Oberseminar Arbeit

Löss

Löss-Profile in China

und die Rekonstruktion der Klima-Entwicklung in einer Eishauszeit

Bearbeiter: Esther Dietzel

Matrikelnummer: 40677

Betreuer: Prof. Dr. rer. nat. habil. Christoph Breitkreuz

Datum 13.05.03

Ort: Technische Universität Bergakademie Freiberg

1. Einleitung

Das Lössplateau in China bietet eine quasi kontinuierliche Akkretion von Sediment

über das gesamte Quartär (Wechsellagerung Löss, Paläosols).

Neben den Sedimenten der Tiefsee bietet der Löss eine einzigartige Möglichkeit zu

detailierten terrestrischen Untersuchungen der quartären Umweltfaktoren und deren

Korrelation mit den Tiefseesedimenten.

2. Eigenschaften von Löss (SCHREINER 1997) und speziell des China-Löss

Nach KEILHACK (1920) werden ungefähr 9% der Landoberfläche von Löss bedeckt, es ist

somit wahrscheinlich das häufigste Sediment der terrestrischen Erde.

Nach PYE & SHERVIN (1999) beträgt der mittlere Korndurchmesser 16-33 µm. Der Löss

besteht durchschnittlich aus 51% Quarz, 21% Feldspat, 12% Calcit, 7% Dolomit und

10% Glimmer. Insbesondere der Malan Löss (siehe 6.) ist unverfestigt, schwach

zementiert und besitzt eine hohe Porosität (bis 50%). Älterer Löss ist höher

kompaktiert und besitzt eine niedrigere Porosität.

Der Chinesische Löss ist aufgrund der steilen Hänge, der hohen Niederschlagsmengen,

der dünnen Vegetationdecke und wegen des Löss selbst, starker Erosion ausgesetzt.

Bei Durchfeuchtung kann es zum Kollaps des Löss kommen, da der Zement Salze,

Calciumkarbonat und Ton enthält. Auflast führt zu kriechen des Lösses.

Der geschichtete Fließlöss bildet sich, wenn der Löss bei der Ablagerung verschwemmt

wird, wohingegen Schwemmlöss große Schwemmfächer bildet, welche durch Erosion

von bereits abgelagerten Löss entstehen.

3. Herkunft und Entstehung von Löss (SCHREINER 1997)

Löss bildet sich durch Akkumulation durch aus Sander und- Schotterflächen

ausgewehtem Silt. Auch durch Gerölltransport zerkleinertes Feinkorn trägt zur

Lössbildung bei. Auch Feinkorn der Frostschuttzone, welches durch Frostverwitterung

und Frostbodenbewegung zur Oberfläche transportiert wird, hat einen Anteil.

Löss kann nur zu einer Kaltzeit gebildet werden, weil nur dann große, verwehbare

Mengen von Silt auf großen, vegetationslosen Flächen bereitgestellt werden. Fixiert

wird der Löss durch Befeuchtung oder Steppengras.

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4. Das Lössplateau in China

Das Lössplateau (Abb.1) ist das Resultat einer sehr effektiven Siltakkumulation.

Erkennbar ist dies an den Ausmasen und der Mächtigkeit des Lösses. Das Plateau

nimmt eine Fläche von 440.000 km2 ein. Als Vergleich sei an dieser Stelle

Deutschland mit einer Fläche von 350.000 km2 genannt. Es erstreckt sich zwischen

33° - 47° N Breite und 127° - 75° Östliche Breite. Der Löss nimmt ein Volumen von

2*105 km3 ein und ist vom Volumen her vergleichbar mit den Bergen in Skandinavien.

(MAHER & THOMSON 1999)

Abb. 1 Lössverteilung des Lössplateaus (MAHER &THOMSON 1999)

Die Partikelgröße des Lösses verändert sich zum Feineren nach Süd-Osten hin, was

einen Transport von einer Quelle im Norden/Nordwesten nahelegt. Auch die

Gesamtmächtigkeit des Lösses nimmt von Nordwesten nach Südosten hin ab. Mit dem

korreliert die Strontium,- Neodymium,- REE und Spurenelementkonzentration, welche

nahelegt, dass das Liefergebiet eine Wüste im Norden/Nordwesten darstellt. Der

magnetische Anteil in rezentem Wüsten-Sand ist sehr gering. Der chinesische Löss

hingegen hat variable aber oft sehr hohe 10Be Werte, was ein Indikator dafür ist das

Gebiet Regen ausgesetzt war (PAVICH ET AL., 1986). Daraus folgt das Ursprungsgebiet

anhaltender subaärischer Verwitterung in einem Gebiet mit viel Niederschlag

ausgesetzt war. Vom 10Be Level ausgehend kann davon ausgegangen werden, dass

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das Gebiet 1 Ma oder länger in humider Umgebung (zur 10Be Absorbtion) verweilt

hat. ( MAHER & THOMSON 1999).

Somit ist eine mögliche Quelle des Lösses das kalte, feuchte und sich hebendes

Tibetplateau und der Himalaya (nach MAHER & THOMSON 1999). Nach DERBYSHIRE & MENG,

2000 ist die Hauptquelle des Lösses die Wüsten im Nordwesten von China und große

alluviale Fächer am Fuß von Bergketten in Westchina.

Der erodierte Silt wurde durch den westwärtigen Jetstream und den Winter-Monsun

nach Südosten transportiert. Die großen Lössmächtigkeiten wurden durch die

Begrenzung durch Berge im Süden und Osten erreicht. Auch das Tibetplateau besitzt

neben der Rolle als Ursprungsgebiet noch eine Bedeutung als “Windblocker“. Durch die

Hebung des Tibetplateaus wurde der Fluss von feuchter Luft vom Südosten her

gestoppt und so die Ablagerung des Lösses hervorgerufen.

Die Paläosols weisen darauf hin das die Lössablagerung nicht kontinuierlich, sondern

periodisch erfolgte. Nach HUANG ET AL. (2000) erfolgte die Bodenbildung wenn das

Klima von dem feuchten südostwärtigen Sommermonsun beherrscht wurde und

Lössablagerung, wenn das Klima von nordwestwärtigen Wintermonsun bestimmt

wurde.

5. Zeitliche Einordnung/Gliederung des Lösses in China

Aufgrund von Bioturbation und Durchwurzelung ist es sehr kompliziert den Löss zu

unterteilen.

Es existieren verschiedene Möglichkeiten zur Gliederung und zeitlichen Einordnung des

Lösses:

- Farbe, Karbonatgehalt, Humusgehalt

- die Lössmollusken (klimatische Gliederung der Ablagerungen)

- Säugetierreste (klimatische Gliederung der Ablagerungen)

- Pollenanalysen (klimatische Gliederung der Ablagerungen)

- Terphrachronologie

- Lössstratigraphie (Unterteilung in Löss (Kaltzeit) und Paläoböden

(Warmzeit, bei unvollständiger Ausbildung Interstadial))

- Paläomagnetik (Inklination normal oder invers?; mittels magnetischer

Suszeptibilität)

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Ein Ansatz zur zeitlichen Einordnung sind (nach PORTER & AN (1995)) Nord-Atlantische

Heinrich events, die mit groben Lösslagen korrelieren. Dabei spiegelt das

Korngrößenmaxima eine bedeutende Veränderungen in der globaler Windzirkulation

wieder (Verstärkung des Wintermonsun). Das Problem an diesem Ansatz ist, das auf

dem Lössplateau die Anzahl von events erhöhter Staubablagerung größer ist, als die

Anzahl der Heinrich events.

Ein vielversprechender Ansatz zu Chronologie der letzten 50.000a bieten nach MAHER &

THOMSON (1999) Radiocarbon und Thermolumineszenz- Datierungen. Jedoch sind beide

Methoden noch nicht hochauflösend genug.

6. Stratigraphie des China Lösses

Stratigraphisch kann der chinesische Löss in der Einheiten unterteillt werden. Der

älteste ist der Wucheng Löss. Dieser besitzt eine rote Farbe und wurde im frühen

Pleistozän abgelagert. Im mittleren Pleistozän wurde der rotbraune Lishi Löss

sedimentiert. Am Top des Profils liegt der gelbe Malan Löss des späten Pleistozäns.

Vereinfacht erfolgt die Einteilung in gelben Löss und Roten Löss bzw. in neuen und

alten Löss. (Abb. 2)

Abb. 2 Lössstratigraphie und Besonderheiten (nach LIN & LIANG (1982))

Die maximale Mächtigkeit des roten Lösses beträgt 150m und die des gelben 10m. Die

Einteilung ist zurückzuführen auf die einfache Unterscheidung im Gelände. Sie ist

streng genommen nicht eine chronostratigraphische, sondern eine

lithostratigraphische. Abgesehen von der Farbe unterscheiden sich roter Löss und

gelber Löss anhand folgender Eigenschaften:

- Roter Löss ist härter und kompakter und besitzt eine höhere Wichte und

höhere Kohäsion

- Roter Löss enthält Konkretionen, welche (normalerweise) mit Paläoböden

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Geological Age Name of Stratum Remarks

HoloceneRecent Mostly collapsible, often highly compressibleEarly Collapsible

PleistoceneLate Malan

Non-collapsible, except sometimes in upper layersMiddle LishiEarly Wucheng Non-collapsible

New Loess (Yellow Loess)

Old Loess (Red Loess)

(dunklere Farbe) assoziiert sind

- Die Korngrößenverteilung von rotem und gelbem Löss ist

unterschiedlich (Abb. 3)

Parameter Wucheng/Lishi Löss Malan Löss

D 50 (µm) 10 – 18 30 – 40

Tongehalt (% unter 2µm) 18 – 25 8 – 14

Siltgehalt (%2-64µm) 70 – 77 63 – 69

Sandgehalt (% über 64µm) 5 23

Abb. 3 Eigenschaften von Wucheng und Lishi Löss im Vergleich mit Malan

Löss( Derbyshire & Meng (2000)

Die Unterschiede der Lössablagerungen ist zurückzuführen auf postsedimentäre

Prozesse. Abgelagert hatten die Formationen vergleichbare Eigenschaften. Der

unterlagerte rote Löss ist stärker alteriert als der gelbe Löss. Deswegen ist der

Prozentsatz von Tonmineralen höher und somit die Wichte größer. Auch die

Konkretionen und die rote Farbe (hervorgerufen durch Fe) kann mit der verstärkten

Alteration erklärt werden. Durch Erosion bedingt ist der gelbe Löss rezent nur noch auf

den Hügeln anzutreffen.

Unterlagert werden die Lössablagerungen von Grundgebirge der Kreidezeit und partiell

von Oberpliozänen roten Tonen der Linxia Formation (Derbyshire et al., 1993). Die

Tone sind bis zu 50 m mächtig und wurden abgelagert im lakustrinen Environment.

7. Das rezente Klima (MAHER & THOMSON 1999)

Das Klima in Südasien wird durch den Sommer und Winter Monsun dominiert. Von

April bis September bringt der Sommer Monsun 90% des jährlichen Niederschlages.

Ursache ist der Luftdruckgradient zwischen Ozean (kalt) und Landmasse (warm). Es

kommt zum Aufsteigen der warmen Luft und in großer Höhe zum Strömen der

Luftmassen nach Südwesten Richtung Südpazifik. Dort kühlt sich die Luft ab und

strömt oberflächennah und feucht zurück zum Land.

Die Intensität des Sommer Monsuns ändert sich sich mit dem Luftdruckgradient, ist

also abhängig von der Wassertemperatur und der Aufheizung des Landes.

Der Wintermonsun erzeugt eine entgegengesetzte Zirkulation. Durch relativ gesehen

hohen Luftdruck über dem Kontinent (kalt) zirkuliert die Luft oberflächennah über die

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Zentralasiatischen Wüsten in Richtung Nordwesten zum Süd-West Pazifik (warm).

Der westliche Teil des Lössplateaus liegt im Regenschatten des Liupan Shan

Hochlandes und weist deswegen semiarides Klima auf (~350mm/a). Die

Niederschlagsmenge nimmt zum Süden und Osten hin zu. Sie beträgt im zentralen

Bereich 550mm/a und im Süden 700 mm/a.

8. Paläomagnetik

Eine häufig verwendete Eigenschaft der Löss/Boden Sequenz ist die magnetische

Suszeptibilität. Ursache dieser ist sind die magnetischen Eigenschaften von Magnetit

und Maghemit (insgesamt circa 0,1-0,25% des Lösses bzw. Bodens). Die Böden

besitzen hierbei eine höher magnetische Suszeptibilität als der Löss. Die Ursache

hierfür ist nicht geklärt, einige Autoren (z.B. Kukla & An 1998) glauben das die

Unterschiede primär entstanden sind, andere halten die Abweichung für einen

postsedimentären Prozess, hervorgerufen durch Bodenbildung und Verwitterung (z.B.

MAHER & THOMSON 1992).

Es existieren zwei Möglichkeiten für Chronologie. Die erste sind die

Magnetfeldumkehrungen. Der chemisch gebildete Magnetit im Boden richtet sich nach

der aktuellen Magnetfeldausrichtung aus. Alle 6 großen Magnetfeldumkehrungen der

letzen 2,5 Ma konnten nachgewiesen werden (Abb. 4, links).

Abb. 4 Magnetostratigraphie und Lithostratigraphie der Luochuan

Sequenz (MAHER & THOMPSON 1999)

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Die zweite Möglichkeit ist genauer und erfolgt mit Hilfe der Suszeptibilität im Vergleich

mit der Tiefsee-Sauerstoff-Isotopen Kurve. In Abb. 4 ist erkennbar das die beiden

records sehr gut korrelieren. Mit dieser Methode wurde auch das max. Alter des Löss

von 1 Ma auf 2,5 Ma korrigiert.

Vor einer Interpretation müssen die Daten in Bezug auf den Karbonatgehalt korrigiert

werden, da dieser in Wechselwirkung mit dem Suszeptibilitätssignal steht.

Abb. 5 Vergleich der Suszeptibilitätsprofile von Luochan und Xifeng mit der

ozeanischen Sauerstoffisotopenkurve (PYE & SHERWIN (1999))

Da die Tiefsee-Sauerstoff Isotopen Kurve mit dem magnetischen Anteil im Löss

korreliert (inklusive Milankovitch Zyklen), kann angenommen werden, dass die

magnetische Signatur des Lösses das Klima wiedergibt (MAHER & THOMSON, 1999).

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Die magnetischen Messungen enthüllen Änderungen von zweierlei Dingen. Zum einen

die Mineralogie und zum anderen die Konzentration von magnetischen Mineralen.

Eine Messung der magnetischen Eigenschaften ermöglicht also eine relativ schnelle

und hochauflösende Charakterisierung der Mineral-magnetischen Stratigraphie der

Löss-Paläosol Sequenz. Um von der magnetischen Eigenschaften einen Rückschluss

auf das Klima ziehen zu können, muss geklärt sein, was der Ursprung der

magnetischen Minerale ist.

Im Chinesischen Löss konnten mittels mikroskopischer Untersuchungen,

Röntgendiffraktometrie und Zusammensetzung 2 Populationen von ferromagnetischen

Körnern unterschieden werden:(MAHER & THOMSON 1999)

1. Hochtemperatur Magnetit:=primäre Komponenten (größer 1 µm, teils intakt,

teils „abgeschlagene“ Kristalle, variable Zusammensetzung, z.T. Titanhaltig, z.T.

Titanfrei)

2. Niedrig T Magnetit:=pedogen entstanden (der Niedrig Temperatur Magnetit ist

meist kleiner 1µm und besteht nur aus Eisen und Sauerstoff. Häufig ist er als

Cluster um größere Körner angeordnet. Er bildet sich durch in situ Ausfällung in

bevorzugt pH neutralem Milieu. Der pedogene Magnetit wird gebildet beim Wechsel

von feuchtem Boden (Fe Reduktion durch Bakterien aus primären Fe) mit

trockenem Boden (Fe Freisetzung durch Verwitterung (Oxidation), Magnetit

Ausfällung, Akkumulation von organischem Material). Wenn minimale

Bodenbildungszeit gegeben ist (um Fe durch Verwitterung freizusetzen und um Corg

zu akkumulieren), verursacht die dann resultierende Ausgewogenheit zwischen Fe

Reduktion und Oxidation die maximale pedogene Konzentration von Magnetit im

Boden. Umgekehrt werden bei trockenen Bedingungen die höheren Oxidationsstufen

von Eisen bevorzugt und es wird Goethit und Hämatit gebildet. Allzu feuchte und

saure Bedingungen führt zu Fe-Reduktion und Auflösung der Fe-Oxide. Mit dem

Modell der pedogene Fe-Bildung kann man also die Unterschiede in Korngröße und

Konzentration der magn. Körner erklären. Es besteht also eine Korrelation zwischen

Niederschlagsmenge und den magn. Eigenschaften des Bodens, welche für

Paläoklimarekonstruktionen verwendet werden.

Dieses Modell wurde durch rezente Untersuchungen moderner Böden des

Lössplateaus von MAHER ET AL. (1994) bestätigt. Dieser stellte einen empirischen

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Zusammenhang (r=94%) zwischen dem Logarithmus der pedogenen Suszeptibilität

und dem jährlichem Niederschlag fest. Dieser Zusammenhang besteht unter anderem

nicht bei verbrannten Böden, schlecht drainierten Böden, sauren Böden und erodierten

Böden. Somit kann das Klima rekonstruiert werden.

Aber nicht nur das Klima bestimmt die Bodenbildung. Hinzu kommt noch Vegetation,

Topografie, Muttergestein und Zeit. Wenn man also einen Faktor (das Klima) isolieren

will, muss man die anderen Faktoren eliminieren. Auf dem Lössplateau ist die Höhe

konstant und das Muttergestein identisch. Die Vegetation ändert sich mit dem Klima.

Somit ist (neben dem Klima) nur noch die Zeit von Bedeutung. Hierbei sind zwei

Faktoren in Betracht zu ziehen: die Rate mit der sich die pedogene Suszeptibilität

entwickelt und die Dauer der Verwitterngszeit. Löss verwittert sehr leicht. Die

Bodenbildung findet also sehr schnell statt. Durch Untersuchungen wurde

herausgefunden das sich auch die pedogene Suszeptibiliät schnell entwickelt. Der

Zeitfaktor ist also nicht so entscheidend und wird vernachlässigt.

9. Paläoklimarekonstruktion (MAHER & THOMSON (1999)

Rekonstruktionen des letzten Glazials-Interglazials (Abb.6):

Im frühen bis mittleren Holozän war die mittlere Niederschlagsmenge höher als rezent

(25-80% höher für semiarides Gebiet im Westen, 5-25% für die humideren Gebiete

im Süden und Osten). Besonders erwähnenswert ist die Veränderung der

Windverhältnisse. So zeigt das rezent semiarride Gebiet um Baicaoyuan (im Westen

des Luipan Shan Hochlandes -> Regenschatten) eine markante Erhöhung der

Niederschlagsmenge. Das ist ein Indikator dafür, dass die feuchten Sommermonsun-

Winde während des frühen bis mittleren Holozäns (und während des letzten

Interglazials) weiter in den Norden und Westen vorgedrungen sind. Auch andere

Indikatoren weisen darauf hin, wie höhere Seestände, Pollenanalysen,

Bodenpatikelgrößenanlysen, Phytolithe und allgemeine Zirkulationsmodelle.

Dem entgegengesetzt steht eine 50% Niederschlagsmengen-Reduktion (in vgl. zu

Interglazial) während des letzten Glazials über das gesamte Plateau (Maher et al.

1994).

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Abb. 6 Paläoisohypsenkarte (mm/a) des Lössplateaus (MAHER & THOMAS 1999)

10. Zusammenfassung

Die Ablagerung des Lössplateaus in China kann mit der Sauerstoffisotopenkurve der

Ozeane korreliert werden. Es besteht somit eine fast einzigartige Verbindung zwischen

terrestrischen und marinen Ablagerungen.

Die magnetische Suszeptibilität der Lössablagerung kann, aufgrund der Korrelation

zwischen Niederschlagsmenge und den magn. Eigenschaften, trotz der Gefahr von

Vereinfachungen, für Paläo-Niederschlagsmodellierung verwendet werden. Das Löss

Plateau in China kann hierfür aufgrund der fast kontinuierlichen Lössakkumulation für

2,5 Ma gut untersucht werden.

Für genaue Klima-Rekonstruktionen muss neben dem genaueren Verständnis des

Suszeptibilität-Klima Zusammenhangs eine hoch auflösendere Chronologie des Lösses

erstellt werden.

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11. Literatur

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