Quaternary alluvial fan morphodynamics and basin sedimentation in North Iran
| Autor: | Büdel, Christian |
|---|---|
| Jazyk: | angličtina |
| Rok vydání: | 2020 |
| Předmět: | |
| Druh dokumentu: | Doctoral Thesis<br />Doctoral Thesis |
| DOI: | 10.25972/WUP-978-3-95826-115-0 |
| Popis: | Several hundred meter thick alluvial fans are dominating the landscape of semiarid plains of north-eastern Iranian mountain-talus. These fans developed since Miocene times and are still prograding today. They are storing and transporting major amount of weathered debris from the mountain ranges and sediments are directed to the depressions of the endorheic basins. In this course, the debris gets increasingly weathered and abraded to sand silt and clay fractions, which finally constitute the fine loamy layers of the typical central playa lakes and playas. The study focused on the detailed investigation of a characteristic section of this prominent sediment cascades. The sediments were planned be comprehensively documented by using a fully analytical geomorphological mapping approach, also suitable for the classification of the sediment’s geomorphological system contexts. Therefore, a geodatabase structure was developed, which is capable of managing and analyzing geomorphological data. The corresponding data was acquired using remote sensing imagery, digital elevation models and field mapping campaigns. Additionally, mapped sediments were selected and analyzed to reveal representative stratigraphic and sedimentologic characteristics. The fieldwork was conducted in Damghan Basin on sections in geomorphologically subdivided alluvial apron sediments. The corresponding, more regularly layered and partly laminated sediments from the central playa, were also investigated and comparably described. Attending to the preparation of profile sections and the percussion core probing, samples from both origins were taken. Detailed lithostratigraphical and geochemical analyses were carried out in the laboratory, in order to develop sound comparable sediment and sediment alteration indices. In addition, OSL sampling was done on distinct alluvial fan surfaces, and the samples were measured and dated in the laboratory in order to develop a functional chronostratigraphy. The results of the geomorphological and stratigraphical investigations reveal five classes of surface ages on the alluvial apron. Parallel to that observation, the ramming core samples exhibit four main phases of sediment development in the playa, each with internal differentiation. This brings up opportunities for a valid correlation of continuously deposited playa sediments, with widespread alluvial surfaces. By considering the OSL ages of selected terrestrial and lacustrine layers, the stratigraphy and relative chronological order of the studied sediments, are aligned to Pleistocene and mid to late Holocene periods. This is also confirmed by proxy ages from the chronological framework of the landscape development, within the basin. Geophysical and geochemical data reveals roughly cyclic sedimentation and sediment alteration that can also be observed in genetically differing geoarchives from alluvial fan surfaces to the playa sediments. These parallel developments are confirmed by the sequence-stratigraphic order of the archives which is derived from geomorphological mapping. We postulate a time span covered by the playa sediments from today to late Pleistocene times. Drying and Lake level retreat at the end of Pleistocene is documented in parallel geoarchives of terrestrial and lacustrine origin. Thus, geomorphologic landform-succession and alluvial fan morphogenesis, as well as geochemical and geophysical fingerprinting data of playa sediments characterize this development. Therefore, it is present in the two youngest generations of alluvial fans, which deposited at the toe of the alluvial apron and which incorporate reworked still water deposits of a former lake level terrace. The geochemical parameters, like pH-value and Ca/S-ratio, in both, sediments of a former lake level and those from the recent playa extent exhibit a similar development. In addition, Ti/Al-ratio shows the potential for quantifying lake level retreat, as it seems to be tightly depending on lake level and increasing transportation distances along the sediment cascade. Major Findings - Analytical geomorphological mapping is a key tool for understanding the sedimentation history of the Iranian Quaternary and for describing Quaternary stratigraphic units of North Iran. - The younger playa deposits in Damghan Basin cover a time span from today to late Pleistocene. They are 10 meters thick and reveal very low organic matter contents throughout the core. - Drying and Lake level retreat is documented in parallel geoarchives (1) in geomorphologic landform-succession and alluvial fan morphogenesis and (2) in geochemical and geophysical fingerprinting data of playa sediments - Sequences of torrential sedimentation are detectable signals and can be correlated in both: playa sediments and landform morphology Die nordostiranische Gebirgsabdachung wird maßgeblich von mehrere hundert Meter mächtigen Schwemmfächern gebildet. Die Aufschüttung der Schwemmfächer setze im Miozän ein und bis heute progradieren die Fächer ins Beckeninnere. Dabei transportieren und speichern sie den Großteil des Verwitterungsschutts der Gebirgszone und die Sedimente werden von hier weiter in die zentralen Depressionen der endorheischen Beckenlandschaften geleitet. Auf ihrem Weg wird der Schutt weiter zerkleinert und verwittert, und bildet schließlich in feinen Sand-, Schluff- und Tongemengelagen die Lehmschichten der typischen zentralen Playaseen und Playas. Mit der vorliegenden Studie wurde ein charakteristischer Abschnitt dieser bedeutenden Sedimentkaskade detailliert untersucht. Durch einen vollanalytischen geomorphologischen Kartieransatz sollten die Sedimente umfangreich erfasst und in ihren geomorphologischen Systemzusammenhang gebracht werden. Zu diesem Zweck wurde eine Geodatenbankstruktur entwickelt, die die Verwaltung und Analyse geomorphologischer Daten ermöglicht. Die entsprechenden Dateneinträge wurden aus spektralen Fernerkundungsdaten, digitalen Geländemodellen und den Feldkartierungen mehrerer Expeditionen extrahiert. Für die kartierten Sedimente wurden an repräsentativen Standorten zusätzlich die stratigraphischen und sedimentologischen Charakteristika ermittelt und mit den Kartenelementen verknüpft. Für die Feldarbeiten wurden die Sedimente einer typischen Schwemmfächerschürze des Damghan Beckens geomorphologisch untergegliedert und ergraben. Entsprechend wurden die, das Ende der Sedimentkaskade bildenden, regelmäßiger geschichteten und zum Teil laminierten Sedimente der Playa sondiert und vergleichbar beschrieben. Die Landformen wurden als Kartenelemente im Vektorformat gespeichert und nach standardisierten geomorphologischen Konzepten in Systemelemente aus Form, Material und Prozess klassifiziert. Spezifiziert wurden die Landformen und Landformelemente dann in den Klassen Moprhometrie und Morphographie (Form), Morphostruktur (Material), Morphodynamik und Morphogenese (Prozess), sowie Geomorphologie (System Synthese). Begleitend zu den Kartierungen und der Bearbeitung der Profilschnitte und Rammkernsondagen, wurden die Schichten beider Sedimentationsräume detailliert beprobt. Weitere Untersuchungen zu Lithostratigraphie, Geochronologie und Geochemie der Sedimente wurden im Labor ausgeführt und sollten aussagekräftige Indizes zu Sedimenteigenschaften und Art und Alter der Sedimentvariation erbringen. Neben pH- und Leitfähigkeitsmessungen, sowie der Ionenchromatographie leicht löslicher Salze, wurde für alle Proben die Granulometrie mittels Laserdiffraktometrie ermittelt. Die mineralogische Zusammensetzung wurde röntgendiffraktometrisch bestimmt. Haupt- und Nebenelemente wurden im Wesentlichen mit einer Kombination aus Röntgenfluoreszenzmessungen (XRF) und optischer Emissionsspektrometrie von Königswasseraufschlüssen mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) analysiert. Altersbestimmungen konnten lediglich an ausgewählten Proben der terrestrischen Sedimente durchgeführt werden; dabei wurden im Labor Dosimetrie und Optisch Stimulierte Lumineszenz gemessen (OSL) und daraus die Alter modelliert. Die Ergebnisse der geomorphologischen und stratigraphischen Untersuchungen zeigen fünf Hauptphasen vergangener Schwemmfächeroberflächenaktivität. Parallel dazu konnten in den Rammkernen der zentralen Playa vier in sich gegliederte Hauptsedimentationsphasen nachgewiesen werden. Die kontinuierlichen Akkumulationsphasen der Playasedimente bieten aussagekräftige Korrelationen mit den Aktivitätsphasen auf den ausgedehnten Flächen der Schwemmfächerschürze. Über die OSL-Alter der ausgewählten terrestrischen und lakustrinen Sedimentschichten können Stratigraphie und relative Chronologie der untersuchten Sedimente Pleistozänen und mittel- bis spätholozänen Perioden zugeordnet und in die allgemeine Chronostratigraphy des Beckens eingefügt werden. Die geophysikalischen und geochemischen Messungen lassen auf zyklische Sedimentationsphasen schließen, die sich über Geoarchive verschiedenen Ursprungs von der Schwemmfächerschürze bis in die zentrale Playa koppeln lassen. Diese stratigraphische Entwicklung wurde über die historisch-genetische Systemrekonstruktion im Zuge der geomorphologischen Kartierung in ihren sequenzstratigraphischen Zusammenhang gebracht und bestätigt so die parallele Entwicklung der verschiedenen Geoarchive. Die untersuchten Playasedimente belegen somit eine Zeitspanne vom Spätpleistozän bis zur aktuell anhaltenden Phase. Die Entwicklung der verschiedenen Sedimentkörper zeigt auch den Wechsel zu trockeneren Bedingungen und die Austrocknung eines früher ausgedehnten (Playa-)Sees in spätpleistozäner Zeit an. Sowohl die geomorphologische Landformensukzession und Schwemmfächermorphogenese, wie auch das Elementsignal und die veränderten geophysikalischen und geochemischen Eigenschaften der Playasedimente charakterisieren diese Entwicklung. So ist diese präsent in den beiden jüngsten Schwemmfächergenerationen, die am Fuß der Schwemmfächerschürze liegen und erodierte Sedimente einer ehemaligen Seeterrasse beinhalten. Auch geochemische Parameter, hier die pH-Werte und das Ca/S-Verhältnis, der Schichten in Position der ehemaligen Seeterrasse, und der Schichtung innerhalb der rezenten Playaausdehnung weisen auf die zunehmende Salinität des ehemaligen Sees im Zuge der Austrocknung hin. Ergänzend hat das Ti/Al-Verhältnis Potential den Seespiegelrückzug zu quantifizieren, indem es als Indikator für zunehmende Transportdistanzen entlang der Sedimentkaskade genutzt wird. Der beobachtete Seespiegelrückgang und die Phasen der Schwemmfächeraktivität können weiterhin mit Humiditätsphasen korreliert werden, die aus verschiedenen See- und Sumpfsedimenten des Nordiran bekannt sind. So beginnt in Damghan mit der Jüngeren Dyas eine intensive Trockenphase mit veränderten klimatischen Bedingungen. Nach einer folgenden Humiditätsphase mit neuerlichem Seehochstand können zwei weitere Trockenphasen im Frühholozän ausgemacht werden. Die letzte Trockenphase setzt somit nach einer mittelholozänen Phase relativer Stabilität ein. Wesentliche Erkenntnisse - Die analytisch geomorphologische Kartierung bildet ein essentielles Werkzeug zur Untersuchung der Sedimentation im iranischen Quartär und zur Beschreibung der quartären stratigraphischen Einheiten des Nordiran - Die jüngeren Playasedimente des Damghan Beckens repräsentieren einen Zeitabschnitt der von heute bis in das Spätpleistozän reicht. Sie weisen eine Mächtigkeit von 10 Meter auf und enthalten durchweg sehr geringe Anteile an organischer Substanz. - Austrocknung und Seespiegelrückgang sind in Damghan parallel in zwei Geoarchivtypen dokumentiert. Sie zeigen sich (1) in der geomorphologischen Landformenfolge und Schwemmfächerentwicklung und (2) im Wandel der geochemischen und geophysikalischen Charakteristika der Playasedimente. - Sequenzen mit torrentieller Sedimentation konnten ebenfalls in beiden Sedimentationsräumen erkannt und korreliert werden. Availability of water and desiccation of important water reservoirs is a vital challenge in semi-arid to arid climates with growing economy and population. Low quantities of precipitation and high evaporation rates leave the water supply vulnerable to human activity and climatic variations. Endorheic basins of Northern Iran were hydrologically landlocked within geological timescales and thus bear evidence of past variations of water resources in generations of water related landforms, like abandoned lake level shorelines, alluvial fans and stream terraces. Understanding the development of these landforms reveals crucial information about past water reservoirs and landscape history. This study offers a comprehensive approach on understanding the geomorphological development of the landscape throughout Late Pleistocene and Holocene times. It integrates remote sensing and geographic information system analysis, with geomorphological and stratigraphical mapping fieldwork and detailed sedimentological investigations. The work shows the importance of analytical geomorphological mapping for delineating stratigraphic units of the Iranian Quaternary. Thus, several phases of drying and lake level retreat were identified in parallel geoarchives and could be dated to a time span from today to Late Pleistocene. The findings link the fate of the citizens of the ancient city of "Tepe Hissar" to their access to water and to the power of geomorphological processes, which started changing their environment. |
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