@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.
