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.
1
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
2
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)
3
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
4
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
5
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)
6
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).
7
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
8
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).
9
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.
10
11. Literatur
Derbyshire, E. & X. Meng (2000), Loess as a geological material. Ch 3 in: Derbyshire,
E., Xingmin Meng & T.A. Dijkstra (eds.) Landslides in the thick loess terrain of north-
west China. Chichester: Wiley, 47-90
Derbyshire, E., Dijkstra, T.A., Billard, A., et al. (1993): Thresholds in a sensitive
landscape: the loess region of central China. In Landscape Sensitivity and Change,
Thomas, D.S.G. & Allison, R.J. (Eds).- John Wiley, Chichester, 97-127
Huang, C.C., J. Pang & J. Zhao (2000), Chinese loess and the evolution of the east
Asian monsoon. Progress in Physical Geography 24, 75-96
Keilhack, K.(1920): Das Rätsel der Lössbildung.-Z.d.G.G. 72B: 146-167
Schreiner, A. (1997): Einführung in die Quartärgeologie.- Schweizerbart´sche
Verlagsbuchhandlung, Stuttgart
Kukla, G. & Z. An (1989), Loess stratigraphy in central China. Palaeogeography,
Palaeoclimatology, Palaeaoecology 72, 203-225
Lin, Z. & W. Liang (1982), Engineering properties and zoning of loess and loess-like
soils in China. Canadian Geotechnical Journal 19, 76-91
Maher, B.A. & Thomson, R. (1999): Quaternary climates, environments, and
magnetism, Cambridge University Press, Cambridge, 82-125
Maher, B.A. & Thompson, R (1992): Paleoclimatic significance of the mineral magnetic
record of the Chinese loess and paleosols. Quat. Res.,37, 155-77
Maher et al. (1994): Spatial and temporal reconstructions of changes in the Asian
palaeomonsoon: a new mineral magnetic approach. Earth Planet. Sci. Lett., 125, 461-
471
Pavich et al. (1986): 10 Be distribution in soils from Merced river terraces, California.
Cosmochim. Acta, 50, 1727-35
11
Porter, S.C. & An, Z. (1995):Correlation between climatic events in the North Atlantic
ans China during the last glaciation. Nature, 375, 305-308
Pye, K. & D. Sherwin (1999), Loess. Ch 10 in: Goudie, A.S., I. Livingstone & S. Stokes
(Eds.) Aeolian environments, sediments and landforms. Chichester: Wiley, 213-238
´
12
Top Related