Investigations of temporal changes in climate and the geomagnetic field via high-resolution radiocarbon dating

Abstract

Geological archives have shown periods of abrupt climate change in the relatively stable Holocene epoch (last ca. 11 700 years). One of these periods was around 2800 cal BP. Several records, mainly from Europe, reveal a shift towards wetter, cooler and windier conditions. There are, however, indications for a global extent of the climate change. The climate change coincides with a distinct increase in the atmospheric radiocarbon (14C) concentration, which has been interpreted to be a result of decreased solar activity. Therefore, a solar-induced climate change has been suggested. In addition to changes in solar activity, geomagnetic field records also show prominent variations around 3000-2000 cal BP. In order to investigate the temporal development of past changes in climate and the geomagnetic field it is crucial to establish accurate and precise chronologies for such reconstructions. Well-constrained chronologies are crucial to determine leads and lags in the climate system as well as to investigate climate forcing factors, such as the potential influence of changes in solar activity. Further¬more, highly-resolved and well-dated geomagnetic field records are needed to improve our understanding of geomagnetic field variations and to evaluate suggested linkages between geomagnetic field and climate change. The general aim of this thesis is to improve the dating of changes in climate and the geomagnetic field via linking 14C results of closely spaced samples to the 14C calibration curve – the 14C wiggle-match dating technique – with focus on the period around 3000-2000 cal BP.



The 14C wiggle-match dating technique was successfully applied to construct an accurate and precise chronology of the annually laminated (varved) sediments of Lake Gyltigesjön in south-west Sweden for the period around 3000-2000 cal BP. With this technique, it was possible to estimate the old-carbon effect (14C reservoir age) in the lake sediments. The bulk sediment based chronology was validated by comparison to the 14C ages of plant macrofossils. Similarly, the 14C wiggle-match dating technique was used to test the accuracy of a varve chronology of Lake Kälksjön in west-central Sweden for the same time period. The constructed chronologies of Lake Gyltigesjön and Lake Kälksjön have uncertainties of only ±30 and ±20 years (95.4% probability range), respectively. The well-constrained chronologies enabled investigations of the post-depositional remanent magnetisation lock-in effect and its influence on records of palaeomagnetic secular variation.



In addition, the hypothesis of a solar-induced climate change in southern Sweden around 2800 cal BP was investigated. The peat record of Undarsmosse in south-west Sweden has previously indicated a change to increased storminess and wet¬ter conditions around this period. The 14C wiggle-match dating technique was applied to constrain the timing of these events. Within the age model uncertainties, the shift towards wetter and windier conditions in southern Sweden can be regarded synchronous with the climate changes inferred from other sites in Europe. The recorded changes, therefore, support the hypothesis of a shift in the larger-scale atmospheric circulation, possibly induced by decreased solar activity.

Abstract (Swedish)

Klimatet har varit relativt stabilt under den nuvarande interglaciala epoken (Holocen) som inleddes för ungefär 11 700 år sedan. Genom klimatrekonstruktioner från olika geologiska arkiv såsom iskärnor, sjösediment och torvmossar har det ändå påvisats att snabba förändringar i klimatet har inträffat under denna epok. En sådan tidsperiod inträffade för omkring 2800 år sedan och den är intressant ur flera olika perspektiv. Allt fler studier har rapporterat om en förändring till kallare, blötare och blåsigare klimat omkring denna period. Detta har främst rapporterats från områden i Europa men studier från andra delar av världen indikerar på liknande förhållanden. Omkring samma period ökade även den atmosfäriska koncentrationen av kol-14, vilket har kopplats ihop med en minskning av solaktiviteten. Eftersom klimatförändringen inträffade när solaktiviten minskade har hypoteser lagts fram om att klimatet ändrades till följd av låg solaktivitet. Samtidigt har studier även visat på markanta variationer i jordens magnetfält omkring 3000-2000 år sedan.



Kosmogena radionuklider (som t ex kol-14) bildas genom reaktioner mellan galaktisk kosmisk strålning och atomer i atmosfären. Den inkommande galaktiska kosmiska strålningen regleras i sin tur av solaktiviteten och variationer i jordens magnetfält. En låg solaktivitet och/eller en låg styrka hos det jordmagnetiska fältet möjliggör en ökad produktion av kosmogena radionuklider och vice versa. Variationer i kol-14 kan därför användas för att rekonstruera variationer i solaktivitet och jordens magnetfält. Den atmosfäriska variationen av kol-14 är känd genom en kalibreringskurva som är baserad på kol-14- mätningar av trädringar med en bestämd ålder. Den nuvarande absoluta daterade trädringsbaserade kalibreringskurva sträcker sig tillbaka till omkring 12 550 år sedan.



För att kunna undersöka utbredningen av klimatförändringar och vilka faktorer som styr dessa förändringar, till exempel en möjlig påverkan av solaktivitet, är det viktigt att datera klimatförändringar med hög tidsupplösning. Väldaterade förändringar av jordens magnetfält kan hjälpa oss att förstå dessa variationer och dess inverkan på till exempel produktionen av kol-14 på olika tidsskalor, och således kan påverkan från jordens magnetfält och solaktiviten urskiljas. Kronologier med hög tidsupplösning kan uppnås genom dateringar med kol-14-metoden. Dateringar av endast ett fåtal prover kan medföra stora åldersosäkerheter beroende på strukturen på kalibreringskurvan för kol-14. Osäkerheter på omkring 350 år kan till exempel fås vid kalibrering av ett prov daterat till 2500±50 kol-14-år. För att minska åldersosäkerheten kan flertalet prover dateras för att matcha strukturen på kalibreringskurvan, en så kallad ”wiggle-match”.



Syftet med denna avhandling var att förbättra tidsupplösningen för rekonstruktioner av förändringar i klimatet och jordens magnetfält med fokus på perioden omkring 3000-2000 år sedan genom att datera flertalet prover med en kol-14 wiggle-match-metod. De geologiska arkiv som har använts är sjösediment från Gyltigesjön i Halland och från Kälksjön i Värmland. Båda dessa sjöar utmärker sig genom att de har årslaminerade (varviga) sediment vilket möjliggör högupplösta kronologier. Även en torvmosse i Halland, Undarsmosse, har studerats då en tidigare studie av denna har indikerat på en ökad stormfrekvens och blötare klimat med start omkring 2800 år före nutid (nutid refererar till år 1950 i kol-14- sammanhang).



Syftet med den första artikeln var att undersöka noggrannheten på en åldersmodell som konstrueras med kol-14 wiggle-match-metoden vid användandet av bulksediment för perioden omkring 3000-2000 år sedan. Vanligtvis dateras företrädelsevis prover av terrestra makrofossiler eftersom de antas reflektera den atmosfäriska halten av kol-14 vid depositionen. Förekomsten av makrofossiler kan dock vara begränsad, alternativt att de förekommer i för små mängder för att kunna dateras. Att datera bulksediment kan vara problematiskt då provet består av en blandning av olika organiska komponenter som inte nödvändigtvis reflekterar den atmosfäriska kol-14- halten. Detta innebär att provet kan vara ”kontaminerat” av gammalt kol, en så kallad kol-14 reservoareffekt, vilket ger upphov till en felaktig ålder vid datering. Med detta i åtanke tillämpades wiggle-match-metoden på bulksediment från Gyltigesjön. En relativ tidsskala mellan varje sedimentprov kunde konstrueras genom att räkna årslamineringarna mellan proven som kol-14- daterades. Genom att använda kalibreringsprogram för kol-14-dateringar och systematiskt subtrahera potentiella reservoaråldrar från kol-14-åldern kunde denna effekt bestämmas. Genom att datera terrestra makrofossiler kunde den uppskattade reservoaråldern även verifieras, och en åldersmodell producerades med en osäkerhet på endast ±30 år. Resultaten i artikeln visar att kol-14 wiggle-match-metoden kan tillämpas för att konstruera kronologier med hög tidsupplösning, även vid datering av endast bulksediment.



I den andra artikeln undersöktes det palaeomagnetiska arkivet bevarat i Gyltigesjön, vilket sträcker sig tillbaka till ungefär 6400 år före nutid. Med hjälp av den högupplösta kronologin för perioden omkring 3000-2000 år sedan tillsammans med ytterligare kol-14-dateringar konstruerades en kronologi för denna period. På väg mot sjöbotten riktar de magnetiska mineralerna in sig mot jordens magnetfält och denna signal kan bevaras i sedimenten. De magnetiska mineralerna kan härstamma från berggrund i avrinningsområdet men även bildas av magnetotaktiska bakterier som använder dessa för orientering. I denna artikel visades det att den magnetiska signalen troligtvis utgörs av magnetit som kan vara producerat av magnetotaktiska bakterier. Tidigare studier har visat att de magnetiska partiklarna kan rikta in sig mot jordens magnetfält även efter depositionen, och att detta kan fortskrida ända till de magnetiska partiklarna blir fastlåsta genom kompaktion. Detta innebär att åldern på sedimenten och den riktiga åldern för den magnetiska signalen inte överensstämmer. Existensen och utbredningen av denna effekt har varit omdiskuterad i flera årtionden med tvetydiga resultat. Syftet med artikeln var att undersöka om denna effekt förekommer i Gyltigesjön. Genom att jämföra palaeomagnetisk data från Gyltigesjön med referenskurvor sammansatta från andra sjöar i Sverige och Finland kunde existensen av denna effekt påvisas. Förekomsten av en sådan effekt måste tas i beaktande vid analys av palaeomagnetisk data från sedimentarkiv.



I den tredje artikeln tillämpades kol-14 wiggle-match-metoden på sjösediment från Kälksjön omkring 3000-2000 år före nutid för att testa och förbättra en varvkronologi som tidigare konstruerats. Ett liknande tillvägagångssätt som användes i den första artikeln upprepades för att konstruera en motsvarande kronologi. Den producerade åldersmodellen har en osäkerhet på endast ±20 år. Palaeomagnetisk data från Kälksjön jämfördes med motsvarande data från Gyltigesjön och resultatet visade på jämförbara åldrar för de jordmagnetiska variationerna. Dessa resultat jämfördes sedan med arkeomagnetisk data som däremot indikerar yngre åldrar för motsvarande variationer i magnetfältet, vilket antyder att signalen i sjösedimenten låses in efter depositionen. Genom modellering av olika funktioner för denna effect visades det att magnetiska signalen låses in relativt djupt ned i sedimentsekvensen.



Den fjärde artikeln fokuserade på den abrupta klimatförändringen omkring 2800 år före nutid och dess potentiella koppling till solaktivitet. En ny åldersmodell konstruerades för Undarsmosse med hjälp av flertalet kol-14-dateringar av noggrant utvalda makrofossiler. En makrofossilanalys utfördes även för att undersöka förändringar i den lokala vegetationen. Resultatet visade på en vegetationsförändring daterat till omkring 2700 år före nutid. Denna förändring åtföljdes av ett ökat sandinflöde som tyder på ökad stormaktivitet. På grund av en låg ackumulation av torv, alternativt ingen alls, omkring denna period är åldersosäkerheten relativt stor (medel på ca. ±90 år). En minskad eller avsaknad ackumulation av torv kan ha ett samband med bränder i området då ett dominerande lager av träkol återfanns i ett prov daterat till denna period. Inom felmarginalen för åldersmodellen kan förändringen till ett blötare klimat och ökad stormaktivitet kopplas ihop med klimatförändringarna som har rapporterats från många områden i Europa. Resultaten i artikel visar på att en förändring inträffade i den atmosfäriska cirkulationen omkring 2700 år före nutid, vilket kan bero på minskad solaktivitet.

• author: Mellström, Anette
• supervisor: Raimund Muscheler; Ian Snowball; Nathalie van Der Putten; Svante Björck; Göran Skog
• opponent: Dr. van Geel, Bas, University of Amsterdam
• organization: Quaternary Sciences; MERGE: ModElling the Regional and Global Earth system
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: wiggle-matching, Radiocarbon dating, 14C, 2800 cal BP, climate change, solar activity, palaeomagnetism, lake sediments, varves, post-depositional remanent magnetisation, PDRM, lock-in, peat deposits, Sweden
• in: Lundqua thesis
• issue: 73
• pages: 38 pages
• defense location: Geocentrum IIs föreläsningssal Pangea, Sölvegatan 12, 223 62 Lund
• defense date: 2014-06-13 13:15:00
• external identifiers: scopus:84902580849
• ISSN: 0281-3033
• ISSN: 0281-3033
• ISBN: 978-91-86746-99-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 1d388976-9e5f-475a-89d7-9b822488277e (old id 4443158)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:50:26
• date last changed: 2022-01-27 21:21:44