Beachrock as sea-level indicator : addressing common problems through sedimentological facies analysis

Falkenroth, Michaela; Reicherter, Klaus (Thesis advisor); Hoffmann, Gösta (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Der globale Klimawandel und der damit verbundene eustatische Meeresspiegelanstieg stellen für Staaten mit dicht besiedelten Küstenregionen eine Herausforderung dar. Lokale, vertikale Land-bewegungen können den Effekt der globalen Meeresspiegelschwankungen reduzieren, aufheben oder verstärken. Verlässliche Szenarien des regionalen Meeresspiegeltrends sind daher von großer Bedeutung. Die Beobachtung des Meeresspiegels mit modernen Instrumenten ist eine junge Disziplin, die Datensätze reichen nur wenige Jahrhunderte in die Vergangenheit, zu kurz, um langfristige Veränderungen festzustellen oder zu quantifizieren. Die notwendigen Daten liefern daher andere Archive - sogenannte Meeresspiegelindikatoren. Vieles kann als Archiv vergangener Meeresspiegel fungieren, die Voraussetzungen sind eine unbestreitbare, räumlich festgelegte Beziehung zum Meer zum Zeitpunkt der Entstehung und die Eigenschaft über geologische Zeiträume fortzubestehen. Meeresspiegelindikatoren sind zum Beispiel Korallen und andere sessile Organismen, marine Brandungsholkehlen oder auch archäologische Strukturen wie antike Häfen. Ein weiteres Archiv für Paläomeeresspiegel ist beachrock. Beachrocks sind Strandsedimente die durch natürliche Zementation mit Kalziumkarbonat (oder seltener Silikaten) verhärten. Der Prozess der Zementation kann rapide verlaufen und Lockersediment innerhalb weniger Jahre zu Festgestein binden. Am häufigsten tritt beachrock an tropischen und subtropischen Küsten auf. Wenn beachrocks oberhalb oder unterhalb des heutigen Meeresspiegels vorkommen, können ihre Strukturen, Zemente und ihr Alter Aufschluss über lokale Meeresspiegelschwankungen geben. Um Paläomeeresspiegel zu rekonstruieren sind zwei Attribute des verwendeten Indikators von besonderer Bedeutung: Das Alter und der Höhenunterschied des Indikators heute, im Vergleich zum Zeitpunkt seiner Entstehung. Beides ist im Fall von beachrock nicht unproblematisch. Während Fortschritte in den zur Verfügung stehenden Datierungsmethoden dazu führen können, dass beachrock zukünftig verlässlicher datiert werden kann, steht der Höhenunterschied im Zentrum dieser Thesis. Um die Änderung in der Höhe relativ zum mittleren Meeresspiegel zu quantifizieren, muss die ursprüngliche Höhe zum Zeitpunkt der beachrock-Bildung rekonstruiert werden. Sedimentologische Faziesanalyse ist eine Methode anhand der Strukturen, Texturen, dem Fossilgehalt, der Zemente und anderer Charakteristika von beachrock auf dessen ursprüngliche Position relativ zum mittleren Meeresspiegel zu schließen. Obwohl die Methode weitgehend anerkannt wird, werden sedimentologische Beobachtungen häufig unzureichend beschrieben. In dieser Thesis werden beachrocks an zwei Küsten im Nordosten Omans sowie im Nordwesten Südafrikas sedimentologisch untersucht. Das Ziel ist Fazies zu identifizieren, die sich als Meeresspiegelindikatoren eignen und generell zum Wissen im Bereich Faziesvariabilität von beachrocks beizutragen. Im Oman lag das erste Untersuchungsgebiet an einem Küstenabschnitt, der zwölf marine Terrassenstufen aufweist, die eine Höhe von bis zu 500 m erreichen. Die oberen Terrassen sind stark erodiert, sodass beachrocks die einzigen verblieben Ablagerungen sind. Auf den unteren Terrassen kommen beachrocks zusammen mit alluvialen, fluvialen und marinen Sedimenten vor. Die makro- und mikroskopischen Fazies von beachrocks an fünf Aufschlüssen wurden untersucht. Dabei wurden acht Lithofazies in sechs Faziesassoziationen identifiziert. Es wurde gezeigt, dass Faziesanalyse zu einer signifikanten Reduktion des Fehlers in der Höhenrekonstruktion führt. Die bisherigen Modelle zur Faziesanalyse an beachrocks wurden um ichnologische Daten und Fazies in Kiesstränden ergänzt. Südlich des ersten Arbeitsgebiets liegt die Hafenstadt Sur an einer Lagune. Dort wurden ebenfalls beachrock Vorkommen untersucht. Die erhobenen Daten führten zu einer erweiterten Untersuchung in Sur Lagoon, die die stratigraphische Beziehung der beachrocks zu mehreren Brandungshohlkehlen und biologischen Meeresspiegelindikatoren zum Thema hatte. Durch eine Datierung an terrestrischen Konglomeraten mit kosmogenen Nukliden wurde ermittelt, dass die Brandungshohlkehlen im letzten Interglazial (Sauerstoff-Isotopenstufe 5e) gebildet wurden. Alle Aufschlüsse mit Brandungshohlkehlen in Sur wurden auf ihre Morphologie und Bioerosionsspuren untersucht. Die Höhe der Brandungshohlkehlen und Bioerosionsspuren relativ zum mittleren Meeresspiegel wurden per differentiellem GPS ermittelt. Da die Bioerosionsspuren sich überall rund um Sur Lagoon auf gleicher Höhe befinden, kann angenommen werden, dass das Gebiet über die letzten 125.000 Jahre tektonisch stabil war. Abgeleitet aus der Höhe der Brandungshohlkehle, lag der Meeresspiegel im letzten Interglazial 3.93 ± 0.12 m über dem heutigen. Aus der Verteilung der Bioerosionsspuren relativ zur Brandungshohlkehle, ließ sich außerdem ablesen, dass der Meeresspiegel zwischenzeitlich noch höher gestiegen sein muss. Die beachrocks in Sur Lagoon zeigen eine größere Korngröße als das Sediment, das dort heute beobachtet wird. Zusammen mit besonders hohen und tiefen Abrasions-Hohlkehlen ohne Bioerosionsspuren deutet dies auf eine offenere Küstenmorphologie und höhere Wellenenergie hin. Mission Rocks Beach liegt an der KwaZulu-Natal Küste im Nordwesten Südafrikas. Der Strand ist schmal und besteht überwiegend aus Sand, der sich in den Senken einer 3 m mächtigen beachrock Plattform ablagert. Die beachrocks sind starker chemischer und mechanischer Erosion ausgesetzt was zu einer Ansammlung von teils über 2 m langen Blöcken im landseitigen Bereich des Strandes führt. Der Erosionsprozess wird verlangsamt durch kontemporäres beachrock-Wachstum auf der Oberfläche der Plattform und innerhalb von Erosionsstrukturen wie potholes. Der Ablagerungs- und Zementationsprozess dieser Fazies wurde im Rahmen dieser Thesis untersucht. Der beachrock konnte anhand von historischen Daten datiert werden. Da die Fazies Sprengrisse aus dem 2. Weltkrieg überlagert, muss sie nach 1945 entstanden sein. Damit ist dieser beachrock ein seltenes Beispiel für sehr junge und schnell wachsende beachrocks. Die Interpretation der geochemischen Untersuchung ergab, dass der Zement unter marin-phreatischen Bedingungen gebildet wurde, obwohl sich der beachrock im Supratidal befindet. Diese Entdeckung ist nicht nur relevant für die Verwendung von beachrock als Meeresspiegelindikator sondern auch für Küstenerosionsmodelle an Stränden mit beachrock-Vorkommen.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Neotektonik und Georisiken [531320]