Organic geochemical proxies of tsunami deposits

Bellanova, Piero; Reicherter, Klaus; Schwarzbauer, Jan

doi:HT020382136

Organic geochemical proxies of tsunami deposits

Bellanova, Piero^RWTH*

2019 & 2020

VerantwortlichkeitsangabeSubmitted by Piero Bellanova, M.Sc.

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (XIX, 195 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Reicherter, Klaus (Thesis advisor)^RWTH* ; Schwarzbauer, Jan (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-12-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-02457
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/783340/files/783340.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biomarker (frei) ; Tsunami (frei) ; anthropogene Marker (frei) ; organische Geochemie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Naturgefahren haben die Menschheit durch ihre Historie begleitet, unter diesen Risiken sind Tsunamis diejenigen Ereignisse, die bis vor relativ kurzer Zeit am wenigstens verstanden und untersucht worden sind. Übertragen mit globaler Präsenz haben sie, nach den zerstörerischen Ereignissen des 2004 Tsunamis im Indischen Ozean und des 2011 Tohoku-oki Tsunamis, öffentliches und wissenschaftliches Interesse geweckt. Gezielte Forschungen seit den späten 1980ern fanden ihren Höhepunkt nach diesen verheerenden Ereignissen. Im Verlauf der Tsunami-Forschungen haben nur wenige Methoden den Status eines Standard-Proxys im Instrument-Repertoire zur Identifizierung von Tsunami erlangt. Bei ihrer breiten Anwendung in paläo-, historischen und modernen Tsunami-Studien sind sedimentologische und paläontologische Standard-Proxys unverzichtbar geworden. Diese unumstrittene Position wird jedoch in Frage gestellt, da die Limitierungen ausgehend von der (ausschließlichen) Analyse von Sandablagerungen dieser Methoden möglicherweise zur Unterschätzung des Gefahrenpotenzials für die japanische Küste vor dem 2011 Tohoku-oki Tsunami beigetragen haben. Diese Einschränkungen zusammen mit dem unvermeidlichen Fortschritt in der Analytik sind mitunter Grund von neuartigen Studien in den Tsunami-Wissenschaften. Die letzte Neueinführung stellt die vielversprechende Anwendung der Organischen Geochemie zur Charakterisierung von Tsunamiten dar. In zahlreichen Umweltstudien wird die Organische Geochemie regelmäßig genutzt, jedoch stellt ihr Ersteinsatz im Kontext zur zunehmenden Anzahl an anorganisch geochemischen Studien den Beginn eines neuen Kapitels in der Tsunami-Forschung. Diese Promotionsarbeit verdeutlich zunächst die Grenzen der bisherigen Standard-Proxys, bevor eine Bewertung der Anwendbarkeit und Limitierung von organisch geochemischen Markern, sowohl Biomarker als auch anthropogene Marker, folgt. An drei Untersuchungsgebieten, Boca do Rio (Portugal), Kahana-Tal (Hawaii) und Sendai-Ebene (Japan) die sich allesamt durch unterschiedliche sedimentologische und ökologische Bedingungen auszeichnen, zudem von Tsunamis unterschiedlicher Magnitude und Alters betroffen waren, werden Standard- und organisch geochemische Proxys getestet und deren Ergebnisse gegenübergestellt. In Boca do Rio wurde eine Multi-Proxy-Studie durchgeführt, die nicht nur den 1755 Lissabon Tsunami charakterisiert, sondern auch zur Entdeckung eines bisher noch unbekannten, auf das mittlere bis späte 1. Jahrtausend n. Chr datierende. Tsunami-Ereignisses führte. Mit den standardisierten sedimentologischen, mikropaläontologischen und anorganischen geochemischen Methoden konnten wir somit den portugiesischen Tsunami-Katalog erweitern. Anorganische geochemische Marker werden bereits häufig zur Erkennung von marinen Überflutungsereignissen verwendet, jedoch sind bestimmte anorganische Vertreter wie Salze in der Identifizierung von Tsunamiten durch ihr geringes Erhaltungspotential eingeschränkt. Die Hawaiianischen Inseln erlebten aufgrund ihrer zentralen Lage im Pazifischen Ozean eine Vielzahl von Tsunamis in den letzten 200 Jahren. Zwei sich ergänzende Studien auf den Inseln haben durch eine standardisierte sedimentologische und organische geochemische Charakterisierung, im Zuge der erstmaligen Anwendung von anthropogenen Markern, zur Identifizierung mehrerer anormaler Sandlagen tsunamigenen Ursprungs geführt. Stoffgruppen wie Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe, Pestizide und Organochloride wurden aus den Sedimenten extrahiert und mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie qualitativ und quantitativ analysiert. Deutliche Konzentrationsänderungen zwischen den Tsunamilagen und dem umgebenden Hintergrundsedimenten halfen bei deren positiven Identifizierung. Während sich die Anwendung von anthropogenen Markern in ländlichen Gebieten weiterhin als schwierig erweist, zeigt die erstmalige erfolgreiche Anwendung von organischen Proxys an Tsunamiablagerungen das Potenzial geochemischer Marker. Nach den positiven Ergebnissen der Erstanwendung stellen wir eine Studie zum Konzeptnachweis für die Anwendbarkeit von Biomarkern und anthropogenen Markern vor. Die Überflutung der Sendai-Ebene durch den 2011 Tohoku-oki Tsunami (bis zu 4.5 km landeinwärts) hatte eine massive Zerstörung sowie die Erosion und Verteilung von großen Mengen an Sediment, Boden und Schadstoffen zur Folge. Dies führte auch zur Freisetzung und Verteilung von anthropogenen und Biomarkern aus verschiedensten Quellen in der Sendai-Ebene, wodurch sich eine individuelle geochemische Signatur in den Tsunamilagen bildete. Dessen Konzentration unterscheidet sich signifikant von den Werten der Hintergrundkontamination vor und nach dem Tsunami, was auf die drastischen Umweltveränderungen für die Sendai-Ebene während des Tsunami zurückzuführen ist. In dieser Studie zum Konzeptnachweis wurden frühere Forschungsergebnisse von Richmond et al. (2012), Szczuciński et al. (2012) und Shinozaki et al. (2015) mit organisch geochemischen Proxys positiv reproduziert und sogar erweitert, durch den Nachweis spezifischer Sedimentquellen basierend auf der hohen Quellspezifität der detektierten Verbindungen. In Gesamtbetrachtung ist die Anwendung von Standard-Proxys von entscheidender Bedeutung, jedoch ist die Erweiterung der verfügbaren Instrumente zur Identifizierung von Tsunamis von hoher Wichtigkeit. Die Organische Geochemie als neuster Zugang in dieses Repertoire, bietet großes Potenzial um zusätzliche Informationen zu hydrodynamischen Prozessen, Sedimenterosion, Transport und Ablagerung, sowie potenzieller (Wasser-)Wege (z.B. marine Quellen, Hinweise auf den Rückstrom) die mit Tsunami-Ereignissen in Verknüpfung stehen, zu erlangen. Da diese Parameter ortsspezifisch sind, können sie aufgrund ihrer hohen Quellenspezifität und ihres guten Erhaltungspotenzials von organischen Markern erfasst werden. Zusammenfassend präsentieren wir in dieser Promotionsarbeit den unbestreitbaren Nutzen von Standard-Proxys für die Tsunamiforschung, jedoch zeigen die Fähigkeiten der organischen Geochemie, durch die Anwendung an unterschiedlichen sedimentären Archiven, das Zukunftspotential vorhandene Wissenslücken zu schließen, die von Standard-Proxys bisher noch unbeantwortet blieben.

Natural hazards have accompanied humanity throughout history, however, amongst these tsunamis have been the least understood events until relative recent times. Broadcasting itself on the global stage tsunamis got into the center of public and scientific attention after the contemporary devastating events of the 2004 Indian Ocean Tsunami and the 2011 Tohoku-oki Tsunami. Focused research, started in the late 1980s, found its peak in the aftermath of these prominent tsunamis. In the course of tsunami investigations few methods have merit the status as standard proxies in the tsunami identification toolkit. In their broad application in paleo-, historic and modern tsunami surveys, standard sedimentological and paleontological proxies have become almost indispensable assets. This undisputed position, however, is crumbling since the limitations on the (solely) analysis of sandy deposits by these methods potentially contributed to the underestimation of the hazard potential along the Japanese coastline prior to the 2011 Tohoku-oki tsunami. These limitations in line with inevitable analytical progression is a byproduct of every newly introduced study into tsunami research. The newest introduction marks the promising application of organic geochemistry for characterization of tsunamites. Organic geochemistry is commonly used in environmental studies, however, its entry in context with increased numbers of inorganic geochemical studies represents the beginning of a new chapter in tsunami research. This thesis evaluates the limits of standard proxies before assessing the application and limitations of organic geochemical markers, both biomarker and anthropogenic markers. At three field locations, Boca do Rio (Portugal), Kahana Valley (Hawaii) and Sendai Plain (Japan) with varying sedimentological and environmental settings affected by tsunamis of different magnitude and age, standard and organic geochemical proxies are tested and results contrasted. At Boca do Rio a multi-proxy study was conducted not only characterizing the AD 1755 Lisbon tsunami but also lead to the detection of a yet unknown tsunami deposit event, most likely dating to the mid orlate 1st millennium AD. With standard sedimentological, micropaleontological and inorganic geochemical methods we were able to extend the Portuguese tsunami record. Inorganic geochemical proxies are already frequently used to detect marine inundation events, however, certain proxies (e.g., salts) are limited by their low preservation potential. The Hawaiian Islands experienced due to their location in the center of the Pacific Ocean, dozens of tsunamis over the past 200 years. Two complementary studies on the Islands have led to the identification of multiple anomalous sand beds of tsunami origin by standard sedimentological proxies and an organic geochemical characterization of aforementioned with the first successful application of anthropogenic markers. Compounds, such as polycyclic aromatic hydrocarbons, pesticides and organochlorides, were extracted from the sediments and analyzed using gas chromatography-mass spectrometry. Distinct changes in concentration between the tsunami sands and the surrounding background sediment helped in identification. While application in rural areas remains difficult, this presenting the first successful application of organic proxies on tsunami deposits also shows the potential of geochemical markers. Succeeding the positive results of the first application we present a concluding proof-of-concept study for biomarkers and anthropogenic markers. At the Sendai Plain the 2011 Tohoku-oki tsunami inundated the coastal lowland up to 4.5 km inland, causing massive destruction while eroding and redistributing large amounts of soil and sediment. This led to the release and distribution of anthropogenic markers and biomarkers from different sources across the Sendai Plain creating a unique geochemical signature in the tsunami deposits. Their concentrations differed significantly from the pre- and post-tsunami background contamination levels, reflecting the remarkable environmental changes on the Sendai Plain due to the tsunami. In this proof-of-concept study prior research results by Richmond et al. (2012), Szczuciński et al (2012) and Shinozaki et al. (2015) have been positively reproduced by organic geochemical proxies, and even extended by presenting more specific sediment sources due to the high source specificity of the detected compounds. While the application of standard proxies is crucial, the extension of available tools on disposal for tsunami identification is of importance. Organic geochemistry, the newest entry into this toolkit presents great potential in providing additional information on hydrodynamic processes, sediment erosion, transport and deposition, potential (water-)pathways (e.g., marine source, evidence of backwash) associated with tsunamis. Especially as these parameters are site-specific, they can be well-captured by organic markers due to their high source-specificity and good preservation potential. By this doctoral thesis we demonstrate the indisputable usefulness of standard proxies for tsunami investigations and the capabilities of organic geochemical proxies. Latter are presented by utilization on different sedimentary archives to highlight their future potential to close existing knowledge gaps still unanswered by standard proxies.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)