The sedimentary history of loess : sources, deposition, and reworking of aeolian sediments as indicators for palaeoenvironmental changes in the Danube Basin

Pötter, Stephan; Lehmkuhl, Frank; Markovic, Slobodan B.

doi:40510

The sedimentary history of loess : sources, deposition, and reworking of aeolian sediments as indicators for palaeoenvironmental changes in the Danube Basin

Pötter, Stephan^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stephan Pötter, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Lehmkuhl, Frank (Thesis advisor)^RWTH* ; Markovic, Slobodan B. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-05739
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/820633/files/820633.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Southeast Europe (frei) ; aeolian sediments (frei) ; geoarchaeology (frei) ; loess (frei) ; palaeoclimatology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Löss ist eine äolische Staubablagerung, die etwa 10% der Erdoberfläche bedeckt. Trotz der atmosphärischen Ablagerung ist die Entstehung von Löss ein komplexes Gefüge, das mehrere geomorphologische und sedimentologische Prozesse umfasst. Während des Pleistozäns waren vor allem die Erosion durch Gebirgsgletscher und durch kontinentale Eisschilde sowie Verwitterungsphänomene wie Frostsprengung in periglazialen hohen Breiten und Hochlagen wichtige Prozesse der Staubproduktion. Ein weiterer wichtiger Faktor sind Flüsse, welche Lockersedimente erodieren und transportieren und die Staubbildung durch Abrieb während des Transports erhöhen. Nach der Ablagerung der fluvialen und alluvialen Sedimente können Feinpartikel durch den Wind ausgeblasen und transportiert werden. Die vom Wind transportierten Partikel werden in Staubfallen wie topographische Barrieren, Vegetation oder Biokrusten abgelagert. Der äolische Staub erfährt nach der Ablagerung Veränderungen, so genannte Lössifizierungsprozesse, die zur Konsolidierung und Erhaltung beitragen. Trotz dieser Prozesse ist Löss anfällig für Erosion und kann leicht durch Wasser umgelagert werden. In Europa hängt die Verbreitung von Löss und anderen äolischen Sedimenten stark von den (paläo-)geographischen Bedingungen und dem (Paläo-)Klima ab, welche die Prozesskette der Lössbildung beeinflussen. Besonders die mittleren Breiten sind von einem Lössgürtel bedeckt, der sich von Südengland bis in die Steppen Zentralasiens erstreckt. Das Einzugsgebiet der Donau, insbesondere in ihrem Mittel- und Unterlauf, ist eine der wichtigsten Lössregionen Europas, da Löss weite Bereiche des Einzugsgebiets bedeckt und die Ablagerungen bis ins Altpleistozän zurückreichen. Aufgrund ihrer großen Mächtigkeiten, teilweise mehr als 50 m, sind die Lössvorkommen des Donaubeckens ein wichtiges Archiv für paläoklimatische und paläoökologische Veränderungen in Mittel- und Südosteuropa, einer Region, die durch das Zusammenspiel atlantischer, mediterraner und kontinentaler Klimaregime beeinflusst wird. Die vorliegende Dissertation beleuchtet die sedimentäre Geschichte der Lössablagerungen des Donaubeckens und ihre Übertragung als Archiv paläoökologischer Veränderungen. Die sedimentäre Geschichte umfasst die Prozesskette der Lössentstehung und mögliche Veränderungen nach der Ablagerung, wie z.B. die Umlagerung durch Wasser. Zum Verständnis paläoklimatischer und paläoökologischer Veränderungen werden insbesondere die Sedimentpfade, die Vegetationsmuster, und die damit verbundenen Ökosystemeigenschaften sowie die nach der Ablagerung erfolgte Umlagerung der Sedimente aufgrund von Landschaftsinstabilitäten untersucht. Um regionale Muster der paläoökologischen Bedingungen für das Donaubecken zu entschlüsseln, werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften von sieben Löss-Paläoboden-Sequenzen und einer jungpaläolithischen Freilandfundstelle aus verschiedenen geomorphologischen Situationen betrachtet. Um die Deflation und die äolischen Transportwege für pleniglaziale Lössablagerungen aus dem unteren Donaubecken zu verstehen, wurden Sedimentpfade anhand der geochemischen Zusammensetzung von fünf Löss-Paläoboden-Sequenzen rekonstruiert. Diese erstrecken sich entlang eines Transsektes vom Plateau der Dobrudscha im Süden in Richtung der nördlichen Walachischen Tiefebene. Der Vergleich mit Lössablagerungen aus Referenzregionen ergab, dass die alluvialen Ablagerungen der Donau und ihrer Nebenflüsse, die die Karpaten und das Balkangebirge entwässern, die Hauptstaubquelle für die Lössablagerungen des südlichen unteren Donaubeckens sind, was die Rekonstruktion westlicher Paläowindrichtungen erlaubt. Im Norden des Beckens wird eine beträchtliche Menge Staub aus Flüssen wie Sereth, Pruth oder Dnjestr, die die Flyschzonen der Ostkarpaten entwässern, was auf stärkere und frequentere Nordwestwinde hinweist. Basierend auf stabilen Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenanalysen von zwei Löss-Paläoboden-Sequenzen aus dem mittleren Donaubecken, Irig und Semlac, wurde die Vegetation des Beckens des mittleren bis späten Pleistozäns von C3-Pflanzen, höchstwahrscheinlich Gräsern, dominiert, die als effiziente Staubfallen dienten. Die Isotopenzusammensetzung der beiden Profile zeigt einen paläoklimatischen Gradienten, mit trocken Bedingungen im Süden und feuchterem Klima im Norden. Die geochemische Analyse betont die paläoklimatologische Bedeutung von Aridität, die die Vegetationsverteilung sowie die Eigenschaften von Ökosystemen während der Interglaziale und Interstadiale maßgeblich beeinflusst hat. Die Genese einer umgelagerten archäologischen Freilandfundstelle wurde detailliert an der jung-paläolithische Fundstelle Temereşti Dealu Vinii untersucht. Artefakte der Kultureinheiten des Aurignaciens und des (Epi-)Gravettien durchsetzen die Sequenz mit (typologischen) Altersinversionen und ohne horizontale Konzentrationen. Gleichzeitig zeigt Temereşti keine offensichtliche Stratifizierung. Die ursprünglich äolischen Sedimente wurden (sub-)kontinuierlich durch fluviale Prozesse umgelagert. Aufgrund der Geomorphologie und fehlender Abnutzung der Artefakte kann die Transportdistanz auf die Terrassenbreite der Fundstelle beschränkt werden. Die Umlagerung fand während Phasen der Landschaftsinstabilität während des Holozäns statt. Diese Dissertation beleuchtet die Stufen der sedimentären Geschichte von Löss als paläoökologische Indikatoren für das Mittel- bis Jungpleistozän im Donaubecken. Die Bedeutung von Multi-Proxy-Ansätzen wird durch die Anwendung von drei verschiedenen solcher Ansätze auf Lössablagerungen aus unterschiedlichen Milieus hervorgehoben. Diese werden kombiniert, um regionale Paläoumweltmuster Südosteuropas im Zusammenhang mit der Ausbreitung des anatomisch modernen Menschen auf dem Subkontinent während des Pleniglazials zu entschlüsseln.

Loess is a windblown dust deposit, which covers approximately 10% of the Earth’s surface. Especially the Eurasian mid-latitudes are mantled by a belt of loess deposits spanning from southern England towards the steppes of Central Asia. Despite its terminal atmospheric deposition, the formation of loess is a complex chain including several geomorphological and sedimentological processes. Aeolian processes cannot solely produce dust particles in sufficient amounts. During the Pleistocene, grinding of Alpine glaciers and continental ice sheets – as well as physical weathering phenomena such as frost shattering in periglacially influenced high-latitudes and -altitudes were among the essential formation processes of silt production. Rivers are another important factor, since they erode and transport unconsolidated sediments and increase dust formation due to abrasion during riverine transport. After the deposition of fluvial and alluvial de-posits, fine particles, mostly in the silt fraction, can be deflated and transported by wind. Topographic barriers or biotic components, such as vegetation or biocrusts, trap the particles. The aeolian dust undergoes post-depositional alterations, so-called loessification processes, which help to preserve the deposit. Despite these processes, loess is prone to erosion, especially to reworking by water. In Europe, the distribution of loess and other aeolian sediments is strongly related to (palaeo-)geographic conditions and the (palaeo-)climate influencing the process chain of loess formation. The catchment of the Danube River, especially in its middle and lower course, is one of the most important loess regions in Europe since loess covers vast areas of the basin and the records reach back to the Early Pleistocene. Due to thicknesses, which in some instances exceed 50 m, the loess deposits of the Danube Basin are a crucial archive for palaeoclimatic and palaeoenvironmental changes in Central and Southeast Europe. The interplay of the Atlantic, Mediterranean, and continental climate regimes influences this region. The present dissertation casts light on the sedimentary history of loess deposits of the Danube Basin to highlight its applicability as an archive of palaeoenvironmental changes. The sedimentary history includes the process chain of loess formation and possible post-depositional alteration such as reworking by water. Especially dust deflation, transport, and deposition via sedimentary pathways, the vegetation patterns trapping aeolian mineral dust and related ecosystem qualities, and the post-depositional reworking of aeolian sediments due to landscape instability are investigated to understand palaeoclimatic and palaeoenvironmental changes. This dissertation examines the physical and chemical properties of seven loess-palaeosol sequences and one archaeological excavation from various geomorphological settings to unravel regional environmental patterns for the Middle and Lower Danube Basin. To reconstruct the deflation and aeolian transport of dust, sedimentary pathways for Pleniglacial loess deposits from the Lower Danube Basin are reconstructed based on geochemical compositions of five loess-palaeosol sequences, distributed along a cross-section from the plateau of the Dobrogea in the south towards the northern Wallachian Plain. The comparison with loess depos-its of reference regions revealed that the alluvial deposits of the Danube and its tributaries draining the Carpathians and Balkan Mountains are the primary source for the loess deposits of the southern Lower Danube Basin indicating westerly palaeowind directions. Northwards, a consider-able amount of dust derived from the rivers draining the flysch zones of the Eastern Carpathians, such as Siret, Prut, or Dniester, pointing to stronger north-westerly winds. Based on stable carbon and nitrogen isotope analyses of two loess-palaeosol sequences from the Middle Danube Basin, Irig and Semlac, the vegetation of the basin during the Middle to Late Pleistocene was dominated by C3 plants, most likely grasses, which acted as an efficient dust trap. The isotopic composition of the two sequences also reveals a palaeoclimatic gradient in the basin, as the South of the basin seems to have been experiencing drier conditions compared to the north. The geochemical evidence highlights the importance of aridity as a palaeoecological factor that influenced vegetation patterns and ecosystem qualities during interglacial and interstadial periods. The Upper Palaeolithic findspot of Temereşti Dealu Vinii was investigated to reconstruct site-formation processes of a reworked archaeological open-air site. Temereşti shows no evident stratification, and lithic artefacts from the Aurignacian and (Epi-)Gravettian cultural units permeate the sequence with (typological) age inversions and no horizontal concentrations. The primarily aeolian sediments were (sub-)continuously translocated by fluvial processes. Based on geomorphological evidence and the lack of wear on the found artefacts, the range of transport is constrained to the width of the river terrace on which the site is located. Reworking took place during known phases of landscape instability during the Holocene in the area. This dissertation illuminates the steps of the sedimentary history of loess as palaeoenvironmental indicators for the Pleistocene in the Danube Basin. It highlights the importance of multi-proxy approaches by the application of three different courses on loess deposits from different milieus. These approaches are combined to unravel regional palaeoenvironmental patterns of Southeast Europe in the context of the dispersal of anatomically modern humans into the subcontinent during the Pleniglacial.

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