties as signatures for abrupt climate change Proceedings Article

In: Geophysical Research Abstracts, pp. EGU2014-8893, 2014.

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Logo LIAG

Leibniz Institute for Applied Geophysics Hannover (LIAG) – Section 3: Geochronology

The LIAG is a non-university research institute in Hanover, which is concerned with the exploration of the usable subsurface as well as the development of geophysical measurement and evaluation methods. The institute looks back on more than 50 years of experience in geophysical research.

The section Geochronology is specialised in Quaternary geochronology using 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. For Blessberg Cave the group is testing thermoluminescence (TL) dating of speleothems, which has a potential to date calcite up to ~2 million years. It is also planned to contribute in dating cave sediments.

Contact

Dr. Sumiko Tsukamoto

Web Site

https://www.leibniz-liag.de

Publications

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.

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Zhang, J.; Klose, J.; Sierralta, M.; Tsukamoto, S.; Scholz, D.; Marwan, N.; Breitenbach, S.

Isothermal thermoluminescence (ITL) dating of a speleothem from Bleßberg Cave Presentation

29.06.2023, (17th International Luminescence and Electron Spin Resonance Dating conference (LED2023), Copenhagen (Denmark)).

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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.

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