Early Weichselian paleoclimate reconstruction using geochemical methods on the Gibraltar speleothem from the Père Noël cave (Belgium)

Jef Decuypere
Aan de hand van metingen van stabiele isotopen en sporenelementen op een speleothem (stalagmiet) uit de Père Noël grot (grottencomplex van Han) werd een reconstructie gemaakt van het continentale klimaat in België gedurende het vroege Weichseliaan.

Wordt het uitzonderlijk warm en nat in België?

Wordt het uitzonderlijk warm en nat in België?

Geologen bestuderen de werking van de planeet aarde. Ze kijken naar haar geschiedenis en proberen aan de hand van achtergebleven sporen te begrijpen hoe ze echt in elkaar steekt. Het heeft wel wat weg van forensisch onderzoek, maar dan op een compleet andere tijdsschaal.

Klimaatverandering

Een van de onderwerpen die, zeker de laatste jaren en decennia, de interesse van veel wetenschappers wekt, is de ‘recente’ klimaatverandering. Deze beïnvloedt immers het leven van elk organisme aanwezig op onze planeet. Wanneer het over klimaatverandering gaat, kijkt men zo goed als altijd naar de nabije toekomst. Kunnen we de opwarming tot 2°C beperken tegen het einde van dit millennium? Dat lijkt een van de centrale vragen in het huidige wetenschappelijke en maatschappelijke debat te zijn.

Op een meer fundamentele manier begrijpen waarom onze planeet opwarmt, kan helpen om het leven op de planeet te beschermen. Geologen bekijken deze opwarming vanuit een ander en ruimer (tijds)perspectief, want voor hen vormt het (verre) verleden namelijk de sleutel tot de toekomst. Wanneer je ongeveer 4,6 miljard lentes jong bent, heb je ongetwijfeld al heel wat meegemaakt en daarom is de huidige klimaatopwarming misschien helemaal niet zo uniek of extreem als we vaak lijken te denken.

Om de klimaatgeschiedenis van de aarde te ontrafelen, gebruiken wetenschappers ‘proxies’. Deze kun je zien als bibliotheken volgepropt met geschiedenisboeken waarin door verschillende auteurs de klimaatgeschiedenis van onze planeet neergeschreven is. De meest gebruikte en gekende proxies binnen het klimaatonderzoek zijn ongetwijfeld de ijskernen die onder andere in Groenland geboord werden. Hoe kunnen we meer specifiek de klimaatgeschiedenis van onze eigen streek bestuderen? Een gigantische ijskap komt hier immers niet voor…

Op onderzoek

In België zijn wel indrukwekkende kalksteengrotten te vinden, denk maar aan de grotten van Han. In die grotten hebben zich doorheen de tijd prachtige stalagmieten gevormd. Dit thesisonderzoek bestudeerde één stalagmiet uit het grottencomplex van Han.

Deze stalagmiet met een lengte van ongeveer een meter vormde zich 103 600 jaar geleden en stopte pas na een kleine 10 000 jaar met groeien. Deze groeiperiode situeert zich in het vroege Weichseliaan, een geologisch tijdvak dat de laatste ijstijden in onze regio’s omvat en opgevolgd wordt door het Holoceen (de huidige tussenijstijd).

In deze periode sijpelt net zoals nu regenwater, dat lichtjes zuur wordt wanneer het contact maakt met de bodem, vanaf het oppervlak boven de grotten langzaam doorheen de rotsformaties. Eenmaal binnengedrongen in de grot wordt het opgeloste kalksteenmateriaal opnieuw afgezet en vormen zich stalagmieten. Dit gebeurt laagje per laagje, net zoals de jaarringen van een boom, en het zijn net die laagjes die zo’n grote wetenschappelijk waarde hebben. Omdat het klimaat in een grot relatief stabiel is, de temperatuurschommelingen zijn bijvoorbeeld heel klein, en omdat die kleine laagjes heel precies gedateerd kunnen worden, kunnen stalagmieten gebruikt worden om het klimaat van het verleden nauwkeurig te reconstrueren.

Hoe kun je aan de hand van een stukje kalksteen het klimaat van 100 000 jaar geleden achterhalen? Regenwater bestaat zoals elk druppeltje water op deze planeet uit zuurstof- en waterstofatomen. Elk atoom heeft een specifieke massa, maar sommige atomen zijn net iets zwaarder dan hun ‘normale’ tegenhangers. De verhouding van die iets zwaardere over de lichtere atomen, de isotopenverhouding, kan ons iets vertellen over het klimaat op het tijdstip wanneer die regendruppel op het aardoppervlak naar beneden viel. Enkele regendruppels vonden 100 000 jaar geleden hun weg naar de grot waar de onderzochte stalagmiet zich aan het vormen was. Door heel nauwkeurige metingen van verschillende isotopenverhoudingen in de laagjes van de stalagmiet, kunnen de veranderingen van die verhoudingen doorheen de tijd in kaart gebracht worden.

Valkuilen

Jammer genoeg is de interpretatie van deze klimaatsignalen niet zo eenvoudig. Verschillende processen die plaatsvinden tussen het vallen van de regendruppels en de vorming van de stalagmiet kunnen de signalen verstoren waardoor er bijvoorbeeld geen rechtstreeks verband te leggen is tussen deze signalen en de temperatuur van de atmosfeer. Een stalagmiet bestaat voor het grootste deel uit kalksteen, maar er zijn ook heel kleine hoeveelheden van andere elementen in terug te vinden zoals bijvoorbeeld magnesium, strontium en zelfs uranium. Deze ‘sporenelementen’ gebruiken we om een beter inzicht te verwerven in welke processen actief waren tijdens de vorming van de stalagmiet. Tot slot kan ook de groeisnelheid van de stalagmiet doorheen de tijd iets vertellen over het klimaat tijdens de vorming van de stalagmiet aangezien vloeibaar water een vereiste is voor de groei van een stalagmiet.

Wat kunnen we leren?

De vooropgestelde klimaatreconstructie in deze thesis is natuurlijk maar één van de mogelijke interpretaties op basis van de metingen, maar met relatief grote zekerheid kan geconcludeerd worden dat tijdens de start van het Weichseliaan het klimaat in onze regio, in verhouding met het huidige klimaat, relatief warm en nat was. Er zijn ook aanwijzingen dat tijdens de vorming van de stalagmiet er verschillende periodes waren waarin het klimaat duidelijk natter was. In de jongste stukken van de stalagmiet wordt het klimaat dan weer geleidelijk aan droger. De periode waarin de stalagmiet gevormd werd, lijkt ook overeen te komen met een warmere periode binnen het Weichseliaan (waarvoor reeds in andere proxies aanwijzingen gevonden werden), maar om dit met zekerheid aan te kunnen tonen is meer onderzoek nodig.

Uitzonderlijk?

In het licht van de rijk gevulde geschiedenis van onze planeet is het klimaat dat we nu en in de nabije toekomst zullen ervaren zeker niet zo extreem of uitzonderlijk te noemen, ongeveer 100 000 jaar geleden was het op bepaalde momenten tijdens een ijstijdvak warmer en natter dan nu! Op geologische tijdsschaal heeft de aarde reeds verschillende koudere en warmere periodes gekend en deze klimaatveranderingen illustreren dus enkel het ongelofelijk dynamische karakter van onze ogenschijnlijk statische planeet. Een belangrijke kanttekening hierbij is wel dat de huidige opwarming met grote zekerheid veroorzaakt wordt door het ingrijpen van de mens…

Bibliografie

Bibliografie

  • BAKER, A., ITO, E., SMART, P. L., McEWAN, R. F. 1997. Elevated and variable values of 13C in speleothems in a British cave system. Chemical Geology 136, 263-270.
  • BELL, M., WALKER, M. J. C. 2005. Late Quaternary Environmental Change - Physical and Human Perspective. Pearson Education Limited, New York, 348p.
  • BERGER, A., LOUTRE, M. F. 1991. Insolation values for the climate of the last 10 million years. Quaternary Science Reviews 10, 297-317.
  • BOCH, R., CHENG, H., SPÖTL, C., EDWARDS, R. L., WANG, X., HAUSELMANN, P. 2011. NALPS: a precisely dated European climate record 120-60 ka. Climate of the Past 7, 1247-1259.
  • BOND, G. C., SHOWERS, W., ELLIOT, M., EVANS, M., LOTTI, R., HAJDAS, I., BONANI, G., JOHNSON, S. 1999. The North Atlantic’s 1-2 kyr Climate Rhythm: Relation to Heinrich Events, Dansgaard/Oeschger Cycles and the Little Ice Age. Mechanisms of Global Climate Change at Millenial Time Scales Geophysical Monograph 112, 35-58.
  • BORSATO, A., FRISIA, S., FAIRCHILD, I. J., SOMOGYI, A., SUSINI, J. 2007. Trace element distribution in annual stalagmite laminae mapped by micrometer-resolution X-ray fluorescence: Implications for incorporation of environmentally significant species. Geochimicia et Cosmochimica Acta 71, 1494-1512.
  • BREITENBACH, S. F. M., REHFELD, K., GOSWAMI, B., BALDINI, J. U. L., RIDLEY, H. E., KENNETT, D. J., PRUFER, K. M., AQUINO, V. V., ASMERON, Y., POLYAK, V. J., CHENG, H., KURTHS, J., MARWAN, N. 2012. Constructing Proxy Records from Age models (COPRA). Climate of the Past 8, 1765-1779.
  • BRONK RAMSEY, C. 2008. Deposition models for chronological records. Quaternary Science Reviews 27, 42-60.
  • CENTER FOR ICE AND CLIMATE, 2017. Data, ice samples and software, http://www.iceandclimate.nbi.ku.dk/data/.
  • CHAPMAN, M., SHACKLETON, N. J., DUPLESSY, J-C. 2000. Sea surface temperature variability during the last glacial–interglacial cycle: assessing the magnitude and pattern of climate change in the North Atlantic. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 157, 1–25.
  • CHENG, H., EDWARDS, R. L., BROECKER, W. S., DENTON, G. H., KONG, X., WANG, Y., ZHANG, R., WANG, X. 2009. Ice Age Terminations. Science 326, 248-252.
  • DANSGAARD, W. 1964. Stable isotopes in precipitation. Tellus XVI (1964) 4, 436-468.
  • DE BEAULIEU, J. L., REILLE, M. 1992. The last climatic cycle at la Grande Pile (Vosges, France), a new pollen profile. Quaternary Science Reviews 11, 431-438.
  • DE WINTER, N., SNOECK, C., CLAEYS, P. 2016. Seasonal Cyclicity in Trace Elements and Stable Isotopes of Modern Horse Enamel. PLosONE 11, 1-29.
  • EMILIANI, C. 1955. Pleistocene Temperatures. Journal of Geology 63, 538-578.
  • FAIRCHILD, I. J., BAKER, A. 2012. Speleothem Science: From Process to Past Environments. Wiley-Blackwell, 450p.
  • FAIRCHILD, I. J., BORSATO, A., TOOTH, A. F., FRISIA, S., HAWKESWORTH, C. J., HUANG, Y., McDERMOTT, F., SPIRO, B. 2000. Controls on trace element (Sr-Mg) compositions of carbonate cave waters: implications for speleothem climatic records. Chemical Geology 166, 208-232.
  • FAIRCHILD, I. J., FRISIA, S., BORSATO, A., TOOTH, A.F. 2006. Geochemical Sediments and Landscapes (Chapter 7 – Speleothems). Blackwells, Oxford, 21p.
  • FAIRCHILD, I. J., TREBLE, P. 2009. Trace elements in speleothems as recorders of environmental change. Quaternary Science Reviews 28, 449-468.
  • FÖRSTER, M. W., SIROCKO, F. 2015. Volcanic activity in the Eifel during the last 500,000 years: The ELSA-Tephra-Stack. Global and Planetary Change 142, 100-107.
  • FRIEDMAN, I., O’NEILL, J., CEBULA, G. 1982. Two New Carbonate Stable-Isotope Standards. Geostandards Newsletter 6, 11-12.
  • FRISIA, S., BORSATO, A. 2010. Karst. Developments in Sedimentology 61, 269-318.
  • GASCOYNE, M. 1983. Trace-element partition coefficients in the calcite-water system and their paleoclimatic significance in cave studies. Journal of Hydrology 61, 213-222.
  • GENTY, D., BLAMART, D., OUAHDI, R., GILMOUR, M., BAKER, A., JOUZEL, J., VAN-EXTER, S. 2003. Precise dating of Dansgaard-Oeschger climate oscillations in western Europe from stalagmite data. Nature 421, 833-837.
  • GENTY, D., DEFLANDRE, G. 1998. Drip flow variations under a stalacticte of the Père Noël cave (Belgium). Evidence of seasonal variations and air pressure constraints. Journal of Hydrology 208, 208-232.
  • GENTY, D., QUINIF, Y. 1996. Annually laminated sequences in the internal structure of some Belgian stalagmites – importance for paleoclimatology. Journal of Sedimentary Research 66, 275-288.
  • GOVIN, A. ET AL. 2015. Sequence of events from the onset to the demise of the Last Interglacial: Evaluating strengths and limitations of chronologies used in climatic archives. Quaternary Science Reviews 129, 1-36.
  • GRIMES, K. G. 1999. The Water Below: An introduction to karst hydrology and the hydrological setting of the Australian karsts. Proceedings of the 13th Australasian Conference on Cave and Karst Management, 24-31.
  • HELMENS, K. F. 2014. The Last Interglacial-Glacial cycle (MIS 5-2) re-examined based on long proxy records from central and northern Europe. Quaternary Science Reviews 86, 115-143.
  • HENDY, C. H. 1971. The isotopic geochemistry of speleothems – I. The calculation of the effects of different modes of formation on the isotopic composition of speleothems and their applicability as paleoclimatic indicators. Geochimica et Cosmochimica Acta 35, 801-824.
  • HERCMAN, H., PAWLAK, J. 2012. MOD-AGE: An age-depth model construction algorithm. Quaternary Geochronology 12, 1-10.
  • HOEFS, J. 2015. Stable Isotope Geochemistry. Springer, Switzerland, 402p.
  • ICS 2017. International Chronostratigraphic Chart v2016/12, http://www.stratigraphy.org/ICSchart/ChronostratChart2016-12.pdf.
  • IMBRIE, J., HAYS, J. D., MARTINSON, D. G., SHACKLETON, N. J. 1984. The orbital theory of Pleistocene climate: Support from a revised chronology of the marine delta 18O record. Milankovitch and Climate 1, 269-305.
  • IPCC 2013. Fifth Assessment Report, https://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_SPM_FINAL.pdf.
  • JAMIESON, R. A., BALDINI, J. U. L., FRAPPIER, A. B., MÜLLER, W. 2015. Volcanic ash fall events identified using principal component analysis of a high-resolution speleothem trace element dataset. Earth and Planetary Science Letters 426, 36-45.
  • JENS LABORATORY 2017. ICP-MS, http://eecelabs.seas.wustl.edu/ICP-MS.aspx.
  • KELLY, P. M., JONES, P. D., PENGQUN, J. 1996. The spatial response of the climate system to explosive volcanic eruptions. International Journal of Climatology 15, 537-550.
  • KENDALLL, C., McDONNELL, J. J. 1998. Isotope Tracers in Catchment Hydrology. Elsevier Science B.V., Amsterdam, 839p.
  • KMI 2017. Climate statistics for Rochefort, http://www.kmi.be/resources/climateCity/pdf/climate_INS91114_ROCHEFORT_….
  • KÖHLER, P., BINTANJA, R., FISCHER, H., FORTUNAT, J., KNUTTI, R., LOHMANN, G., MASSON-DELMOTTE, V. 2009. What caused Earth’s temperature variations during the last 800,000 years? Data-based evidence on radiative forcing and constraints on climate sensitivity. Quaternary Science Reviews 29, 129-145.
  • KRÜGER, Y., MARTI, D., STAUB, R. H., FRENZ, M. 2011. Liquid-vapour homogenisation of fluid inclusions in stalagmites: Evaluation of a new thermometer for paleoclimate research. Chemical Geology 289, 39-47.
  • LACHNIET, M. S. 2009. Climatic and environmental controls on speleothem oxygen-isotope values. Quaternary Science Reviews 28, 412-432.
  • LAMBECK, K., ESAT, T. M., POTTER, E. 2002. Links between climate and sea levels for the past three million years. Nature 419, 199-2016.
  • LISIECKI, L. E., RAYMO, M. E. 2005. A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic d18O records. Palaeoceanography 20, PA1003.
  • MANGERUD, J., GYLLENCREUTZ, R., LOHNE, O., SVENDSEN, J. I. 2011. Glacial History of Norway. Developments in Quaternary Science 15,  279-298.
  • MARTINSON, D. G., PISIAS, N. G., HAYS, J. D., IMBRIE, J., MOORE, T. C., SHACKLETON, N. J. 1987. Age Dating and the Orbital Theory of the Ice Ages: Development of a High-Resolution 0 to 300,000-Year Chronostratigraphy. Quaternary Research 27, 1-29.
  • McDERMOTT, F. 2004. Paleo-climate reconstruction from stable isotope variations in speleothems: a review. Quaternary Science Reviews 23, 901-918.
  • MICKLER, P. J., STERN, L. A., BANNER, J. L. 2006. Large kinetic isotope effects in modern speleothems. Geological Society of America Bulletin 118, 65-81.
  • NEEM Members. 2012. Eemian interglacial reconstructed from a Greenland folded ice core. Nature 493, 489-494.
  • NGRIP Members, 2004. High-resolution record of Northern Hemisphere climate extending into the last interglacial period. Nature 431, 147-151.
  • NU INSTRUMENTS 2017. Nu Perspective IRMS – Application Note AN20, http://www.nu-ins.com/wp-content/uploads/Application-Note-20.pdf.
  • OPPO, D. W., McMANUS, J. F., CULLEN, J. L. 2006. Evolution and demise of the Last Interglacial warmth in the subpolar North Atlantic. Quaternary Science Reviews 25, 3268-3277.
  • OXFORD DICTIONARIES, 2017. Weichsel. https://en.oxforddictionaries.com/definition/Weichsel.
  • PEEL, M. C., FINLAYSON, B. L., MCMAHON, T. A. 2007. Updated world map of the Köppen-Geiger climate classification. Hydrology and Earth System Sciences 11, 1633-1644.
  • POULAN, A., ROCHEZ, G., BONNIVER, I., HALLET, V. 2015. Stalactite drip-water monitoring and tracer tests approach to assess hydrogeologic behaviour of karst vadose zone: case study of Han-sur-Lesse (Belgium). Environmental Earth Sciences 74, 7685-7697.
  • RIEBEEK, H. 2005. Paleoclimatology: The Ice Core Record, https://earthobservatory.nasa.gov/Features/Paleoclimatology_IceCores/.
  • ROBERTS, M. S., SMART, P. L., BAKER, A. 1998. Annual trace element variation in a Holocene speleothem. Earth and Planetary Science Letters 154, 237-246.
  • SCHOLZ, D., HOFFMANN, D. L. 2011. StalAge - An algorithm designed for construction of speleothem age models. Quaternary Geochronology 6, 369-382.
  • SCHOLZ, D., HOFFMANN, D. L., HELLSTROM, J., RAMSEY, C. B. 2012. A comparison of different methods for speleothem age modelling. Quaternary Geochronology 14, 94-104.
  • SCHURGERS, G., MIKOLAJEWICZ, U., GRÖGER, M. 2007. The effect of land surface changes on Eemian climate. Climate Dynamics 4, 357-373.
  • SCIENCEBLOGS, 2017. Carbon isotopes, http://scienceblogs.com/startswithabang/files/2012/06/carbon-950x537.jpg.
  • SEDGWICK, P. 2012. Pearson’s correlation coefficient. British Medical Journal 345, 1-2.
  • SHACKLETON, N. 1967. Oxygen Isotope Analyses and Pleistocene Temperatures Re-assessed. Nature 25, 15-17.
  • SHACKLETON, N. 1969. The Last Interglacial in the Marine and Terrestrial Records. Proceedings of The Royal Society 174, 135-154.
  • SHACKLETON, N. J., HALL, M. A., VINCENT, E. 2000. Phase relationships between millennial-scale events 64,00-24,000 years ago. Paleoceanography 15, 565-569.
  • SHACKLETON, N. J., SANCHEZ-GONI, M. F. et al. 2003. Marine Isotope Substage 5e and the Eemian Interglacial. Global and Planetary Change 36, 151-155.
  • SINTUBIN, M., 2004. De Geologische Geschiedenis van België [CD-ROM]. Acco.
  • SINTUBIN, M., DEBACKER, T. N., VAN BAELEN, H., 2009. Early Paleozoic orogenic events north of the Rheic suture (Brabant, Ardenne): A review. C. R. Geosciences 341, 156-173.
  • SIROCKO, F. 2016. The ELSA – Stacks (Eifel-Laminated-Sediment-Archive): An introduction. Global and Planetary Change 142, 96-99.
  • SIROCKO, F., SEELOS, K., SCHABER, K., REIN, B., DREHER, F., DIEHL, M., LEHNE, R., JÄGER, K., KRBETSCHEK, M, DEGERING, D. 2005. A late Eemian aridity pulse in central Europe during the last glacial inception. Nature 436, 833-836.
  • STOCKER, T. F., JOHNSEN, S. J. 2003. A minimum thermodynamic model for the bipolar seesaw. Paleoceanography 18.
  • TZEDAKIS, P. C., FROGLEY, M. R., HEATON, T. H. E. 2003. Last Interglacial conditions in southern Europe: evidence from Ioannina, northwest Greece. Global and Planetary Change 36, 157-170.
  • VAN RAMPELBERGH, M. 2014. Speleothems as tools to reconstruct paleoclimates in temperate (Belgium) and semi-arid (Socotra, Yemen) regions during the Mid- to Late Holocene. Ph.D. dissertation, Vrije Universiteit Brussel.
  • VANSTEENBERGE, S., VERHEYDEN, S., CHENG, H., EDWARDS, R. L., KEPPENS, E., CLAEYS, P. 2016. Paleoclimate in continental northwestern Europe during the Eemian and early Weichselian (125–97ka): insights from a Belgian speleothem. Climate of the Past 12, 1445-1458.
  • VERHEYDEN, S. & DELABY, S. 2012. The Belgian Karst. Unpublished work. CSARI, Geological Survey of Belgium, Royal Belgian Institute of natural Sciences and University of Mons, Belgium.
  • VERHEYDEN, S., GENTY, D., DEFLANDRE, G., QUINIF, Y., KEPPENS, E. 2008. Monitoring climatological, hydrological and geochemical parameters in the Père Noël cave (Belgium): implication for the interpretation of speleothem isotopic and geochemical time-series. International Journal of Speleology 37 (3), 221-234.
  • VERHEYDEN, S., KEPPENS, E., FAIRCHILD, I. J., McDERMOTT, F., WEIS, D. 2000. Mg, Sr and Sr isotope geochemistry of a Belgian Holocene speleothem: implications for paleoclimate reconstructions. Chemical Geology 169, 131-144.
  • VERHEYDEN, S., KEPPENS, E., QUINIF, Y., CHENG, H. J., EDWARDS, L. R. 2014. Late-glacial and Holocene climate reconstruction as inferred from a stalagmite - Grotte du Père Noël, Han-sur-Lesse, Belgium. Geologica Belgica 17/1, 83-89.
  • WILLIAMS, P. W. 2008. The role of the epikarst in karst and cave hydrogeology: a review. International Journal of Speleology 37, 1-10.
  • WOHLFARTH, B. 2013. A review of Early Weichselian climate (MIS 5d-a) in Europe (Technical Report TR-13-03). Svensk Kärnbränslehantering AB, Stockholm, 70p.
  • WOILLARD, G. M. 1978. Grande Pile Peat Bog: A Continuous Pollen Record for the Last 140,000 Years. Quaternary Research 9, 1-21.
Universiteit of Hogeschool
Master of Geology (Leuven et al)
Publicatiejaar
2017
Promotor(en)
Prof. Dr. Philippe Claeys
Kernwoorden