Luminescence dating of eolian and fluvial archives in the Middle and Lower Danube catchment and the paleoenvironmental implications

Bösken, Janina Johanna; Lehmkuhl, Frank; Brückner, Helmut

doi:10.18154/RWTH-2018-01253

Luminescence dating of eolian and fluvial archives in the Middle and Lower Danube catchment and the paleoenvironmental implications = Lumineszenzdatierung von äolischen und fluvialen Archiven im mittleren und unteren Donaueinzugsbietes und die Implikationen für die Paläoumwelt

Bösken, Janina Johanna^RWTH*

2017 & 2018

VerantwortlichkeitsangabeSubmitted by Janina Johanna Bösken M.Sc.

ImpressumAachen 2017

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

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Lehmkuhl, Frank (Thesis advisor)^RWTH* ; Brückner, Helmut (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-07-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-01253
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/713554/files/713554.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aurignacian (frei) ; Carpathian Basin (frei) ; Lower Danube Basin (frei) ; OSL (frei) ; a-value (frei) ; geochemistry (frei) ; grain-size (frei) ; loess-paleosol sequences (frei) ; post-IR-IRSL (frei) ; southestern Europe (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Doktorarbeit werden Lumineszenzdatierungsmethoden für die Rekonstruierung der Paläoumwelt- und Paläoklimabedingungen des Einzugsgebiets der mittleren und unteren Donau angewendet. Dies ist besonders für die Migrationsphase des modernen Menschen von Interesse. Die Doktorarbeit ist eingebunden in den Sonderforschungsbereich 806 „Our Way to Europe - Culture-Environment Interaction and Human Mobility in the Late Quaternary“. Um die Umweltbedingungen der letzten 150 ka besser zu verstehen, wurden vier Löss-Paläoboden Sequenzen und ein Standort mit fluvialen Sanden untersucht. Im Untersuchungsgebiet herrschen atlantische, mediterrane und kontinentale klimatische Einflüsse vor. Hierdurch eignet sich das Gebiet für die Erforschung vergangener Klimaschwankungen besonders gut. Aufgrund seiner geographischen Position zwischen Asien, Nahost und Mitteleuropa, befindet sich das Untersuchungsgebiet auf einem möglichen Migrationsweg des frühen modernen Menschen. Die Sedimente der fünf untersuchten Standorte wurden in verschiedenen Zeitabschnitten zwischen dem vorletzten Interglazial (MIS 7) und dem Holozän abgelagert. Die methodische Herangehensweise konzentrierte sich auf optisch stimulierte Lumineszenzdatierung. Für einige Standorte wurden diese geochronologischen Methoden mit physikalischen, biologischen und geochemischen Daten kombiniert, um die Paläoumweltbedingungen zu rekonstruieren. Im mittleren Donaubecken - dem Karpatenbecken - wurden drei Standorte untersucht. Die Löss-Paläoboden Sequenz von Ságvár befindet sich im zentralen Teil des Beckens. Die untersuchten Sedimente wurden während des letzteiszeitlichen Maximums (LGM) von ca. 25 − 17 ka abgelagert und können zu zwei Schichten mit Funden aus dem Gravettien korreliert werden. Die Paläoumweltbedingungen änderten sich von kurzem Grasland (25−24 ka) zu einer Kombination aus Mammutsteppe, Waldsteppe, kontinentaler Steppe und Tundra (25 − 18 ka), bis zu kontinentalem Grasland (< 18 ka). Die Daten zeigen, dass die Kulturschichten des Gravettien während einer typisch kalten LGM-Phase abgelagert wurden. Die Löss-Paläoboden Sequenz von Bodrogkeresztúr befindet sich im nördlichen Teil des Karpatenbeckens auf den südlichen Ausläufern der Karpaten. In der Nähe findet sich Bodrogkeresztúr-Henye mit Funden aus dem Gravettien. Hohe Sedimentationsraten lassen sich aus den geochronologischen Daten ableiten, vor allem zwischen 33.5±2.5 und 28.0±2.1 ka. An diesem Standort herrschten allgemein feuchtere Bedingungen zwischen dem späten MIS 3 und dem frühen MIS 2 im Vergleich zum zentralen und südlichen Teil des Karpatenbeckens. Nichtsdestotrotz zeigen auch zwei grobkörnigere Lössphasen trockenere und kältere Bedingungen mit erhöhter äolischer Aktivität während kurzer Perioden innerhalb des MIS 2 an. Die Untersuchungen heben die einzigartigen mikroklimatischen Bedingungen der Gebirgsausläufer am nördlichen Rand des Karpatenbeckens hervor, welche wahrscheinlich auch für den frühen modernen Menschen vorteilhaft war. Im Karpatenbecken wurden außerdem noch Sedimente bei Crvenka-At untersucht. Hier lassen sich fluviale Sande und Artefakte aus dem Aurignacien finden. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Erstellung einer Geochronologie der paläolithischen Funde. Die Artefakte wurden in Sedimenten mit einem Alter zwischen 33.9 ± 2.9 ka und 41.3 ± 3.6 ka gefunden. Diese Altersspanne passt gut zu anderen datierten Funden aus dem Aurignacien in der Banatregion. Das spricht für eine weitere Verbreitung des frühen modernen Menschen während dieser Zeit im Banat als vorher angenommen. Außerdem zeigen die Untersuchungen, dass der Homo sapiens nicht nur auf geomorphologisch erhöhten Positionen, sondern auch im Flachland lebte. Weiter im Süden des mittleren Donaueinzugsgebietes wurde die Löss-Paläoboden Sequenz von Stalac untersucht. Sie befindet sich im zentralen Balkan, südlich der typischen Lössverteilung. Das Gebiet ist von paläoklimatischen Wechseln zwischen kontinentalem und mediterranem Klima geprägt. Detaillierte Untersuchungen der Lumineszenzeigenschaften einer problematischen Quarzprobe werden vorgestellt. Für die finale Geochronologie wurden polimineralische Feinkornproben und das pIRIR-Protokoll (post-infrared infrared stimulated luminescence) verwendet. Die Datierungen zeigen, dass die Sequenz die letzten beiden Glazialzyklen umfasst. Die untersuchten Paläoboden deuten auf ähnliche Klimabedingungen während des letzten Interstadials und Interglazials hin und heben hervor, dass während des vorletzten Interglazials deutlich andere Klimabedingungen vorherrschten. Letztendlich wurde die Löss-Paläoboden Sequenz von Urluia im unteren Donaubecken untersucht. Die 16 Meter hohe Sequenz enthält einen Paläoboden im unteren Teil, der von mehreren Lössschichten bedeckt ist. Die Sequenz wurde auf 20.98 ± 1.6 ka bis 144.9 ± 12.2 ka datiert. Die Chronologie der oberen 7 m ist durch das Vorhandensein der kampanischen Ignimbrit/Y5-Tephra als unabhängige Alterskontrolle gestützt. Der untere Teil der Sequenz weist allerdings einen starken Altersanstieg zwischen 7 und 9 m und konstante Altersschätzungen in den unteren 7 m des Profils auf. Diese Datierungen widersprechen jedoch der Pedostratigraphie, da der letzte Interglazialboden im unteren Teil des Profils erwartet wird. Mehrere Hypothesen werden dargelegt, aber die Diskrepanz konnte bisher nicht zufriedenstellend geklärt werden. Die vorliegende Doktorarbeit erläutert, dass detaillierte Untersuchungen nötig sind, um robuste Altersmodelle zu erstellen. Für Quarzproben sind besonders Preheat-Plateau-Tests und Dose-Recovery-Tests von Bedeutung. Einige Proben mit hohen Äquivalenzdosen aus Stalac und Urluia besaßen fallende Vorheiztemperaturplateaus, während andere Proben aus Crvenka-At schon bei sehr geringen Dosen gesättigt waren. Diese Ergebnisse belegen, dass die Proben nicht verlässlich mit dem SAR-Protokoll datiert werden können. Die meisten Proben dieser Doktorarbeit wurden mit dem pIRIR-Protokol untersucht. Hierfür sind First-IR-Stimulation-Temperatur-Tests, Dose-Recovery-Tests, Fadingexperimente und die Messung der Residualdosis von Nöten. Obwohl polimineralische und Kalifeldspatproben mit höheren Dosen als Quarz datiert werden können, wurde auch gezeigt, dass es nicht sicher ist, bis zu welchen Dosen die Altersbestimmungen zuverlässig sind. Beispielsweise unterschätzen die unteren zwei Proben der Stalac-Sequenz die akzeptierte korrelative Stratigraphie. Auch in der Urluia-Sequenz sind die unteren Proben problematisch, weil sie Anzeichen von Sättigung aufweisen. Insgesamt hebt die Doktorarbeit die Bedeutung von Lumineszenzdatierung in Paläoumwelt und geoarchäologischen Studien hervor. Es wird gezeigt, wie die Kombinierung von verschiedenen Proxidaten die Interpretation der Paläoumweltbedingungen verbessert und bestehende Schwierigkeiten identifiziert. Die paläoklimatische Dynamik im Untersuchungsgebiet zwischen atlantischen, mediterranen und kontinentalen Klimaeinflüssen wird diskutiert. Letztendlich waren die Paläoumweltbedingungen während der Migrationsphasen des frühen modernen Menschen ebenso divers, welches die Fähigkeit des Homo sapiens, sich an unterschiedliche Umwelt und Klimabedingungen anzupassen, untermalt.

The presented doctoral dissertation uses luminescence dating techniques to reconstruct the paleoenvironmental and paleoclimatic conditions in the Middle and Lower Danube catchments, especially during the period of anatomically modern human emergence. It is embedded in the Collaborative Research Center 806 "Our Way to Europe - Culture-Environment Interaction and Human Mobility in the Late Quaternary". To increase ones understanding of the environmental conditions during the last 150 ka, four loess-paleosol sequences and one fluvial section were investigated. The research area is located at the junction of Atlantic, Mediterranean and continental climatic regimes, which makes it sensitive to climatic changes. Moreover, the geographical position between Asia, Near East and Central Europe and the vast river network connecting these regions, make the area a favorable pathway for anatomically modern human migration. The sediments of the five investigated sites cover various time frames from the penultimate interglacial (MIS 7) to the Holocene. The methodological approach focused on optically stimulated luminescence dating, but for some of the sections the geochronological methods were combined with physical, biological, and geochemical proxy data to reconstruct the paleoenvironmental conditions. In the Middle Danube Basin three sites were investigated. The Ságvár loess-paleosol sequence is located in the central basin and its sediments accumulated during the last glacial maximum from approximately 25 − 17 ka. The sequence can be correlated to two Gravettian occupation layers. Paleoenvironmental conditions changed from short grassland (25 − 24 ka), to a mosaic of mammoth steppe, forest steppe, continental steppe, and tundra (25 − 18 ka), towards continental grassland (< 18 ka). The data indicates that the Gravettian occupation took place during a typically cold LGM phase. The Bodrogkeresztúr loess-paleosol sequence is located in the foothills of the Carpathians in the northern part of the Middle Danube Basin. It is located in the vicinity of the Gravettian Bodrogkeresztúr-Henye site. The chronological data indicates rather high sediment accumulation rates, in particular between 33.5 ± 2.5 and 28.0 ± 2.1 ka. Moreover, generally more humid conditions during late MIS 3 and early MIS 2 in comparison to other regions in the Carpathian Basin were deduced. Nevertheless, two loess layers with high sand abundance in the profile suggest colder and dryer conditions with increased eolian dynamics during short periods within MIS 2. The findings highlight the unique microclimatic conditions at the foothills of the Carpathian Mountains, which may have offered a favorable environment for Upper Paleolithic populations. Another research site investigated in the Middle Danube Basin is the Crvenka-At site. This site contains fluvial sediments and Aurignacian artifacts. Investigations here focused on the reconstruction of a geochronology for the Early Upper Paleolithic occupation. The Aurignacian artifacts were found in sediments with an age between 33.9 ± 2.9 ka and 41.3 ± 3.6 ka. This age range fits well to other dated Aurignacian findings in the Banat region and points to a more widespread occurrence of anatomically modern humans in the Banat region during this time frame than previously thought. It demonstrates that not only the upland regions, but also lowland areas were attractive for early modern human occupation. Moving to the southern part of the Middle Danube catchment, the Stalac section was investigated. It is located in the interior of the Central Balkan region, south of the typical loess distribution, in a zone of paleoclimatic shifts between continental and Mediterranean climate regimes. Detailed investigations on the luminescence signal of a quartz sample, which is unsuitable for dating, are presented. A firm chronology framing the last two glacial cycles was established using fine-grained polyminerals and the post-infrared infrared stimulated luminescence (pIRIR) protocol. The characteristics of the dated paleosols indicate similar climatic conditions during the last interstadial and interglacial phases, which were different from the penultimate interglacial period. Finally, the Urluia loess-paleosol sequence in the Lower Danube Basin was investigated. This 16 m long sequence contains one paleosol at the bottom of the profile and a vast accumulation of loess above. The section was dated from 20.98 ± 1.6 ka to 144.9 ± 12.2 ka. While the chronology of the upper 7 m of the section is supported by independent age control in form of the Campanian Ignimbrite / Y-5 tephra, the lower part of the sequence remains less well constrained. A rapid increase in ages between ~7 and 9 m is followed by rather constant ages > 130 ka in the lower 7 m of the profile. These ages are in contrast with the expectation of a well developed MIS 5 paleosol in the lowermost part of the section. Several hypothesis trying to explain these findings were explored, but could not be solved satisfactorily.The doctoral dissertation demonstrates that a detailed investigation is necessary in order tobuild robust age models. For quartz samples, the importance of preheat plateau and dose recovery tests are pointed out. Some samples of Stalac and Urluia, that have high equivalent doses, show falling preheat plateaus, while the quartz samples of Crvenka-At are already in saturation at very low doses. These findings indicate that these samples cannot be dated reliably using the SAR protocol. Most samples of this dissertation were dated with the pIRIR protocol. The necessary first IR stimulation temperature tests, dose recovery tests, fading experiments and residual dose measurements are presented. It is demonstrated that polymineral and kalifeldspar samples can be dated with higher doses than quartz. However, it remains unclear up to which dose range age estimates are reliable. E.g. at Urluia, the lowermost samples approach saturation even within the polymineral fraction and at Stalac the lowermost two ages underestimate the accepted correlative stratigraphy. Overall, this doctoral dissertation highlights the importance of luminescence dating in paleoenvironmental and geoarcheological studies. It demonstrates how the combination of multiple proxy data enhances the paleoenvironmental interpretations, and identifies remaining challenges. The paleoclimatic dynamics in the research area at the junction of Atlantic, Mediterranean and continental climatic regimes are discussed. Finally, paleoenvironmental conditions during phases of Upper Paleolithic occupation were equally diverse highlighting anatomically modern humans’ ability to adapt to changing paleoenvironments.

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