Geochemical and sedimentological analysis of late Pleistocene and Holocene sediments in the Donggi Cona catchment, NE Tibetan Plateau, China

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2 AACHENER GEOGRAPHISCHE ARBEITEN Heft 48 Geochemical and sedimentological analysis of late Pleistocene and Holocene sediments in the Donggi Cona catchment, NE Tibetan Plateau, China von Janneke IJmker Herausgegeben von: M. Fromhold-Eisebith, F. Lehmkuhl, C. Neiberger, C. Pfaffenbach, C. Schneider GEOGRAPHISCHES INSTITUT DER RWTH AACHEN IM SELBSTVERLAG 2012

3 ISSN: ISBN: AGA RWTH AACHEN Alle Rechte vorbehalten. Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es nicht gestattet, das Werk oder einzelne Teile daraus nachzudrucken oder auf fotomechanischem oder elektronischem Wege (Fotokopie, pdf-datei oder als jpg usw.) zu vervielfältigen Geographisches Institut der RWTH Aachen im Selbstverlag Druck: Digitaldruck AixPress GmbH Printed in Germany All rights reserved. No part of this book, either text or image may be used for any purpose other than personal use. Therefore, reproduction, modification, storage in a retrieval system or retransmission, in any form or by any means, electronic, mechanical or otherwise, for reasons other than personal use, is strictly prohibited without prior written permission by the publisher Geographical Institute of the RWTH Aachen University, self-published Print: Digitaldruck AixPress GmbH Front page Design: Hans-Joachim Ehrig Images on the frontpage: Top left: Grazing yaks on the alluvial fan east of Lake Donggi Cona. In the background formation of sand dunes on the foothills of the mountains Top right: Indications of pedogenic processes in the Donggi Cona catchment (see Chapter 3) Bottom left: The alluvial fan east of Lake Donggi Cona with different depositional environments (see Chapter 4) Bottom right: Influence of fault lines on groundwater flow.. In the background local patches of aeolian sediment deposition (Photographs: J.IJmker May 2009)

4 Geochemical and sedimentological analysis of late Pleistocene and Holocene sediments in the Donggi Cona catchment, NE Tibetan Plateau, China Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der Rheinisch -Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktorin der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Janneke IJmker, MSc. aus Apeldoorn (Niederlande) Berichter: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. F. Lehmkuhl Univ.-Prof. Dr. rer. nat. C. Schneider Priv.-Doz. Dr. phil. W. Römer Tag der mündlichen Prüfung: 21. Dezember 2011

5 Content I Content List of tables... IV List of figures... V 1 Introduction Motivation Background Aims Thesis outline Current stage of research Present atmospheric circulation patterns Climate change and sediment deposition Climate change in on the Tibetan Plateau and adjacent areas Sediment deposition on the Tibetan Plateau Human impact on sediment deposition Methodological background Geochemistry Sedimentology Dating Regional setting Climate Geology Geomorphology Soil and vegetation Environmental conditions in the Donggi Cona lake catchment, NE Tibetan Plateau, based on factor analysis of geochemical data (published in the Journal of Asian Earth Sciences) Abstract Introduction Environmental conditions on the Tibetan Plateau Factor analysis of geochemical data Study area Method description Field methods Laboratory measurements Statistical methods Results Statistical results Interpretation and spatial distribution of loadings (Re-)grouping of samples Provenance of sediments Discussion Factor analysis Factor analysis results Tectonic versus climatic influences... 54

6 II Content Relevance for the Tibetan Plateau and other study areas Conclusions Acknowledgements Characterisation of transport processes and sedimentary deposits by statistical end-member mixing analysis of terrestrial sediments in the Donggi Cona lake catchment, NE Tibetan Plateau (published Sedimentary Geology) Abstract Introduction Sedimentological research on the Tibetan Plateau End-member mixing analysis (EMMA) Geographical setting Materials and methods Sampling and grain-size analysis Decomposition of grain-size distributions Results Model results Spatial representation Addition of loess samples Interpretation and discussion Performance of the end-member algorithm EM EM EM Comparison to other catchment data Timing of end-member deposition Conclusions Acknowledgements Dry periods on the NE Tibetan Plateau during the late Quaternary (published in Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology) Abstract Introduction Study area Methods Results Local aeolian transport Key profile Reference sections Manganese concentrations Discussion Local aeolian transport Mn anomalies Climatic interpretation Conclusion Acknowledgements Synthesis

7 Content III 7.1 General aim and research questions Geochemical variations in the Donggi Cona catchment: indicative for local environmental conditions Sedimentological variations: indicative for dominant sediment transport processes and sediment sources Dune sediments: archives for spatial and temporal environmental variations Final outcome and recommendations Atmospheric systems Local versus regional dust Manganese Summary Zusammenfassung Acknowledgements Literature

8 112 Zusammenfassung 9 Zusammenfassung Geochemische und sedimentologische Analyse Spätpleistozänen und Holozänen Sedimenten im Donggi Cona Einzugsgebiet, nordöstlichen Tibet Plateau, China Das Klima auf dem Tibetischen Plateau wird einerseits von atmosphärischen Systemen beeinflusst hat aber auf der anderen Seite seinerseits Einfluss auf regionale und globale atmosphärische Systeme. Da globale Klimaänderung einer ausgeprägte Einfluss auf die Umweltbedingungen in dieser Region hat, ist das Verständnis für die Klimaentwicklung dieser Region von äußerster Wichtigkeit. Sedimente aus dem Einzugsgebiet des Donggi Cona (35 18 N, E, 4090 m NN) auf dem nordöstlichen Tibet Plateau werden untersucht, um die heutigen und ehemaligen Klimaveränderungen zu rekonstruieren und damit die dominanten atmosphärischen Zirkulationssysteme während das Spätpleistozän und Holozän ausfindig zu machen. Dabei wird multivariante Statistik angewandt um die generellen Eigenschaften des Einzugsgebietes, wie z.b. Umweltregionen, dominante Transportprozesse, sowie Quellen und Senken zu rekonstruieren. Wegen der Anzahl der Variablen in dieser Studie, war der Anwendung multivariate statistische Methoden unabwendbar. Aus der Faktoranalyse der geochemischen Daten ergeben sich vier Umweltfaktoren: a) Karbonatgestein- oder Produktion, b) Verwitterung und c) und d) (beide) Redoxbedingungen. Die Analyse erlaubt eine Klassifizierung nach Dünen-, Löss-, Seeund fluvialen Kiessedimenten-, die aufgrund ihrer Scores für die Karbonat- und Verwitterungsfaktoren kategorisiert werden können. Die auf geochemischen Eigenschaften basierende Unterverteilung widerspricht in einigen Fällen den Geländeklassifizierungen. Die Ursache dafür liegt in der Herkunft der Sedimente, wodurch die Rekonstruktion von Sedimenttransportbahnen möglich wird. Daraus ergeben sich Hinweise für einen ostwärts äolischen Sedimenttransport auf dem großen Schwemmfächer östlich vom See. Die End-Member Mixing Analyse (EMMA) sedimentologischer Daten ermöglicht die Charakterisierung von drei dominanten Modalwerten im Sedimenttransport im Einzugsgebiet des Donggi Cona. Das erste Endglied repräsentiert feinkörnige, intensiv umgelagerte Dünensedimente auf dem großen Schwemmfächer östlich des Sees. Das zweite Endglied kenzeichnet sich durch gut sortierte Dünensedimente, die insbesondere südlich des Sees und nördlich des großen Schwemmfächers vorzufinden sind. Die Sedimente werden aus lokalen Fächer-, Playa- und Auensedimenten ausgeblasen und in östlicher Richtung abgelagert. Das dritte Endglied zeichnet sich durch unimodale und bimodale Lösse und lössähnliche Sedimente aus. Löss wird auf höheren Ebenen abgelagert. Die Beziehung zwischen Sedimentquelle und senke deutet auf einen ostwärtigen Transport von allen durch EMMA klassifizierten Sedimente hin. Darüber hinaus deutet das Vorkommen von sehr feinem Löss auf Staubeintrag aus dem hohen Westwindsystem hin.

9 Zusammenfassung 113 Geochemische und sedimentologische Untersuchungen der Dünensedimenten südlich und östlich des Sees weisen darüber hinaus auf zwei verschiedene Dünenfelder aus (teilweise) unterschiedlichen Sedimentquellen hin. Das östliche Dünenfeld ist aus ehemaligen Seesedimenten entstanden, während sich das südliche Dünenfeld aus lokalen, fluvialen und Playasedimenten entwickelte. Folglich haben beide Dünenfelder ein eigenes Herkunftsgebiet. Sedimentologische Untersuchungen zeigen auch, dass ein Großteil der lokalen Lössvorkommen durch die Sortierung von Dünensanden in Gebieten mit starker Höhenzunahme entsteht. Während dem Spätpleistozän sowie der kleinen Eiszeit sind erhöhte Mangangehalte zu verzeichnen erhöhte sich der Mangangehalt. Die Mangananreicherung zeichnet sich lediglich durch immobile Formen von Mangan aus, daher wird die Zunahme als ein Hinweis für erhöhten Staubeintrag ins Sediment interpretiert. Da der Staubtransport auf dem tibetanischen Plateau vor allem über die Westwinde zustande kommt, deutet dies auf einen größeren Einfluss dieses Windsystems während des Spätpleistozäns und der kleinen Eiszeit hin. Diese Studie schlägt die Mangangehalte als einen Proxy für Identifizierung von Staubeinträgen in Sedimente vor. Die Zuverlässigkeit dieser Methode sollte in weiteren Regionen der Welt getestet und überprüft werden. Außerdem weisen geochemische und sedimentologische Untersuchungen im Donggi Cona Einzugsgebiet auf einen östlichen Transport von vielen Sedimentarchiven hin. Der äolischer Transport auf dem Tibet Plateau findet hauptsächlich im trockenen Winter statt, in dem das Klima vom südwärtigen Wintermonsun und dem Westwindsystem dominiert wird. Es muss angenommen werden, dass Westwinde über lange Zeiträume eine wichtige Rolle im Spätpleistozän und Holozän gespielt haben. Durch die Anwesenheit sehr feiner Lösse in einigen Ablagerungen muss angenommen werden, dass Westwinde immer wieder eine wichtige Rolle im Spätpleistozän and Holozän gespielt haben. Die intensive Aufarbeitung der Dünensedimente auf dem großen Schwemmfächer könnte auf Einfluss des Sommermonsuns im letzten Jahrtausend hindeuten, wobei der menschlicher Einfluss in zunehmendem Maß ebenfalls eine Rolle im lokalen Sedimentkreislauf spielen dürfte.