FACULTEIT WETENSCHAPPENN Opleiding Master of Science in de geologieie Reconstruction of the Southern Alaskan climate during the last 700 years, based on a multi-proxy analysis of annually laminated lake records Evelien Boes Academiejaar 2013-2014 Scriptie voorgelegd tot het behalen van de graad van Master of Science in de geologie Promotor: Prof. Dr. Marc De Batist Begeleiders: Dr. Maarten Van Daele, Prof. Dr. Jasper Moernaut Leescommissie: Prof. Dr. Dirk Verschuren, Dr. Sébastien Bertrand Picture cover sheet: Eklutna Lake, view towards Eklutna Glacier By Nore Praet, February 2014 ABSTRACT IN DUTCH Gedurende de laatste decennia is de bestaande kennis omtrent klimaat en klimaatsverandering enorm gegroeid. Het toegenomen bewustzijn van een zekere antropogene invloed op de hedendaagse klimaatsomstandigheden heeft de maatschappij wakker geschud en aangezet tot het doorgronden van het aardse klimaatssysteem en al zijn facetten. Om gefundeerde voorspellingen voor de toekomst te kunnen doen, dient het verleden grondig bestudeerd en geïnterpreteerd te worden. Het verleden herbergt immers een schat aan gegevens omtrent de mechanismen die het klimaat sturen, welke rol deze spelen en hoe ze met elkaar interageren. Aangezien instrumentele data niet ver genoeg terugreiken in het verleden, moet men op zoek gaan naar andere bronnen van informatie. Deze bronnen worden ook wel eens paleoklimaatsarchieven genoemd en zijn onder andere vertegenwoordigd door ijskernen, veen-afzettingen, koraalriffen, boomringen, mariene sedimenten en meersedimenten. Laatstgenoemde vertonen dikwijls hoge-resolutie opnamen van in het verleden heersende milieucondities, dankzij hun capaciteit om hoge-frequentie (seizoenen, jaren) veranderingen in de omgeving te reflecteren. De oorzaak van dit fenomeen schuilt in de klimaatsafhankelijke sedimentatie in meren. Niet alleen de hoeveelheid sediment dat naar het meer getransporteerd en in het meer afgezet wordt, maar ook zijn samenstelling weerspiegelt het heersende klimaat. Deze studie is gericht op het doorgronden van klimaatssignalen in sedimenten (boorkernen) uit drie verschillende proglaciale meren in Zuid-Alaska, op Kenai Peninsula (Kenai Lake en Skilak Lake) en in de omgeving van Anchorage (Eklutna Lake). In het geval van proglaciale meren wordt sediment-transport en -afzetting grotendeels gecontroleerd door de jaarlijkse cyclus van ijs- en sneeuwsmelt tijdens lente en zomer, gevolgd door een periode van sneeuwval en hernieuwde ijsvorming tijdens herfst en winter. Deze cyclische variaties in omstandigheden manifesteren zich in de vorming van jaarlijkse afzettingen, waarnaar verwezen wordt als glaciale of klastische ‘warven’. De kwaliteit van dit soort warven beperkt zich niet uitsluitend tot hun bijdrage in het uitvoeren van hoge-resolutie dateringen, maar schuilt ook in hun sedimentologische, geochemische en geofysische eigenschappen die men kan koppelen aan specifieke weersparameters (temperatuur, neerslag en sneeuwval). Op deze manier kunnen klimaatsproxies gedefinieerd worden na kalibratie met instrumentele data. Het studiegebied bevindt zich bovenop een belangrijke, destructieve plaatrand, de Alaskan- Aleutian Subduction Zone (AASZ). De oceanische Pacifische plaat duikt hier onder de continentale Noord-Amerikaanse plaat, hetgeen een voortdurende tektonische en vulkanische activiteit oplevert langsheen de Zuid-Alaskaanse kust. Gedurende de laatste eeuw was de AASZ bron voor tal van significante (Mw>7) tot extreem zware (Mw>8) aardbevingen, dikwijls gecombineerd met trans-Pacifische tsunami’s, waarvan de hevigste (Mw 9.2) plaatsgreep in 1964 A.D. ten noorden van Prince William Sound. Naast seismiciteit vormt ook subductie-gerelateerd vulkanisme een belangrijk component van de AASZ. Zowel aardbevingen als erupties zijn in staat karakteristieke afzettingen in meren te genereren. Wanneer deze afzettingen op basis van hun eigenschappen gecorreleerd kunnen worden I met gerapporteerde, historische events, vormen ze een bijkomende absolute datering om warven-ouderdomsmodellen te verifiëren en eventueel te verbeteren. Boorlocaties in de drie bestudeerde meren zijn gebaseerd op bestaande bathymetrische kaarten en resultaten van verkennende reflectie-seismiek. Meerbodems werden op verschillende locaties bemonsterd met een bob-corer, waarbij laterale hellingen en andere instabiele omgevingen zoals delta’s, werden vermeden. Boorkernen werden vervolgens geopend en gefotografeerd aan het RCMG (Universiteit Gent). Gedetailleerde macroscopische beschrijvingen van het sedimentoppervlak laten een eerste onderverdeling toe in event-afzettingen en gelaagde/gelamineerde achtergrond-sequenties, waarbij de aandacht vooral uitgaat naar observaties betreffende sedimentkleur, korrelgrootte, textuur en structuur. Bijkomende hoge-resolutie kleuranalyses (CIE L*a*b*) werden met gespecialiseerde software (Strati-Signal) uitgevoerd op onbewerkte kernfoto’s. Stapsgewijze passage doorheen een Multi-Sensor Core Logger (MSCL) levert geofysische eigenschappen (densiteit, magnetische susceptibiliteit en spectrofotometrische parameters) van het sediment op. Studie van smear slides en instrumentele korrelgrootte-analyses maken het mogelijk om microscopische kenmerken van individuele lagen en laminaties te onderzoeken. Door XRF-scans van enkele boorkernen te nemen, kunnen subtiele variaties in chemische element-concentraties achterhaald worden. Stroomgebieden van ieder meer en specifieke drainagenetwerken werden afgelijnd, zodat de bemonsterde, lacustriene afzettingen in verband konden gebracht worden met hun brongebieden in de nabijheid van de meren. Om het vermoedelijk jaarlijkse karakter van de aanwezige achtergrond-laminaties en -laagjes te testen, werden radionuclide-dateringen (210Pb and 137Cs) uitgevoerd op de bovenste secties van boorkernen uit Eklutna Lake en Skilak Lake. In beide meren kan de aanwezigheid van warven bevestigd worden, terwijl confirmatie van deze jaarlijkse eenheden in Kenai Lake moet wachten op identificatie van historische event-afzettingen, die als gidslagen functioneren. Echter, omwille van het gelijkaardige uiterlijk van sequenties in dit laatste meer aan deze van de andere twee meren, kan men de aanwezigheid van warven in Kenai Lake voorlopig veronderstellen. Deze veronderstelling is nodig bij het opstellen van hoge- resolutie ouderdomsmodellen, waarbij warven over de volledige lengte van de meest representatieve kernen van ieder meer (EK12-01, KE12-07, SK12-10 en SK12-03) gemeten en geteld worden. Het aflijnen van deze laminaties en laagjes kan vergemakkelijkt worden door gebruik te maken van CT-beelden, gemaakt met behulp van een medische scanner, waarbij variaties in densiteit en samenstelling van het sediment gereflecteerd worden in grijswaarden van individuele voxels. Attenuatie van X-stralen loopt sterker op ter hoogte van het grovere warven-basis-sediment (silt) dan in de fijnkorreligere toppen (klei). Desondanks kunnen onzekerheden bij het tellen niet vermeden worden, aangezien verscheidene stratigrafische intervallen onduidelijke structuren vertonen. Na aan iedere afgebakende eenheid een ouderdom toegekend te hebben, blijkt de inhoud van EK12-01 (Eklutna Lake) terug te reiken tot 1856 A.D., KE12-07 (Kenai Lake) tot 1833 A.D., SK12-03 (Skilak Lake) tot 1646 A.D. en SK12-10 tot 1340 A.D. Daarnaast kan voor elke geanalyseerde kern een verloop van jaarlijkse sediment-accumulatie doorheen de tijd opgesteld worden. II De op warven-tellingen gebaseerde tijdskaders kunnen gecontroleerd worden, of in het geval van Kenai Lake voor het eerst bevestigd worden, door opmerkelijke event-afzettingen te verbinden met historische aardbevingen, erupties of floods. In elk van de drie meren bevinden zich sporen van de zware 1964 A.D. Prince William Sound aardbeving in de vorm van turbidieten en/of mass-transport deposits (MTD’s), hetgeen mogelijkheden biedt tot het opstellen van een inter-meer correlatie. Ook enkele (crypto)tefra-lagen, zoals deze van de erupties van Redoubt in 1989 A.D. en Katmai-Novarupta in 1912 A.D. kunnen in meer dan één meer aangetroffen worden. Op seismische profielen zijn afzettingen van de 1964 A.D. aardbeving zichtbaar als chaotische reflecties en worden voorafgegaan door gelijkaardige lichamen op grotere stratigrafische dieptes. Verder zijn nog enkele andere, lokale event- afzettingen aanwezig in de archieven van Eklutna Lake, Kenai Lake en Skilak Lake. Zo bevat Eklutna Lake een relatief fijnkorrelige turbidiet, veroorzaakt door het gedeeltelijke falen van een dam-constructie ten gevolge van een flood in 1929 A.D., terwijl in Skilak Lake afzettingen terug te vinden zijn van een aardbeving in 1954 A.D. (Mw 6.7) waarvan het hypocentrum gelegen was onder noordelijk Kenai Peninsula. Ook verschillende tefra-lagen hebben een zuiver lokaal karakter, zoals deze van de 1883 A.D. Augustine eruptie in Eklutna Lake of van de 2005 A.D. Augustine eruptie in Kenai Lake. Al deze geïdentificeerde event- afzettingen bevestigen de vooropgestelde ouderdomsmodellen die gebaseerd zijn op warven-tellingen en radionuclide-dateringen. Naast het valideren van ouderdomsmodellen staan event-afzettingen eveneens toe een benaderende schatting te maken van eventuele warven-telfouten. Een andere methode die het mogelijk maakt telfouten te evalueren, is het tunen van warven-diktes aan de hand van instrumentele klimaatsdata. Deze data werden opgevraagd voor verschillende stations in de nabijheid van Eklutna Lake, Kenai Lake en Skilak Lake. Tijdens het tuning-proces wordt uitgegaan van een positieve beïnvloeding van jaarlijkse sediment-accumulaties