2000/2001 Zweijahresbericht GeoForschungsZentrum Potsdam

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1 2000/2001 Zweijahresbericht GeoForschungsZentrum Potsdam

2 IMPRESSUM Herausgeber: GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) Stiftung des öffentlichen Rechts Telegrafenberg Potsdam Redaktion: Dr. Jörn Lauterjung Franz Ossing Layout: Otto Grabe (GFZ) & Druckerei Arnold Druck: Druckerei Arnold Am Wall Großbeeren GFZ Potsdam 2002 Das GFZ Potsdam ist Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.v.

3 Gewinnungstechniken für Binnensee-Sedimente Jörg F.W. Negendank, Jens Mingram, Achim Brauer, Cathrin Brüchmann, Thomas Kulbe, Sabine Wulf Various coring systems are described being in operation by the GFZ-sedimentology group demonstrated in some selected case studies. Long cores up to 95.3 m sediment thickness could be recovered with the Usinger piston corer whereas the recovery of the sediment/waterbody interface has been carried out using different short and freeze core techniques due to the sedimentary record and water depth. Einführung Die Entwicklung der von unserer Arbeitsgruppe genutzten Techniken hat sich in den letzten 20 Jahren durch Modifizierungen und Verbesserungen sowohl der Stechtechniken als auch der Infrastruktur (Floß, Verrohrung etc.) stetig entwickelt. Begonnen hatte es mit dem Einsatz eines einfachen Livingstone- Pistoncorers (Eifel 1978 (Hansen, Irion und Negendank, 1980, Irion und Negendank, 1984)) mit Seilzug, der von Usinger (1980 folgend) durch feste Führung des Kolbens Innengestänge zur sog. Usinger-Sonde weiterentwickelt wurde. Das war der wesentliche Fortschritt, wobei mit zunehmender Tiefe auch der Kolbenöffnungsmechanismus umgestaltet wurde. Die heute erreichbaren Tiefen von 95 m sind eine Folge der mehrjährigen handwerklichen Erfahrung bei der Optimierung des Bohrprozesses sowie des Einsatzes von geringeren Stechrohrdurchmessern mit zunehmender Bohrteufe (80 mm, 55 mm und 40 mm), als Folge der Entwicklung des Verfahrens insbesondere durch die technische Arbeitsgruppe (Präparatoren) * des GFZ Potsdam seit Bestehen (10 Jahre). Als Ergebnis eines DFG-Projektes (Harms et al., 1999) wurden für die letzte Bohrkampagne auf dem Lago Grande di Monticchio versuchsweise teilweise karbonitrierte Stechrohre verwendet, die einen Teilerfolg in der Erhöhung des Teufengewinns erbrachten. Neben der Erreichung größerer Tiefen mit der Usinger- Sonde wurden Techniken angewendet und weiterentwickelt, die die Gewinnung vollständiger und ungestörter Profile aus dem Bereich der Wasser/Sediment- Grenzschicht erlauben. Hier wurden verschiedene Kurzkerntechniken und vor allem Gefrierkernmethoden genutzt. Mit einem druckfesten Gefrierkerngerät (UWITEC-Niederreiter) konnten auch ungestörte Gefrierkerne laminierter Sedimente aus tiefen Seen (z. B. Sihailongwan, NO- China 50 m Wassertiefe; Zuger See 200 m Wassertiefe) gewonnen werden. Für Seen mit großer Wassertiefe kommen verschiedene Freifall-Lote zum Einsatz, die in Abhängigkeit vom eingesetzten Floß und der verwendeten Auflast Kerne zwischen 1 m und ca. 12 m Sedimentlänge ergeben. Für stärker verfestigte Sedimente aus größeren Wassertiefen bietet sich das Vibration-Coring System der Firma Selcore-Selantic an, mit dem es möglich war, erstmalig in 280 m Wassertiefe Wechsellagerungen von Mergeln und Salzen im Toten Meer zu gewinnen. Für die Gewinnung von langen (> 100 m) Sedimentprofilen aus großen Seen ist insbesondere das System GLAD 800 zu nennen, das Bohrungen bis zu 800 m Tiefe ermöglicht und das von ICDP (International Continental Scintific Drilling Program) entwickelt wurde. In einem speziellen GFZ-PAGES-ICDP-Workshop wurden aufgrund der Anregung unserer Arbeits-gruppe 1995 erstmalig Diskussionen über Bohrtechniken geführt, die im Band: Continental Drilling for Paleoclimatic Records ihren Ausdruck fanden. In Tab. 1 sind alle existierenden Stechtechniken für Seesedimente aufgeführt, die im GFZ Potsdam verfügbaren Gerätschaften sind fett gedruckt. 89 * Das Präparationslabor hat sich bei der Entwicklung der Methoden vom Stechen des Softsediments bis zur Großdünnschliffherstellung der warvierten Sequenzen große Verdienste erworben. Besonders zu nennen sind hier Frau Gabriele Arnold, Herr Dieter Berger und Herr Michael Köhler.

4 Tab. 1: Überblick über existierende Stechtechniken für Seesedimente (fett = am GeoForschungsZentrum vorhanden) Overview of existing coring systems (fat letters: in operation with the GFZ) A geführte Stechrohre mit und ohne Kolben - Kammerbohrer (Russian corer) - ohne Kolben - Kolben-Stechrohr nach Merkt und Streif - mit Seilführung - Sedimentbohrgerät Niederreiter 36, 60, 90 - mit Kolben und Seilführung - Kolben-Stechgerät nach Usinger - mit Kolben und Gestängeführung B pneumatische u. hydraulische Stechtechniken - System GLAD R/V Kerry Kelts mit Advanced Piston Coring (schweres kommerzielles Bohrgerät, erreichbare Sedimenttiefe mit derzeitiger Ausrüstung bis 800 m, max. Wassertiefe z. Z. 200 m) - andere schwere Kolben-Stechgeräte für große Seen (z. B. Nedra 600, Nedra 2000) - Mackereth-corer - Sedimentstecher Typ Beeker Sampler - LRC Hydraulic Assisted Piston Corer - SELCORE C Freifall-Lote ohne Kolben - Mondsee-corer 60 und 90 (UWITEC Niederreiter) - Kurzkerngerät kgh-94 (nach K.Ghilardi) - HTH-Teknik Kajak-sampler - Gravity corer nach Meischner und Rumohr - Bohrlot nach Ambühl D Freifall-Kolbenlote - Kolbenlot nach Züllig - ETH-piston-corer (Kullenberg) - Göttinger Tiefsee-Kolbenlot nach Meischner 90 E Gefrierkernverfahren - einfache Geräte mit Trockeneis und Ethanol / Methanol - Geräte mit flüssigem Stickstoff - Pump-Freeze-Corer (Renberg und Hansson, Lotter u.a.) - Gefrier-System nach Niederreiter (mit Trockeneis oder flüssigem Stickstoff, insbes. für tiefe Seen geeignet) F Vibrations-Kernverfahren - mit Erdverdichtern, (ca Schläge/min) - mit Betonverdichter-Flaschen (ca Vibr./min) G Rammkernverfahren - Rammkerngeräte mit pneumatischem oder hydraulischem Antrieb versch. Größe, insbes. für trockengefallene Seen Die Stechtechniken Seit Bestehen des GFZ wurden Kerne in den in Tabelle 2 aufgeführten Seen mit unterschiedlichen Verfahren entnommen. Die Usinger-Sonde Die Maarseen in Europa (Italien, Frankreich, Deutschland) sowie Mexiko und China wurden mit der Usinger-Sonde beprobt, wobei ein Einsatz unter Wasser sowie auf trocken gefallenen Sedimenten möglich ist. Details zur Usinger-Sonde Prinzip - gestängegeführtes Kolbenlot (Typ Livingstone ) mit Außenverrohrung in der Wassersäule - 1-m - oder 2-m - Kernrohre mit 1-mm - Stahlwandung, wahlweise Karbonitrierung oder Ausführung in rostfreiem Edelstahl möglich, ohne Liner - Rohrdurchmesser wahlweise 100 mm, 80 mm, 55 mm und 40 mm - Kolbenfixierung auf Sollteufe mit Innengestänge

5 Tab. 2: Lokalitäten untersuchter Seesedimente und gewonnener Parameter Location of probes lake sediments and result parameters 91 g = geplante Arbeiten; 0 = in Arbeit; x = Daten vorhanden 14C-Dat. = AMS 14 C-Datierung; T-Chr. = Tephro-Chronologie; Diat. = Diatomeen; DS = Dünnschliffe; W-Chr. = Warven-Chronologie; WG = Wassergehalt; TD = Trockendichte; MagSus = Magnetische Suszeptibilität; IC = Inorganic carbon; TOC = Total organic carbon; TN = Total nitrogen; BS = Biogenes Silizium

6 92 - Lösung des Kolbens zum Kernen mittels Schlagimpuls über das Innengestänge Einsatzbereich - bei kleinen Seen (bis ca. 2 km Durchmesser) Floßstabilisierung mit Seilen zum Ufer ohne Verankerung - bei größeren Seen Verankerung nötig - Seetiefe bis ca. 50 m (optimal bis ca. 20 m) - geringer Wellengang Bohrmannschaft - Zum optimalen Arbeiten sind 6 Personen ständig auf der Plattform nötig. Die Mindestbesatzung sind 4 Personen (dann aber langsameres Arbeiten, da Vorbereitung und Einpacken der Kernrohre nicht parallel zum Bohren möglich sind). Kerngewinn - Die bisher maximal erreichte Sedimenttiefe liegt bei 95,5 m bei 12 m Wassertiefe. - In flacheren Seen (ca. 10 bis 15 m Wassertiefe) können am ersten Bohrtag bei optimalen Bedingungen bis zu 25 m Sediment mit dem 80-mm-System geborgen werden. - Für die 95,5 m Sedimenttiefe mussten 87 Kernrohre (+ einige Räumkerne) á 2 m abgeteuft werden, da mit zunehmender Tiefe ein immer größerer Anteil von Nachfall aus dem unverrohrten Bohrloch geborgen werden muss. - Die maximale ununterbrochene Bohrzeit mit Kerngewinn in einem unverrohrten Loch war bisher 13 Tage. Technische Voraussetzungen/Logistik (vgl. Abb. 1b) - stabiles Floß (am GFZ Potsdam z. B. sechs miteinander verbundene Stahlpontons, Gesamtgröße der Plattform ca. 5 x 6 m, sowie optional zusätzliche Plastik-Pontons rundum) - stabiles Dreibein mit ca. 3,50 m freier Arbeitshöhe - schwere Seilwinde - Transportvolumen für tiefe Bohrungen: üblicherweise ein 20-Fuß-Standardcontainer mit Ausrüstung (Außenverrohrung, Gestänge, Seile, Winden, Aggregate, ca. 20 bis 25 Zarges-Boxen an Zubehör und Verbrauchsmaterialien), ein 20-Fuß-Kühlcontainer für Kernrohre, zusätzlich Pontons und Holzbeplankung, ergibt insgesamt 2 Sattelschlepper - wenn möglich, stabiles Ufer und Kranzufahrt zur Wasserung des gesamten Stahlpontons (dieser ist auch einzeln montierbar, allerdings unter erschwerten Arbeitsbedingungen) - Stromanschluss für den Kühlcontainer bzw. Kühlcontainer mit Dieselaggregat im Gelände Verrohrung (Abb. 1c, d) - Aluminium-Rohr (150 mm Innendurchmesser) in der Wassersäule, wird ins Sediment gedrückt bzw. mit Teller aufgesetzt - Bohrloch im Sediment bleibt unverrohrt Bohrgestänge (Abb. 1g, h) - 27-mm-Stahl-Hohlgestänge in 1-m- und 2-m-Stücken (es werden 3-m-Rohrtouren verwendet) zum Vortrieb - 10 mm-innengestänge zur Kolbenfixierung Vortrieb (Abb. 1i) - Wacker-Hammer (muss zum Kernvortrieb am Dreibein auf mindestens 2,5 m hochgezogen werden können) Ziehen des Kernrohres - schwere Seilwinde und 7 mm Stahlseil - Freiziehen des Kerns im schweren Sediment z.t. nur mit Seilwinde und Luxemburger-Seilzug zusammen oder mit einer Hydraulik-Ziehvorrichtung (ca. 12 t Zugkraft) möglich Bemerkungen - Steine, mächtige Sandlagen, größere Konkretionen oder auch tiefliegende, federnde Torflagen können eine Bohrung vorzeitig beenden. - Es konnte in einem Fall > 10 m loser Bims (Korngröße 1 bis 5 cm) durchteuft werden, sandige Tephra-Lagen bisher bis 40 cm. - Einzelne Steine oder Konkretionen können durch Abteufen einer Bohrstock-Spitze (an Stelle des Kernrohres) zerstört werden. - Für eine absolut vollständige Sequenz ist mindestens eine Überlappung nötig, da beim Hochziehen einige cm Material aus dem Kernrohr fallen können (bzw. durch die Druckentlastung ausgedrückt werden). - Maximale bisher erreichte Sedimenttiefen für die entsprechenden Kerndurchmesser sind: 100 mm -? (vom GFZ bisher nicht verwendet), 80 mm - 41 m Sedimenttiefe, 55 mm - 74 m Sedimenttiefe, 40 mm - 95,5 m Sedimenttiefe. - In größeren Tiefen ist es oft nicht mehr möglich, das gesamte 2-m - Kernrohr vorzutreiben - es muss dann erst gezogen und 1-2 m höher im weichen Sediment nachgesetzt werden. Letztendlich befindet sich dann im Kernrohr oben Nachfall, dann frisches Sediment und unten wieder Nachfall bzw. weiches Sediment aus dem geweiteten Bohrloch. - Das Ausdrücken der Kernrohre im Labor wird mittels Hebel- oder Kurbelzugvorrichtung und neuerdings mittels einer Hydraulik-Ausdrückvorrichtung vorgenommen.

7 93 Abb. 1a: Schema des Usinger-Stechverfahrens (Floß, Außenrohr (Verrohrung Floß-Seeboden, Stechtiefen) Scheme of the Usinger piston coring system (raft, casing for the water column, max. core depths) Abb. 1b: Floß als Arbeits- und Bohrplattform (Huguang Maar, China, 1994). (Fotos: J. Mingram, GFZ) Raft as working - and coring platform (Huguang maar, China, 1997) Abb. 1c: Basis der Außenverrohrung zum Aufsetzen auf den Seeboden (Huguang Maar, China, 1997) Socket shoe of the casing for resting on the lake s floor (Huguang maar, China, 1997) Abb. 1d: Verschraubung der Außenverrohrung aus Aluminiumrohren (Monticchio, Italien, 1994) Screwing of the aluminium casing (Monticchio, Italy, 1994) Abb. 1e: 80 mm-kernrohr mit Kolben und Kolbenstange (Huguang Maar, China, 1997) 80 mm-core tube with piston and piston-rod (Huguang maar, China, 1997) Abb. 1f: 80 mm-kernrohr mit Kopf und Kolbenstange (Huguang Maar, China, 1997) 80 mm-core tube with head and piston-rod (Huguang maar, China, 1997) Abb. 1g: Einführung und Ablassen des 80-mm- Kernrohres (Mezzano, Italien, 1995). Positioning and lowering of a 80-mm-core tube (Mezzano, Italy, 1995). Abb. 1h: Innenkopf-Haltevorrichtung mit Außen- und Innengestänge (Monticchio, Italien, 1994). Inner rod holder with outer- and inner rod (Monticchio, Italy, 1994). Abb. 1i: Vortrieb mit Wackerhammer auf Nutenstange (=Außengestänge zur Führung des Innengestänges, das bei Kernvorgang durch Kolbenfixierung stehen bleibt bei gleichzeitigem Vorbeigleiten des Außengestänges bei Kernvortrieb). Core drive with fuel hammer on top of the slotted driving rod (piston fixed by the inner rod, core drive by pushing the core tube-head-system with the outer rod)

8 94 Fallstudien Lago Grande die Monticchio (LGM) Im August/September 2000 fand die zweite vom GeoForschungsZentrum durchgeführte Bohrkampagne am Lago Grande di Monticchio (Süditalien) statt. Dieser See ist ein vor mindestens Jahren (Minimalalter nach Laurenzi et al., 1993, Brocchini et al., 1994) in der finalen Phase der vulkanischen Tätigkeit in die Caldera des Monte Vulture gesprengtes Maar. Die bei früheren Bohrungen (1982 ein 25,5 m langer Kern vom sumpfigen Uferbereich des Sees (Watts, 1985) sowie 1990 von einem Team der Universität Trier unter Prof. Negendank eine überlappende Sequenz bis 51 m Sedimenttiefe aus 5 m Wassertiefe (Zolitschka und Negendank, 1993) gewonnenen Sedimente zeigten bereits das enorme Potential der durchgehend feingeschichteten, teilweise jahreszeitlich laminierten Seesedimente für paläoklimatische und paläomagnetische Studien. Bei der ersten unter der Regie des GFZ Potsdam durchgeführten Bohrkampagne im Jahr 1994 konnte das bis dahin bekannte Profil auf a BP (das entspricht 65 m real erbohrter Sedimenttiefe bzw. ca. 71 m Sedimenttiefe im Kompositprofil) verlängert werden. Die bisher an den Sedimenten des LGM durchgeführten multidisziplinären Untersuchungen (z. B. Watts, 1985; Zolitschka und Negendank, 1993; Robinson, 1994; Zolitschka und Negendank, 1996; Watts et al., 2000; Brandt et al., 1999; Ramrath et al., 1999, Allen et al., 1999) ergeben ein in sich konsistentes und hochaufgelöstes Bild der Umwelt- und Klimaveränderungen während der letzten Jahre. Paläoklimatische Interpretationen der LGM-Sequenz stützen sich vorrangig auf Bestimmungen der Trockendichte, des Gehalts an organischem Kohlenstoff und biogenem Silizium sowie Pollenanalysen. Generell lassen sich die hochorganischen Sedimente des Interglazials (0 bis 12 ka BP) von den mehr minerogenen Sedimenten des Glazials (12 bis 101 ka BP) unterscheiden. Innerhalb des letzten Glazials lassen sich Stadiale und Interstadiale aushalten, die sehr gut mit den marinen Isotopenstadien übereinstimmen. Sedimente mit geringerer Trockendichte, einem höheren Anteil organischen Kohlenstoffs (Brauer et al., 2000) und einem größeren Verhältnis von Baum- und Strauchpollen zu Gräserpollen (Allen et al., 1999) markieren die terrestrischen Äquivalente der marinen Isotopenstadien 5a (78 bis 83 ka BP) und 5c (88 bis 101 ka BP) im LGM. Höhere Trockendichten weisen auf Stadiale mit Maxima bei 30 ka BP und 60 ka BP hin (Zolitschka und Negendank, 1996). Im Frühweichsel sind schnelle Wechsel der Umweltbedingungen erkennbar, die sich mit marinen Kernen und grönländischen Eiskernen korrelieren lassen (Brauer et al., 2000). Die seit mehreren Jahren intensiv bearbeiteten Tephren aus dem Lago Grande di Monticchio (Narcisi, 1996; Wulf, 2000; Wulf et al., 2000) bieten einerseits über tephrostratigraphische Korrelationen mit marinen Sedimentsequenzen die Möglichkeit der Kontrolle der warvengestützten Zeitachse (Abb. 2) außerhalb der Reichweite der Radiokarbonmethode, andererseits lässt sich mit der lückenlosen Sequenz des Lago Grande das tephrochronologische Referenzprofil für die gesamte Region etablieren. Über die Korrelation mit marinen Sedimentkernen des Ionischen Meeres ist die Verbindung mit ozeanischen Sediment- und Paläoklima- Archiven geschaffen und eine Kontrolle der Zeitskalen möglich (Abb. 3). Untersuchungen der Paläosäkularvariationen erlauben eine Korrelation der Monticchio-Sequenz mit anderen langen terrestrischen Sequenzen, so z. B. mit den Sedimenten aus dem Lac du Bouchet (Brandt et al., 1999). Während der Bohrkampagne 2000 ist es ein weiteres Mal gelungen, das Profil des Lago Grande di Monticchio wesentlich zu verlängern (Abb. 4). Es konnten zwei überlappende Kernfolgen von 89,4 m und 95,3 m Sedimentteufe unter jeweils 12 m Wasserbedeckung erbohrt werden, was einem Plus an erreichter Sedimenttiefe von 45 % gegenüber der tiefsten Bohrung von 1994 entspricht (Tab. 3). Dieser Fortschritt beruht wesentlich auf dem Einsatz des Usinger-Stechsystems mit verschiedenen Kerndurchmessern. Bis etwa 40 m Sedimentteufe konnte mit 80 mm-kernrohren, bis ca. 72 m Sedimentteufe mit 55 mm-kernrohren, danach mit den erstmalig eingesetzten 40 mm-kernrohren gearbeitet werden. Abhängig von der Lage einer aus früheren Bohrungen bekannten holozänen Rutschmasse und dem Anteil organogener und minerogener Sedimente wird das maximale Sedimentalter der neuen Bohrungen zwischen 130 ka BP und 140 ka BP liegen. Das nach verschiedenen Autoren bei 127 bis 130 ka BP beginnende Eem (MIS 5e) sollte somit sicher durchteuft sein. Damit ergibt sich die einmalige Chance der Bestimmung der exakten Zeitdauer des letzten Interglazials in einem vollständigen Sedimentprofil. Die an der Basis der beiden tiefen Bohrungen angetroffenen klastischen Sedimente sind wahrscheinlich bereits der oberste Bereich der klastischen Basissedimente der Seefüllung (Abb. 5). Als mögliche tephrochronologische Korrelationslage bietet sich die aus marinen Kernen des Tyrrhenischen Meeres, der Adria und des Ionischen Meeres bekannte Tephra W0/P12 an (vgl. Abb. 3), deren Alter zwischen 128 ka und 131,7 ka BP angegeben wird (Kraml, 1997). Die im Jahr 2000 in Monticchio mit dem Usinger- Stechsystem erreichten 95 m Sedimenttiefe stellen auch international gesehen eine Rekordmarke für Seesedimentbohrungen mit leichten, nichtkommerziellen Systemen dar.

9 Abb. 3: Tephrostratigraphische Korrelation terrestrischer und mariner Sedimentsequenzen im östlichen Mittelmeerraum. Tephrostratigraphic correlation of terrestrial and marine sediment sequences from the eastern Mediterranean. Abb. 2: Warvengestützte Sedimentationsraten-Chronologie, Tephrochronologie und Sedimentologie des Sedimentprofils Lago Grande di Monticchio. Varve-based sedimentation rate chronology, tephrochronology and sedimentology of the sediment section Lago Grande di Monticchio. Abb. 4: Bohrkampagne auf dem Lago Grande di Monticchio im Spätsommer (Foto: J. Mingram, GFZ) Coring campaign on Lago Grande di Monticchio, late summer Abb. 5: Zwei Kernbeispiele aus Monticchio-Profil a) [80 mm Ø] Campanischer Ignibrit ( VT BP [Warvenjahre vor 1950]); b) [40 mm Ø] Laminierte Sequenzen in 81,82 bis 82,36 m Sedimentteufe. Entspricht zeitlich dem Übergang von MIS (Marine Isotopen Stufe) 5e zu MIS 6. (Foto: J. Mingram, GFZ) Two examples of cores from the Monticchio-section a) [80 mm Ø] Campanian ig-nimbrite (32,970 VT BP [varve years before 1950]) b) [40 mm Ø] laminated sediment sequences in to m sediment depth, which equals in time the transition from marine isotope stage (MIS) 5e to MIS 6.

10 Totes Meer, trockengefallene Off-shore Sedimente Ende November bis Anfang Dezember 1997 wurden mit dem Usinger-Stechsystem Sedimente am Westufer des Toten Meeres erbohrt, die durch den rapiden Seespiegelrückgang trockengefallen waren (Abb. 6a). Hierzu wurde das für den Einsatz auf dem Wasser konzipierte System leicht modifiziert. Das Dreibein konnte wahlweise mit Spitzen im Sediment fixiert oder mit Aluminium-Verbindern gesichert werden. Die üblicherweise verwendete große Seilwinde wurde durch ein leichtes, nur zum Ziehen des Gestänges geeignetes System ersetzt. Die zum Freiziehen des Kernrohres benötigte Kraft lieferte eine hydraulische Zugvorrichtung (Abb. 6b). Die gesamte zum Bohren benötigte Ausrüstung (ohne Kernrohrkisten) konnte in einem Kleintransporter verstaut werden. Insgesamt wurden 4 Lokationen für Bohrungen ausgewählt. Die beiden im Mündungsbereich von Wadis gelegenen Bohrpunkte (Ze elim Valley und Hever) ergaben naturgemäß gröber klastische Sedimente, die bis 18 m Tiefe erbohrt wurden. Von den von klastischen Schüttungen weniger beeinflussten Lokationen Ein Gedi und Ein Feshkha konnten ungestörte Profile laminierter Seesedimente bis zum Auftreten massiver Salzbänke in einer Tiefe von 20 m gewonnen werden. Die hier gewonnenen Profile erlaubten eine lückenlose Rekonstruktion des Sedimentationsgeschehens und paläo-klimatischer Veränderungen der letzten Jahre (Abb. 7). Die Bohrungen am Westufer des Toten Meeres sind ein hervorragender Beleg dafür, dass das Usinger- Stechsystem unter bestimmten Bedingungen sogar für die Gewinnung ungestörter Sedimentprofile an Land geeignet ist. Sedimentbohrgerät Niederreiter UWITEC Kolbenlot Prinzip (Abb. 8a) - seilgeführtes Kolbenlot mit 2, 3 und 5 m Länge - Aufnahme des Sedimentes in innen liegenden PVC- Linern während des Kernvorganges, wahlweise mit einem Rohrdurchmesser von 36, 60 und 86 mm - Kernvorgang (das Entriegeln des Kolbens) wird mittels Fixierung des Kolbenseils und anschießendem Schlagimpuls ausgelöst - Kernvortrieb mittels manuellem Hämmern mit einem 20 bis 60 kg schweren Schlaggewicht - alle Metallteile aus rostfreiem Stahl, gehärtet oder beschichtet Einsatzbereich - weltweit; geringer logistischer Aufwand - Aufbau auch über schwer zugängliche Stellen und im Wasser möglich - Kerne bis ca. 23 m Länge sind aufgrund von überlappenden Teilstücken möglich - Wassertiefen von bis zu 140 m - Bohrungen vom Eis aus Floßstabilisierung mittels vier Anker oder über eine Vertäuung am Ufer 96 Bohrkampagne Kerne (Wassertiefe) Position Sedimentteufe erreichte Maximalalter 1982 (Watts) MF 82 Ufer (0 m) 25,7 m? 1990 (Negendank) LGM-A Seetiefstes (36 m) 4 m LGM-B Schelf (5,5 m) 40 m LGM-C Schelf (6 m) 16 m LGM-D Schelf (5 m) 52 m 76,3 ka LGM-E Schelf (5,8 m) 2 m 1993 (Watts) MF 93 A Ufer (0 m) 8,4 m 18 ka MF 93 B Ufer (0 m) 1,5 m 1994 (Negendank) LGM-F Hang (21,7 m) 20,3 m LGM-G Hang (21,5 m) 3,1 m LGM-H Hang (21,7 m) 33,3 m LGM-J Hang (13,5 m) 65,4 m 101,6 ka LGM-K ufernah (2,1 m) 7,0 m LGM-L ufernah (2,3 m) 35,5 m 2000 (Negendank) LGM-M Hang (11,6 m) 89,4 m LGM-N Hang (12,7 m) 9,4 m LGM-O Hang (12,2 m) 95,3 m ka Tab. 3: Übersicht über alle bisher im Lago Grande di Monticchio erbohrten Kolbenlotkerne Overview of all the sediment cores retrieved by piston coring from Lago Grande di Monticchio

11 Bohrmannschaft - optimal sind vier Personen; minimal drei und maximal fünf Kerngewinn - maximal erbohrte Sedimentsequenz: ca. 23 m; 10 bis 15 m sind normal - Je nach Art des Sedimentes kann ein hydraulischer Kernfänger (organisch, weich) oder ein sog. Apfelsinen-Kernfänger (terrigen, hart) eingesetzt werden. Abb. 6: Arbeit mit Dreibein und Usinger-System an Land: a) Ein Feishkha, Totes Meer, Israel (1997); b) Hydraulikvorrichtung zum Kernziehen (1997). (Fotos: J. Mingram, GFZ) On-shore coring with a tripod and the Usinger-system; a) Ein Feishkha, Dead Sea, Israel (1997), b) Hydraulic device for core - pulling (1997) Arbeitsplattform und Peripheriegeräte - 4 x 3 m, bestehend aus 4 Aluminium-Platten - Dreibein mit ca. 3,5 m freier Arbeitshöhe - Schwimmkörper: Trevira Pontons oder Metallfässer - Eisbohrung: Kufen, welche auch das Fahren auf dem Eis ermöglichen - Hand-Seilwinden mit 300 m Kabel für: - Gestänge/Bohrkammer/etc. (5 mm Stahl) - Kolben (5 mm Stahl) - Schlaggewicht (8 mm PE) 97 Abb. 7: Die Umweltgeschichte des Toten-Meer-Grabens in den letzten Jahren: Klima und Seismizität Environmental history of the Dead Sea Graben during the last 10,000 years: climate and seismicity

12 Abb. 8: UWITEC-Kolbenlot und UWITEC-Fall-Lote UWITEC-piston corer and UWITEC-free-fall corer Abb. 9: Sedimentkerne des Pulvermaares Sediment cores of lake Pulvermaar 98 Fallstudien Pulvermaar Aus dem Pulvermaar wurde mittels dieser Kolbenlot- Technik aus 72 m Wassertiefe die komplette holozäne Sedimentsequenz erbohrt. Die Kerne von 187 und 284 cm Länge konnten anhand von Markerhorizonten eindeutig korreliert werden (Abb. 9). Die sandigen Lagen in den Sedimenttiefen 395 bis 386 cm und 346 bis 344 cm sind Ablagerungen der Ulmener Maar- und der Laacher Maar-Explosionen. Kurzkern-Geräte UWITEC-Fall-Lote (vgl. Abb. 8b, c) Die Fall-Lote der Firma UWITEC bestehen aus einem Basisgerät, das sich vielfach kombinieren lässt, um Oberflächensedimente zwischen 60 und 200 cm Mächtigkeit zu kernen. Als Kernfänger, insbesondere für die 60 cm langen Kerne, wird ein Plastikball benutzt, der mittels Gummiband unter das Kernrohr gezogen wird. Des weiteren stehen ein hydraulischer Kernfänger und, für gröbere Sedimente, der sog. Apfelsinen-Kernfänger zur Verfügung. Alle Systeme werden beim Eindringen in das Sediment ausgelöst bzw. beim Herausziehen. Es ist kein weiterer Auslösemechanismus notwendig. Je nach Kombination lassen sich bis zu vier Zusatzgewichte à 6 kg anbringen. Die Fall-Lote werden in Verbindung mit dem Kolbenlot bei organischen, wasserreichen Sedimenten für die zerstörungsfreie Beprobung der oberflächennahen Sedimente eingesetzt. Hierbei sind die glasklaren PVC-Liner von großem Vorteil, weil sofort festgestellt werden kann, ob die Sediment/Wasser-Interface aufgewirbelt worden ist und ggf. ein neuer Kern genommen werden muss. Fallstudien Lac Pavin Aus dem französischen Kratersee Lac Pavin wurde aus 96 m Wassertiefe ein 181 m langer Sedimentkern gewonnen. Schon im Gelände zeigte sich, dass die Sedimente durchgehend laminiert sind. Aufgrund der hohen Wassergehalte und der großen Wassertiefe und damit verbundener Entgasungen im Sediment, wurden die obersten 1 bis 3 cm bei nahezu allen Kernversuchen durchmischt. Aus diesem Grund wurde die Gefrierkern-Technik eingesetzt (vgl. 2.4). Im Vergleich zur Fall-Lot Methode

13 ist die Lamination des 92 cm langen Sedimentkerns auch in den obersten Zentimetern erhalten (Abb. 10). Gefriersystem nach Niederreiter UWITEC Gefrierkern-Technik Gefrierkern-Geräte (Abb. 11a, b) werden eingesetzt, wenn die oberflächennahen Sedimente gasreich sind, einen hohen Wassergehalt und hohen Anteil organischen Materials besitzen und um den jahrgenauen Anschluss an die Jetztzeit zu gewährleisten (Sediment/Wasser- Interface). Das neu entwickelte Gerät hat gegenüber den bis dato bekannten einige Vorteile: - Es ist nahezu tiefenunabhängig (druckfest bis 1000 m Wassertiefe); 200 m wurden bis jetzt erreicht (Abb. 11d, e). - Ein Steuerkabel ist unnötig, da die gesamte Technik mit im Druckbehälter integriert ist. - Nur eine Substanz (Ethanol) wird als Gefriermittel verwendet, deshalb treten keine Mischungsprobleme und damit verbundene Effektivitätsverluste auf. Dies lässt mehrfaches Kernen mit derselben Qualität zu. - Ethanol wird mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Damit fällt der gravierende, teilweise gefährliche Nachteil der großen Volumenausdehnung weg, der bei der Verwendung von Trockeneis auftritt. Die entstehenden Gase müssen bei der herkömmlichen Methode aus dem Gerät abgeführt werden, ohne dass Wasser eindringen kann. Zudem ist die Verdampfungsrate druckabhängig und wäre weniger effektiv in großen Tiefen. - Wahlweise kann zum Herunterkühlen des Ethanols auch Trockeneis benutzt werden. Dies geschieht jedoch noch auf dem Floß, so dass die geschilderten Probleme nicht auftreten. Fallstudien Sihailongwan, NO-China Im Vulkanfeld NW der Changbai-Stratovulkane gibt es eine Vielzahl von Maar- und Kraterseen, in denen Kurzund Gefrierkerne gezogen wurden. Besonders interessant ist das Profil aus dem Sihailongwan-Maarsee (vgl. Abb. 11c), in dem eine Warvenchronologie für die letzten 1000 Jahre erstellt werden konnte. Die Klimarekonstruktion aufgrund verschiedener Parameter und besonders der Pollenanalyse erlaubt folgende Aussage (Mingram et al., 2000): - Die Rekonstruktionen zeigen, dass das rekonstruierte heutige Klima gut mit dem in Jingyu gemessenen übereinstimmt und das mit Ausnahme der letzten 100 Jahre das Klima der vorhergehenden 800 Jahre keine großen Schwankungen aufweist. 99 Abb. 10: Gefrierkern (a) aus dem Lac Pavin (b). (Foto: C. Brüchmann, GFZ) Freeze core (a) from lake Pavin (b).

14 100 - Im frühen 20. Jahrhundert war das Klima im Sommer und Winter kühler und trockener. Dieser Effekt kann aber auch eine Folge des menschlichen Einflusses sein (Waldauflichtung). Ähnlich ist die Variation im 13. Jahrhundert zu interpretieren. - Auffällig ist, dass sich weder die kleine Eiszeit noch die mittelalterliche Wärmeperiode darstellt. Ren (2000) konnte zeigen, dass es in NO-China nach 6000 BP keinen oder kaum anthropogenen Einfluss gab. Erst ab 1910 begann die Siedlungsaktivität. - Aufgrund dieser Paläoklimarekonstruktionsmöglichkeit ist die Sequenz ideal für eine Rekonstruktion über das gesamte Holozän. Gravity-Corer Freifall-Kolbenlot (modifiziertes Kullenberg-System) Das Freifall-Kolbenlot ist eine Weiterentwicklung des ursprünglichen Kullenberg-Lotes durch die ETH Zürich (Abb. 12, Kelts et al., 1986). Es wurde vor allem entwickelt, um Sedimentkerne aus den großen und tiefen Alpenseen zu gewinnen. Prinzip - seilgeführtes Kolbenlot, das durch Gravitationskraft (Auflastgewicht bis zu 0,5 t) im freien Fall in das Sediment eindringt - bis zu 15 m langes Aluminium-Kernrohr mit PVC- Linern (Durchmesser 58,5 mm) - Auslösen des freien Falles durch kurzes Vorfall-Lot Einsatzbereich - große und tiefe Seen (Wassertiefen bis >500 m) - nur bei ruhigem Wasser ohne starke Strömung (keine Verankerung) - von beweglicher U-förmiger Bohrplattform Kerngewinn - maximale Kernlänge bis 15 m an einem Stück - Teilung des Kerns in 1 m oder 2 m Segmente direkt nach dem Heraufziehen des Kernes Besonderheiten - Arbeiten mit 3 verschiedenen Seilen (Windenseil aus Stahl, vorgerecktes Kolbenseil und Vorfallseil aus Polyester/Dyneema) - genaue Berechnung der Seillängen und des Fallgewichtes unter Berücksichtigung der Sedimentbeschaffenheit ist Voraussetzung für optimalen Kerngewinn (erfahrenes Bohrteam (3 bis 4 Personen) erforderlich Fallstudien Lac d Annecy Unter Leitung des GFZ Potsdam wurden im Oktober 1995 insgesamt vierzehn bis zu 10 m lange Sedimentprofile aus verschiedenen Bohrlokationen des Lac d Annecy, die anhand seismischer Profile ausgewählt wurden, gewonnen (Abb. 13). Die Ergebnisse der Auswertungen sind inzwischen teilweise publiziert (Brauer und Casanova, 2001; Dearing et al., 2001; Noël et al., 2001, Vallelonga et al., in press). Zur Zeit der Kernnahme auf dem Lac d Annecy war eine geeignete Bohrplattform, von der aus auch mit 12 bis 15 m langen Kernrohren gearbeitet werden konnte, nicht am GeoForschungsZentrum verfügbar. Aus diesem Grund wurde eine kommerzielle französische Plattform mit einem U-Profil, die üblicherweise in der Kiesgewinnung eingesetzt wird, zur Verfügung gestellt. An diese Plattform wurde ein A-Rahmen angeschweißt, über den das Fall-Lot abgelassen und hochgezogen wurde (Abb. 14a). Die Plattform wurde von einem Boot Abb. 11a: Niederreiter-Floß mit Freeze- Corer (Sihailongwan-Maar, China, 1999); b) Freeze-Corer (Sihailongwan- Maar, China, 1999); c) Gefrierkern (Sihailongwan-Maar, NO-China, 1999, (Fotos: J. Mingram, GFZ); d) Gefrierkern; e) Gefrierkern, (Fotos: T. Kulbe, GFZ) a) Niederreiter-raft with freeze-corer (Lake Sihailongwan, China, 1999); b) Freeze-corer (Lake Sihailongwan, China, 1999); c) Freeze core (Lake Sihailongwan, NO-China, 1999); d) Freeze core; e) Freeze core

15 Abb. 12: Funktionsmechanismus des Freifall-Lotes Functional mechanism of the free-fall corer Abb. 13: Sedimentkerne (Freifall-Lot) aus dem Lac d Annecy Sediment cores (free-fall corer) from Lac d Annecy zu den jeweiligen Bohrpunkten bewegt (Abb. 14b). Das kontrollierte Herablassen des Kerngerätes bis auf etwa 3 m über Grund (abhängig von der Sedimentbeschaffenheit) konnte mithilfe eines Echographen von der Plattform aus gesteuert werden. Durch das besondere Auslösesystem mit einem Vorfall-Kern war es möglich neben dem Hauptkern einen zusätzlichen Kurzkern mit ungestörter Sedimentoberfläche zu gewinnen (Abb. 14c). 101 Abb. 14: Einsatz Fallkolbenlot im Lac d Annecy. a) Vorbereitung des Kernrohres auf Bohrplattform mit A- Rahmen; b) Ansichten des Hauptkerns (mit Bleigewichten) und des Vorfallkerns vor dem kontrollierten Ablassen. Im Hintergrund Motorboot zur Steuerung der Bohrplattform; c) Ungestörter Oberflächenkern aus dem Vorfallkern (Fotos: A. Brauer, GFZ) Action of the large Kullenberg-style free-fall corer on Lac d Annecy, a) Preparation of the core tube on the raft with an A-frame b) View of the main core (with lead weights) and the trigger core before lowering down. In the background the boat for navigation of the main raft; c) Undisturbed sediment surface from the trigger core.

16 Selcore Subsea Selantic Gravity-Corer mit hydrostatischem Motor Prinzip (Abb. 15) Das Kernstück des Selcore-Gerätes ist ein hydrostatischer Motor (Abb. 15c), der automatisch aktiviert wird, wenn das Kernrohr nach freiem Fall in den Seeboden eindringt. Die Energie wird aus der Differenz zwischen der Luft in der Niederdruckkammer und dem wechselnden hydrostatischen Druck der Arbeitstiefe gewonnen. Die Hämmerung wird nach voller Eindringtiefe des Kernrohres ins Sediment beendet. Die minimale Arbeitstiefe beträgt 120 m Wassertiefe. Ein Ellbogengelenk erlaubt ein Umlegen des bis zu 20 m langen Kernrohres zur besseren Handhabung auf dem Floß/Schiff (Abb. 15c). Selcore hat ein Gewicht von 500 bis 2000 kg, weshalb ein entsprechendes Floß/Schiff und Kräne vorhanden sein müssen (Abb. 15b, d). Der Einsatz dieses Gerätes war notwendig, um harte Salzlagen durchstoßen zu können, da ein normaler Gravity-Corer hier versagt. 102 Abb. 15: Bohrungen mit System Selcore Subsea-Selantic im Toten Meer. a) Bohrlokationen DS-SC wurden mit Selcore beprobt; b) Floß mit 65 t Kran, Kühlcontainer und Hydraulikhammer; c) Floß (10 t Tragkraft), Hydraulikhammer und umgelenktes Kernrohr (Ø 15 cm (Foto: C. Heim); d) Floß im Schlepptau eines Forschungsschiffes; e) Kern DS7-1SC aus Wechsellagerung harte Steinsalze und laminierte Mergel; (Fotos: J. Negendank, GFZ). Coring with the Selcore Subsea-Selantic system in the Dead Sea.a) Location DS-SC, cored with Selcore; b) Raft with 65t-crane, cooling container and hydraulic hammer; c) Raft (10 t capacity), hydraulic hammer and layed-down core tube (Ø 15 cm); d) Raft, taken in tow by a research vessel; e) Core DS7-1SC, composed of alternating rock salts and laminated marls.

17 Im operationellen Betrieb stellte sich heraus, dass nach Durchteufung der 5. bzw. 6. Salzlage der Apfelsinenverschluss durch Salze verstopft oder herausgerissen wurde. Maximale Kerngewinne waren somit ca. 5 m. Fallstudien Totes Meer Das in Abb. 15e dargestellte Profil wurde im Toten Meer in 280 m Tiefe gewonnen und dokumentiert erstmals die im abyssalen Bereich des Toten Meeres entstandene Sequenz. Die Untersuchung erlaubte die in Heim et al. (1997) dargestellte Klima- und Umweltrekonstruktion. Herausforderungen für zukünftige Arbeiten Die beschriebenen Stechtechniken werden in ihrer Vielfalt je nach Sedimenttyp, der Erfassung des Sediment/Wasser-Interfaces, der Größe und Wassertiefe des Sees benötigt und eingesetzt. Eine Herausforderung, die bisher nicht gemeistert ist, besteht in der Technik der Durchschlagung bzw. des Erbohrens harter und sandigkiesiger Lagen, die sich der Stechtechnik grundsätzlich widersetzen. Hinzu tritt die Notwendigkeit der Verrohrung des Bohr-/Stechlochs speziell im Bereich sandiger Lagen, da hier die Konsistenz des Sedimentes zu gering ist und solche Lagen Bohrlochausbrüche verursachen, die das Bohrloch verschütten. In siltig-tonigen, organogenen und evaporitischen Sedimenten ist das Bohrloch ohne Verrohrung ca. 7 bis 10 Tage stabil. Bei der Usinger-Stechtechnik sind bisher Teufen von ca. 95 m erreichbar, wobei zur vollständigen Dokumentation für ein kalendriertes Profil und für die Bestimmung der magnetischen Deklination mindestens 2 bis 3 (besser 4) überlappende Profile nötig sind. Das Stechen mit einer zukünftig erweiterten Usinger- Sonde bis auf 200 m Sedimenttiefe erscheint möglich und in Kombination mit einer Verrohrung sinnvoll. Die Weiterentwicklung dieser Gerätschaft gegenüber dem Einsatz von GLAD 800 ist geradezu gefordert, da kleine Seen meist in Naturschutzgebieten liegen und ein starkes Aufwirbeln anoxischer Bodenbereiche für die Ökologie dieser Seen tödlich ist, abgesehen von logistischen Problemen mit schwerem Gerät in unzugänglichen Gebieten. Hinzu kommt die Erfahrung, dass kleine geschützte Seen eine vollständige Zeitfolge erfassen, d. h. die Eigenproduktion des Sees im wesentlichen die Sedimentation beherrscht, während in großen Seen mit Zu- und Abfluss eine lückenlose, auf Jahresbasis beruhende Stratigraphie aufgrund der starken Fazieswechsel allgemein nicht gegeben ist. Die Ablagerungen dokumentieren lediglich Zeitverschiebungen mit Lücken von Hunderten bis Tausenden von Jahren, sind also oft ähnlich gestaltet wie marine Sedimente. Literatur Allen, J. R. M., Brandt, U., Brauer, A., Hubberten, H.-W., Huntley, B., Keller, J., Kraml, M., Mackensen, A., Mingram, J., Negendank, J. F. 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18 Ramrath, A., Zolitschka, B., Wulf, S. und Negendank, J. F. W. (1999): Late Pleistocene climatic variations as recorded in two Italian maar lakes (Lagio di Mezzano, Lago Grande di Monticchio). Quaternary Science Reviews 18, Ren, G. (2000): Decline of the mid to late Holocene forests in China: climate change or human impact? Journal of Quaternary Science 15, Robinson, C. (1994): Lago Grande di Monticchio, southern Italy: a long record of environmental change illustrated by sediment geochemistry. Chemical Geology 118, Usinger, H. (1991): Ein Stechbohrgerät zum Bergen von Torfen und Seesedimenten für den Einsatz bis zu größeren Tiefen. In: Paleolimnology of maar lakes: Abstracts und Excursion Guide. (B. Zolitschka und J. F. W. Negendank, Eds.), pp. 55. Usinger, H. (1999): Ein Stechrohr-Bohrgerät für wassergesättigte, unkonsolidierte Sedimente. Universität Kiel. Vallelonga, P., Rosman, K. J. R., Bollhöfer, A., Ferrari, C., Boutron, C. F., Van de Velde, K. und Brauer, A. (in press): An 11 ky Pb isotope record of natural and anthropogenic events measured in sediments from Lake Annecy. Environmental Science and Technology. Watts, W. A. (1985): A long pollen record from Laghi di Monticchio, southern Italy; a preliminary account. J.Geol.Soc. 142, Watts, W. A., Allen, J. R. M. und Huntley, B. (2000): Palaeoecology of three interstadial events during oxygen-isotope Stages 3 and 4: a lacustrine record from Lago Grande di Monticchio, Southern Italy. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 155, Wulf, S. (2000): Das tephrochronologische Referenzprofil des Lago Grande di Monticchio - Eine detaillierte Stratigraphie des süditalienischen explosiven Vulkanismus der letzten Jahre. Diss., Univ. Potsdam, 124 S. Wulf, S., Brauer, A., Frank, U., Mingram, J., Negendank, J. F. W., Nowaczyk, N. und Zolitschka, B. (2000): New evidence of rapid climate change in maar lake sediments of the Mediterranean: the highresolution tephrochronological record of Lago Grande di Monticchio. Terra Nostra 2000/6, Zolitschka, B. und Negendank, J. F. W. (1993): Lago Grande di Monticchio (southern Italy) - a high resolution sedimentary record of the last 70,000 years. In: Paleolimnology of European Maar Lakes. (J. F. W. Negendank und B. Zolitschka, Eds.), pp Lecture Notes in Earth Sciences. Springer, Berlin - Heidelberg - New York. Zolitschka, B. und Negendank, J. F. W. (1996): Sedimentology, dating and palaeoclimatic interpretation of a 76.3 ka record from Lago Grande di Monticchio, Southern Italy. Quaternary Science Reviews 15,