@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/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. (ca. 320–425 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.). 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.
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). eines Speläothems der Marinen IsotopenstadienMIS"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. 9 und 11 aus der Bleßberghöhle in Thüringen Bachelorarbeiten
@bachelorthesis{geier2022,
title = {^{230}Th/U – Datierung eines Speläothems der Marinen Isotopenstadien 9 und 11 aus der Bleßberghöhle in Thüringen},
author = {Florian Geier},
year = {2022},
date = {2022-06-01},
urldate = {2022-06-01},
school = {Johannes-Gutenberg-Universität},
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.},
keywords = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {bachelorthesis}
}
Im Zuge des gegenwärtigen Klimawandels gewinnen Rekonstruktionen des vergangenen Klimas zunehmend an Bedeutung, da durch sie klimatische Entwicklungen besser verstanden werden können. SpeläothemeSpeläothemSekundäre Mineralablagerungen in Höhlen, wie Sinter, Stalagmiten, Stalaktiten, usw. 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 (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.
@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 = {},
pubstate = {published},
tppubtype = {inproceedings}
}
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 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..
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.
