Advanced

Setting the Holocene clock using varved lake sediments in Sweden

Zillén, Lovisa LU (2003) In LUNDQUA Thesis 50.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Under kvartärtiden (den geologiska period som omfattar de senaste ca 2,6 miljoner åren) har klimatet på Jorden varierat dramatiskt. Långa perioder (ca 100 000 år) av istid med stora inlandsisar som täckte Skandinavien, Ryssland, Sibirien, Grönland och Nordamerika har periodiskt avbrutits av kortare perioder (ca 10 000 år) av varmare klimat, så kallade interglacialer. Holocen är den senaste interglaciala perioden som började för ca 11 500 år sedan och som sträcker sig fram till nutid. Under denna period immigrerade dagens flora och fauna in på tidigare nedisade områden och högre civilisationer utvecklades. På grund av de ökande utsläppen av växthusgaser, under 1900-talets andra hälft, har... (More)
Popular Abstract in Swedish

Under kvartärtiden (den geologiska period som omfattar de senaste ca 2,6 miljoner åren) har klimatet på Jorden varierat dramatiskt. Långa perioder (ca 100 000 år) av istid med stora inlandsisar som täckte Skandinavien, Ryssland, Sibirien, Grönland och Nordamerika har periodiskt avbrutits av kortare perioder (ca 10 000 år) av varmare klimat, så kallade interglacialer. Holocen är den senaste interglaciala perioden som började för ca 11 500 år sedan och som sträcker sig fram till nutid. Under denna period immigrerade dagens flora och fauna in på tidigare nedisade områden och högre civilisationer utvecklades. På grund av de ökande utsläppen av växthusgaser, under 1900-talets andra hälft, har klimatfrågorna blivit allt viktigare. Har vi en ökande växthuseffekt eller är det en naturlig klimatförändring vi ser? För att kunna svara på den frågan, och för att kunna göra tillförlitliga prognoser för framtiden måste vi veta hur klimatet varierar naturligt sett ur ett långt tidsperspektiv, d v s hela vår nuvarande värmeperiod. Sjöar och dess dräneringsområden reagerar fysiskt, biologiskt och kemiskt på förändringar i den yttre miljön och dessa reaktioner kan registreras i sjösediment. Sjösediment är därmed utmärkta geologiska arkiv från vilka man kan rekonstruera klimat- och miljöförändringar, mycket längre tillbaka i tiden än vad som är möjligt genom historiska källor (ca 500 år) eller instrumentala observationer (ca 100 år). Fundamentalt i studier av dessa naturliga arkiv är att kunna tidsbetämma (datera) förändringar med hög precision och noggrannhet. Utan en robust kronologi är det omöjligt att förstå de naturliga och kulturella förändringar som ägt rum. Att dektektera snabba och kortvariga klimatvariationer, så som den nordatlantiska oscillationen (NAO) och solfläckarnas eventuella påverkan på klimatet, vilka har en cyklisitet på 7 respektive 11 år, har vidare gjort det nödvändigt att använda geologiska arkiv med en mycket hög tidsupplösning, allra helst en årlig sådan. Det är också betydelsefullt att studera hur korttidsvariationer i Jordens magnetfält har påverkat inflödet av kosmisk strålning till atmosfären och därmed även produktionen av kosmiska nuklider, så som kol-14 och beryllium-10, vilka har flertalet geofysiska applikationer bl a inom datering, studier av grundämnescykler och identifiering av klimatvariationer. Att förbättra den kronologiska kontrollen har därför blivit en viktig forskningsuppgift i studier av Holocena klimat- och miljöförändringar. Flertalet undersökningar av sjösediment baserar sina tids/djup-modeller på kol-14-dateringar av organiskt material. Tids/djup-modeller baserade på denna metod är ofta begränsade till en tidsupplösning på mer än hundra år och innhåller ofta flera svårbestämbara felkällor. I min avhandling har jag studerat årslaminerade (eller varviga) sjösediment och deras potential som tidsskalor i studier av Holocen. Varviga sjösediment består av säsongsmässigt (vår, sommar, höst och vinter) avsatta lager (eller laminae) av växlande organiskt- och oorganiskt material där tre till fyra laminae (beroende på om ett höstlamina deponerats eller ej) tillsammans utgör sedimentationen under ett år (eller ett varv). Varven kan liknas vid trädringar i ett träd där en sommarring och en vinterring representerar tillväxten under ett år. Genom att räkna de individuella varven kan man skapa en kontinuerlig kronologi, sk varvkronologi, med hög precision och tidsupplösning. Den geografiska utbredningen av varviga sjösediment i Sverige är relativt okänd. Tidigare studier har bara utförts på tre kända varviga sedimentsekvenser i Sverige (Sarsjön, Frängsjön och Kassjön), vilka alla är belägna i norra Sverige i utkanten av Umeå. En målsättning med avhandlingen har därför varit att finna fler svenska lokaler med varviga sjösediment. Genom att följa en urvalsprocess som presenteras i avhandlingen, där bl a sjöars limnologi, morfologi och dräneringsområden bedömts, så har tre nya varviga sedimentprofiler identifierats i Värmland (Furskogstjärnet, Mötterudstjärnet och Kälksjön). Denna undersökning presenterar även andra geografiska områden med hög potential att inrymma sjösediment av denna typ och ett schema för att hitta sådana sedimentprofiler i Sverige. I min avhandling har jag upprättat varvkronologier för två av lokalerna i Värmland. Resultatet från varvräkningen visar att Furskogstjärnet och Mötterudstjärnet sedimentsekvenser är 9555 ± 141 respektive 9282 ± 172 kalenderår gamla, vilket gör dem till de äldsta kända geologiska arkiv med en årlig upplösning i Sverige. Vulkaniska asklager (tefralager) är utmärkta isokroner (likåldriga nivåer) som kan användas för att korrelera olika geologiska arkiv och att datera sedimentsekvenser. Under Holocen har vulkanutbrott på Island släppt ut och spridit tefrapartiklar över stora områden av Europa. Tre isländska tefralager, nämligen Hekla-4, Kebister och Hekla-3, har geokemiskt indentifierats inom ett 1cm intervall, vilker motsvarar ca 20 år, i de två varviga sedimentsekvenserna från Värmland. Baserat på varvkronologierna har kalenderår(varvår) angivits på dessa ovärderliga isokroner, med en precision bättre än ca ± 110 år. Moderna observationer av Jordens magnetfält visar att den magnetiska nordpolen har förflyttat sig 1100 km sedan år 1850. Sedan 1970 har hastigheten accelererat och rör sig nu med en fart av ca 40 km per år. Likaså har mätningar visat att magnetfältets styrka minskat kontinuerligt de senaste 150 åren. Detaljerade geomagnetiska studier av de varviga sjösedimenten visar att dagens situation inte är unik, utan att den magnetiska nordpolen ständigt har ändrat position under Holocen och att Jordens magnetfält varierat i styrka. Geomagnetiska variationer presenterande på en tidsaxel kan användas som ett relativt dateringsverktyg av geologiska arkiv. Geomagnetiska variationer presenterade i avhandlingen visar liknande svängningar i jämförelse med andra studier utförda i Storbritannien, Finland och Vitryssland, vilket demonstrerar att fluktuationerna är regionala och att de därmed kan användas till att datera Holocena sedimentarkiv i nordvästra och centrala Europa. Jordens magnetfält skyddar osss från solvinden och annan kosmisk strålning. I interaktionen mellan Jordens magnetosfär och den kosmiska strålningen produceras kosmiska nuklider. Magnetiska intensitetsmätningar av sedimentsekvenserna visar att Jordens magnetfält under Holocen varierat med en relativ hög frekvens, vilket tidigare inte var känt. Dessa korttidsfluktuationer i jordens magnetfält har påverkat produktionen av kosmiska nuklider i atmosfären, vilket innebär att växlingar av halten kol-14 och beryllium-10 i geologiska arkiv inte enbart kan tillskrivas variationer i solvinden. Fortsatta geomagnetiska studier av geologiska arkiv med hög tidsupplösning kommer att öka vår kunskap om potentiella länkar mellan solfläckar och klimatet. Baserat på sedimentprofilerna från två av de tidigare kända varviga lokalerna i norra Sverige (Sarsjön och Frängsjön) studerades den regionala klimatutvecklingen under tidig Holocen. Syreisotop-undersökningar av iskärnor på Grönland har visat att under denna period inträffade en snabb klimatförsämring (ca 6-8 °C kallare över Grönland) centrerad runt ca 8200 kalenderår före nutid. Avhandlingen visar att den regionala vegetationen i norra Sverige reagerade snabbt (inom 75 år) på denna klimatförsämring och att skogen utsattes för allvarlig stress i form av att pollenproduktionen avtog och att trädtätheten minskade. I denna studie daterades händelsen till 7800 kalenderår före nutid.



Slutsatser



Tre nya varviga sjösedimentsekvenser har identifierats i Värmland. Två av dessa är hittills de äldsta kända geologiska arkiv med en årlig upplösning i Sverige.



Furskogstjärnet och Mötterudstjärnet varvkronologier är de första i Skandinavien att bli värderade av flera oberoende dateringsmetoder (kol-14-datering, tefrakronologi och geomagnetiska korrelationer). Avhandlingen visar att varviga sjösediment kan erbjuda en rad tillämpningar i studier av Holocen och att de är utmärkta geologiska arkiv med hänseende till kronologisk kontroll och tillförlitlighet.



Tre isländska tefralager har geokemiskt identifierats inom ett 1cm intervall, vilket motsvarar ca 20 år, i två varviga lokaler i Värmland. Baserat på kalenderår-tidsskalorna från Furskogstjärnet och Mötterudstjärnet har dessa daterats med en precision bättre än ± 110 år.



De geomagnetiska kurvorna presenterade i avhandlingen kan användas till att datera Holocena sedimentarkiv i nordvästra och centrala Europa. Resultat visar att den magnetiska nordpolen har förflyttat sig betydande avstånd under de senaste ca 9000 åren. Denna studie presenterar statsiktiskt säkerställda korttidsvariationer i Jordens magnetfält, vilket visar att högfrekventa fluktuationer i produktionen av kosmiska nuklider (14C och 10Be) i atmosfären inte enbart kan tillskrivas förändringar i solens aktivitet.



En 300-år lång klimatförsämring centrerad runt 7800 kalender år tillbaka i tiden är registrerad i fyra årslaminerade sedimentsekvenser i Sverige. Denna klimatförändring hade en stor inverkan på den regional vegetationen i Västerbotten, d v s skogen utsattes för allvarlig stress. Denna studie bidrar till ökad kunskap om den komplexa klimatutvecklingen i norra hemisfären under tidig Holocen. (Less)
Abstract
The aim of this thesis was to study annually laminated (varved) Holocene lake sediment in Sweden, their formation and their potential as chronological and palaeoecological archives. Five lakes with continuous Holocene varved lake sediment sequences in northern (Västerbotten) and west central Sweden (Värmland) were investigated. Three of these sequences were discovered during this study, which identified the climatic and environmental prerequisites for the formation of varves and, therefore, provides a tool for finding annually laminated sediments in the Swedish boreal environment. Varve chronologies, supported by other independent dating methods, i.e. radiocarbon dating, tephra isochrones and paleomagnetic secular variations were... (More)
The aim of this thesis was to study annually laminated (varved) Holocene lake sediment in Sweden, their formation and their potential as chronological and palaeoecological archives. Five lakes with continuous Holocene varved lake sediment sequences in northern (Västerbotten) and west central Sweden (Värmland) were investigated. Three of these sequences were discovered during this study, which identified the climatic and environmental prerequisites for the formation of varves and, therefore, provides a tool for finding annually laminated sediments in the Swedish boreal environment. Varve chronologies, supported by other independent dating methods, i.e. radiocarbon dating, tephra isochrones and paleomagnetic secular variations were established for two sediment sequences in Värmland. These are the longest geological records with an annual resolution known to exist in Sweden. Three mid-Holocene Icelandic tephra horizons were identified within 1-cm horizons, corresponding to c. 20 years of sediment accumulation and the varve chronologies were used to assign calendar years ages to the tephra isochrones with a precision better than ± 110 varve years. Paleomagnetic secular variation curves (both directions and intensity) presented in this thesis can be used to correlate and relatively date Holocene sedimentary sequences in Northwest and Central Europe. The accuracy and precision of the method is determined by errors associated with the varve chronologies (i.e. c. 1-2%), sampling resolution (c. 50-100 years), definition uncertainties and possible remanence lock-in effects. Comparison between the paleomagnetic secular variation curves in this study and previous obtained records from Northwest Europe suggests that no significant westwards drift of the non-dipole field has occurred in this region during the majority of the Holocene. Reconstructed virtual geomagnetic pole positions for the last c. 9000 show that the Magnetic North Pole has changed its position significantly during the Holocene. Relative palaeointensities imply that sub-millennial-scale variations in the strength of the geomagnetic dipole have taken place during the Holocene. These changes would have modulated the production of cosmogenic nuclides in combination with solar variability. The “8.2 ka cold event” was recorded as a c. 300-year long period of distinctly colder climate conditions centred at c. 7800 cal. BP in the two varved lake sediment sequences in N Sweden. Pollen influx rates indicate that the regional vegetation in this area responded rapidly (within 75 years) to the onset and end of this 300-year long cold climate anomaly and that the forest ecosystem was severely stressed. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Goslar, Tomasz
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
climate change, Physical geography, tephrochronology, palaeomagnetic secular variations, radiocarbon time-scale, Holocene varved lake sediments, varve chronology, geomorphology, pedology, cartography, climatology, Fysisk geografi, geomorfologi, marklära, kartografi, klimatologi
in
LUNDQUA Thesis
volume
50
pages
104 pages
publisher
Quaternary Sciences, Department of Geology, Lund University
defense location
Sölvegatan 12, Pangea
defense date
2003-10-17 10:15
external identifiers
  • scopus:1642457195
ISSN
0281-3033
ISBN
91-86746-52-9
language
English
LU publication?
yes
id
1f68e59a-85c7-4b17-a79b-cee1a0ce41d3 (old id 466190)
date added to LUP
2007-09-07 11:45:05
date last changed
2017-09-03 04:34:12
@phdthesis{1f68e59a-85c7-4b17-a79b-cee1a0ce41d3,
  abstract     = {The aim of this thesis was to study annually laminated (varved) Holocene lake sediment in Sweden, their formation and their potential as chronological and palaeoecological archives. Five lakes with continuous Holocene varved lake sediment sequences in northern (Västerbotten) and west central Sweden (Värmland) were investigated. Three of these sequences were discovered during this study, which identified the climatic and environmental prerequisites for the formation of varves and, therefore, provides a tool for finding annually laminated sediments in the Swedish boreal environment. Varve chronologies, supported by other independent dating methods, i.e. radiocarbon dating, tephra isochrones and paleomagnetic secular variations were established for two sediment sequences in Värmland. These are the longest geological records with an annual resolution known to exist in Sweden. Three mid-Holocene Icelandic tephra horizons were identified within 1-cm horizons, corresponding to c. 20 years of sediment accumulation and the varve chronologies were used to assign calendar years ages to the tephra isochrones with a precision better than ± 110 varve years. Paleomagnetic secular variation curves (both directions and intensity) presented in this thesis can be used to correlate and relatively date Holocene sedimentary sequences in Northwest and Central Europe. The accuracy and precision of the method is determined by errors associated with the varve chronologies (i.e. c. 1-2%), sampling resolution (c. 50-100 years), definition uncertainties and possible remanence lock-in effects. Comparison between the paleomagnetic secular variation curves in this study and previous obtained records from Northwest Europe suggests that no significant westwards drift of the non-dipole field has occurred in this region during the majority of the Holocene. Reconstructed virtual geomagnetic pole positions for the last c. 9000 show that the Magnetic North Pole has changed its position significantly during the Holocene. Relative palaeointensities imply that sub-millennial-scale variations in the strength of the geomagnetic dipole have taken place during the Holocene. These changes would have modulated the production of cosmogenic nuclides in combination with solar variability. The “8.2 ka cold event” was recorded as a c. 300-year long period of distinctly colder climate conditions centred at c. 7800 cal. BP in the two varved lake sediment sequences in N Sweden. Pollen influx rates indicate that the regional vegetation in this area responded rapidly (within 75 years) to the onset and end of this 300-year long cold climate anomaly and that the forest ecosystem was severely stressed.},
  author       = {Zillén, Lovisa},
  isbn         = {91-86746-52-9},
  issn         = {0281-3033},
  keyword      = {climate change,Physical geography,tephrochronology,palaeomagnetic secular variations,radiocarbon time-scale,Holocene varved lake sediments,varve chronology,geomorphology,pedology,cartography,climatology,Fysisk geografi,geomorfologi,marklära,kartografi,klimatologi},
  language     = {eng},
  pages        = {104},
  publisher    = {Quaternary Sciences, Department of Geology, Lund University},
  school       = {Lund University},
  series       = {LUNDQUA Thesis},
  title        = {Setting the Holocene clock using varved lake sediments in Sweden},
  volume       = {50},
  year         = {2003},
}