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Thesis (Ph.D.)--University of Hamburg, 2005. / Title from PDF file.

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It is widely accepted that the late Pliocene spans a time with globally warmer conditions compared to today. Regional specifics in temperature patterns from this period, however, remain poorly known. In this study, we reconstruct quantitatively late Pliocene climates for eight sites at the southeastern border of the Qinghai-Tibet Plateau (SBTP), based on palaeobotanical data compiled from published sources using the Coexistence Approach (CoA), and analyze anomalies with respect to modern climates. The reconstructed temperatures indicate that in the late Pliocene, the northwestern part of the study area was cooler than its southern part. This spatial differentiation in temperature was largely due to differences in altitude: the northwest of the SBTP probably had higher altitudes than the south at that time. Mean annual temperatures (MATs) were around 1. °C higher than today, suggesting a cooling trend since the late Pliocene. Our data show that summer temperatures have declined significantly since the late Pliocene while winter temperatures have remained similar to those of the present, different from observations in other territories. The unexpected summer and winter temperature changes can be explained by the regional orogenic uplift plus the global cooling. The eastward extrusion of the Qinghai-Tibet Plateau might have blocked the southward cold high pressure of the winter monsoon and forced it to circumvent the eastern flank of the plateau, weakening its impact on the SBTP. The post-Pliocene mountain uplift increased the overall altitude of the region, which caused the temperature decline for both summer and winter. The reconstructed summer precipitation was lower while the winter precipitation was higher than today, suggesting a weaker monsoon climate during the late Pliocene.

Spatial and temporal temperature and moisture patterns across the Tibetan Plateau are very complex. The onset and magnitude of the Holocene climate optimum in the Asian monsoon realm, in particular, is a subject of considerable debate as this time period is often used as an analogue for recent global warming. In the light of contradictory inferences regarding past climate and environmental change on the Tibetan Plateau, I have attempted to explain mismatches in the timing and magnitude of change. Therefore, I analysed the temporal variation of fossil pollen and diatom spectra and the geochemical record from palaeo-ecological records covering different time scales (late Quaternary and the last 200 years) from two core regions in the NE and SE Tibetan Plateau. For interpretation purposes I combined my data with other available palaeo-ecological data to set up corresponding aquatic and terrestrial proxy data sets of two lake pairs and two sets of sites. I focused on the direct comparison of proxies representing lacustrine response to climate signals (e.g., diatoms, ostracods, geochemical record) and proxies representing changes in the terrestrial environment (i.e., terrestrial pollen), in order to asses whether the lake and its catchments respond at similar times and magnitudes to environmental changes. Therefore, I introduced the established numerical technique procrustes rotation as a new approach in palaeoecology to quantitatively compare raw data of any two sedimentary records of interest in order to assess their degree of concordance. Focusing on the late Quaternary, sediment cores from two lakes (Kuhai Lake 35.3°N; 99.2°E; 4150 m asl; and Koucha Lake 34.0°N; 97.2°E; 4540 m asl) on the semi-arid northeastern Tibetan Plateau were analysed to identify post-glacial vegetation and environmental changes, and to investigate the responses of lake ecosystems to such changes. Based on the pollen record, five major vegetation and climate changes could be identified: (1) A shift from alpine desert to alpine steppe indicates a change from cold, dry conditions to warmer and more moist conditions at 14.8 cal. ka BP, (2) alpine steppe with tundra elements points to conditions of higher effective moisture and a stepwise warming climate at 13.6 cal. ka BP, (3) the appearance of high-alpine meadow vegetation indicates a further change towards increased moisture, but with colder temperatures, at 7.0 cal. ka BP, (4) the reoccurrence of alpine steppe with desert elements suggests a return to a significantly colder and drier phase at 6.3 cal. ka BP, and (5) the establishment of alpine steppe-meadow vegetation indicates a change back to relatively moist conditions at 2.2 cal. ka BP. To place the reconstructed climate inferences from the NE Tibetan Plateau into the context of Holocene moisture evolution across the Tibetan Plateau, I applied a five-scale moisture index and average link clustering to all available continuous pollen and non-pollen palaeoclimate records from the Tibetan Plateau, in an attempt to detect coherent regional and temporal patterns of moisture evolution on the Plateau. However, no common temporal or spatial pattern of moisture evolution during the Holocene could be detected, which can be assigned to the complex responses of different proxies to environmental changes in an already very heterogeneous mountain landscape, where minor differences in elevation can result in marked variations in microenvironments. Focusing on the past 200 years, I analysed the sedimentary records (LC6 Lake 29.5°N, 94.3°E, 4132 m asl; and Wuxu Lake 29.9°N, 101.1°E, 3705 m asl) from the southeastern Tibetan Plateau. I found that despite presumed significant temperature increases over that period, pollen and diatom records from the SE Tibetan Plateau reveal only very subtle changes throughout their profiles. The compositional species turnover investigated over the last 200 years appears relatively low in comparison to the species reorganisations during the Holocene. The results indicate that climatically induced ecological thresholds are not yet crossed, but that human activity has an increasing influence, particularly on the terrestrial ecosystem. Forest clearances and reforestation have not caused forest decline in our study area, but a conversion of natural forests to semi-natural secondary forests. The results from the numerical proxy comparison of the two sets of two pairs of Tibetan lakes indicate that the use of different proxies and the work with palaeo-ecological records from different lake types can cause deviant stories of inferred change. Irrespective of the timescale (Holocene or last 200 years) or region (SE or NE Tibetan Plateau) analysed, the agreement in terms of the direction, timing, and magnitude of change between the corresponding terrestrial data sets is generally better than the match between the corresponding lacustrine data sets, suggesting that lacustrine proxies may partly be influenced by in-lake or local catchment processes whereas the terrestrial proxy reflects a more regional climatic signal. The current disaccord on coherent temporal and spatial climate patterns on the Tibetan Plateau can partly be ascribed to the complexity of proxy response and lake systems on the Tibetan Plateau. Therefore, a multi-proxy, multi-site approach is important in order to gain a reliable climate interpretation for the complex mountain landscape of the Tibetan Plateau. / Die räumlichen und zeitlichen Temperatur- und Feuchtigkeitsmuster auf dem Tibet-Plateau sind sehr komplex. Im Einzugsbereich der asiatischen Monsune sind insbesondere der Beginn und das Ausmaß des Klimaoptimums während des Holozäns von wissenschaftlichem Interesse, da diese Periode oft als Analogie für die derzeitige globale Klimaerwärmung herangezogen wird. In Hinblick auf sich teilweise widersprechende Paläoklima- und Umweltrekonstruktionen für das Tibet-Plateau, ist es mein Ziel, die bestehenden Unstimmigkeiten bezüglich des Zeitpunktes und des Ausmaßes des Umweltwandels zu erklären. Dafür wurden von mir zeitliche Variationen fossiler Pollen- und Diatomeenspektren und geochemische Untersuchungen an Seesedimenten unterschiedlicher Zeitskalen (Spätquartär und die letzten 200 Jahre) aus zwei Kernregionen auf dem NO und SO Tibet-Plateau analysiert. Zur Unterstützung der Interpretation wurden die hier erhobenen Daten mit bereits vorhandenen paläoökologischen Aufzeichnungen der Lokalitäten kombiniert, um Datensätze der entsprechenden aquatischen und terrestrischen Proxy-Daten (Stellvertreterdaten) zweier Seenpaare aus den beiden Regionen gegenüberstellen zu können. Hierbei konzentrierte ich mich auf den direkten Vergleich von Proxies, die die Seenentwicklung reflektieren (z.B. Diatomeen, Ostracoden, geochemische Eigenschaften), mit Proxies, die Veränderungen der terrestrischen Umgebung des Sees beschreiben (terrestrische Pollen). Durch diesen Vergleich lässt sich beurteilen, ob Veränderungen im See selbst mit Umweltveränderungen in dem jeweiligen Einzugsgebiet zeitlich übereinstimmen. Dafür habe ich die bereits etablierte numerische Methode Procrustes-Rotation als neuen Ansatz in der Paläoökologie eingeführt. Damit ist ein quantitativer Vergleich von Rohdaten zweier beliebiger sedimentärer Datensätze möglich, um den Grad der Übereinstimmung zu prüfen. Um die in dieser Arbeit rekonstruierten Umwelt- und Klimaereignisse des nordöstlichen Tibet-Plateaus in einen größeren Zusammenhang hinsichtlich holozäner Klimaentwicklung des gesamten Plateaus setzen zu können, und um schlüssige zeitliche und räumliche Klimatrends auf dem Plateau erkennen zu können, habe ich auf alle vorhandenen Paläoklimadatensätze einen Fünf-Skalen Feuchtigkeitsindex und eine Clusteranalyse angewandt. Es konnten jedoch keine einheitlichen zeitlichen und räumlichen Trends der holozänen Klimaentwicklung nachgewiesen werden, was meiner Analyse entsprechend, auf die komplexen Reaktionen verschiedener Proxies auf Umweltveränderungen in einer ohnehin sehr heterogen Berglandschaft, zurückgeführt werden kann. Die Ergebnisse des numerischen Proxy-Vergleichs beider Seenpaare zeigen, dass die Verwendung von verschiedenen Proxies und die Arbeit mit paläo-ökologischen Datensätzen unterschiedlicher See-Typen zu abweichenden Klimaableitungen führen können. Unabhängig vom untersuchten Zeitraum (Holozän oder die letzten 200 Jahren) oder der Region (SO oder NO Tibet-Plateau), ist die Übereinstimmung zweier Datensätze hinsichtlich der Richtung, des Zeitpunktes und des Ausmaßes der abgeleiteten Paläo-Umweltverhältnisse in der Regel zwischen den entsprechenden terrestrischen Datensätzen besser als zwischen den entsprechenden lakustrinen Datensätzen. Die derzeitige Uneinigkeit über stimmige zeitliche und räumliche Klimatrends auf dem Tibet-Plateau kann daher teilweise der Komplexität der verschieden Proxies und ihrer individuellen Empfindlichkeiten gegenüber Umweltveränderungen sowie der unterschiedlichen Reaktionsweise verschiedenartiger See-Systeme auf dem Plateau zugeschrieben werden. Meine Ergebnisse zeigen, dass ein „Multi-Proxy-Multi-Site-Ansatz“ für zuverlässige Paläoklimaableitungen für das Tibet-Plateau von zentraler Bedeutung ist.

Cette thèse porte sur deux suites de roches métamorphiques de haute-pression et haute température provenant de l'Orogène Tibeto-Himalayen. La première suite de roches consiste en des affleurements d'amphibolites à grenat et clinopyroxène se retrouvant sous la forme de blocs dans le mélange ophiolitique à matrice de serpentine sous-jacent aux ophiolites de la Zone de Suture du Yarlung Zangbo, au Sud Tibet. La Zone de Suture du Yarlung Zangbo est un linéament de plus de 2000 km de long situé à la bordure méridionale du plateau Tibétain, au nord de la crête Himalayenne. Elle contient les reliques du vaste océan qui séparait l'Inde du Tibet pendant le Jurassique et le Crétacé : la Téthys. Dans la suture, des fragments de lithosphère océanique ont été préservés sous la forme d'une ceinture ophiolitique discontinue sous laquelle se retrouve un mélange ophiolitique. Les roches documentées dans la première partie de cette thèse ont été échantillonnées dans les occurrences de Bainang et de Angren/Buma, près de Xigaze, et plus à l'ouest sous l'ophiolite de Saga. Les relations de terrain suggèrent que ces roches représentent une semelle sub-ophiolitique démembrée. Sur la base des teneurs en éléments majeurs et traces de ces roches, cette semelle métamorphique aurait une affinité de N-MORB ou de BABB très similaire à celle de la croûte des ophiolites sus-jacentes. La géochronologie en Ar/Ar sur hornblende indique un âge de refroidissement entre 130 et 123 Ma. Considérant les modélisations complétées pour d'autres semelles métamorphiques dans le monde, ces âges peuvent également être considérés comme datant de très près le pic métamorphique. Les conditions du pic métamorphique on été contraintes thermobarométriquement et sont supérieures à 13 kbar et 800°C avec des moyennes dans l'ordre de 15 kbar et 850°C. Les relations de terrain, les données de littérature concernant les unités associées ainsi que la géochimie, la géochronologie et l'histoire métamorphique de la semelle subophiolitique de la Zone de Suture du Yarlung Zangbo supportent le modèle géodynamique suivant. Pendant le Jurassique ou le Crétacé Inférieur, la croûte des ophiolites du Yarlung Zangbo et le protolithe de sa semelle métamorphique sont formés à un centre d'expansion situé dans une zone de supra-subduction comprenant un bassin d'arrière-arc mature. Vers 130 Ma, une perturbation tectonique majeure change la direction relative des plaques et force l'initiation d'une nouvelle subduction localisée sur la ride d'extension du bassin arrière-arc. Le résultat est une ophiolite d'affinité d'arrière-arc piégée en contexte d'avant-arc et sous laquelle se retrouve une semelle métamorphique du faciès des granulites de haute-P et d'affinité d'arrière-arc. La deuxième suite de roches étudiée dans cette thèse consiste en des migmatites alumineuses à kyanite retrouvées dans le coeur de l'Antiforme du Namche Barwa, au sein de la Syntaxie Himalayenne Orientale. Le coeur de l'Antiforme du Namche Barwa est un dôme métamorphique à extrusion très rapide montrant des taux de denudation et d'exhumation extrêmes (~10mm/a). Il est situé à l'extrémité orientale de la chaîne Himalayenne et comporte la gorge la plus profonde de la planète. Les roches étudiées se retrouvent sous la forme de lentilles enrobées dans le gneiss migmatitiques à sillimanite qui forme la majorité du coeur de l'antiforme. Les lentilles migmatitiques à kyanite, d'âge Éocène-Oligocène (Zhang et al. 2010), ont été interprétées comme représentant la croûte inférieure du plateau Tibétain mais leur pic métamorphique dans le faciès des granulites de haute-pression était jusqu'à aujourd'hui contesté. Dans la présente étude, ces roches ont été investiguées quant à leur minéralogie, leur géochimie, les relations texturales entre les minéraux qui les composent et leur chimie minérale. Les résultats ont été interprétés à l'aide de pseudosections. L'interprétation confirme que ces roches représentent des protolithes sédimentaires alumineux ayant été enfouis à des conditions de croûte inférieure de l'ordre de 15 kbar et 850°C où ils ont perdu une proportion de leur liquide anatectique. Cependant, une proportion significative de liquide anatectique est restée piégée dans le réseau cristallin réfractaire, donnant lieu à d'importantes modifications texturales pendant l'exhumation jusqu'à des conditions de l'ordre de 10 kbar et 800°C, correspondant à la solidification finale du liquide piégé. Les résultats des modélisations suggèrent également que le potentiel de fusion par décompression d'une croûte inférieure aussi chaude est très faible puisque la plus grande proportion du liquide anatectique est produite pendant l'enfouissement. Cette étude démontre que la croûte inférieure Tibétaine était déjà fortement épaissie et très chaude peu après la collision initiale Éocène.

Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung von “Fastebenen”, die im Weiteren einheitlich als “Peneplains” bezeichnet werden, sowie dem Zerfall dieses markanten geomorphologischen Erscheinungsbildes im südlichsten Teil des tibetischen Plateau dem sogenannten Lhasa Block. Im Zuge dieser Arbeit konnten neue Erkenntnisse über die Hebungsgeschichte und der Sedimentverteilung in diesem Untersuchungsgebiet gewonnen werden. Diese Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der geodynamischen Entwicklung Asiens bei, die bis heute viele Fragen aufwirft. Ende des 19. Jahrhunderts wurden Peneplains als metastabile geomorphologische Formen angesehen, die im Zuge großflächiger Erosion entstehen. Die Bezeichnung Peneplain und das dahinter stehende Konzept werden seitdem von der geomorphologischen Gemeinschaft jedoch kontrovers diskutiert. Bis heute gibt es keine standardisierte bzw. repräsentative Definition für das nicht zu übersehende landschaftsbildende Phänomen der Peneplains. Dementsprechend gibt es auch nur wenige Ansätze zu Modellierungen oder Berechnungen mit Geoinformationssystemen. Hier, in dieser Dissertation, werden idealisierte Peneplains als erhöhte, gleichmäßige und großflächige Ebenen mit abfallenden Hängen verstanden, auch wenn sich landschaftsbildende Peneplains oft gekippt darstellen und durch tektonische Prozesse gestört bzw. bereits durch fortschreitende Erosionsprozesse angegriffen sind. Gut erhaltene Peneplains sind speziell für das Gebiet um den höchstgelegenen See der Welt, dem Nam Co, im nördlichen Teil des Lhasa Blocks im Hochland von Tibet charakteristisch. Die Peneplains zerschneiden das dort vorkommende viel ältere und vorwiegend granitische Gestein sowie die angrenzenden Metasedimente. Zur Bestimmung der Abkühl- und Hebungsalter der Granite wurden geo- und thermochronologische Methoden wie Zirkon U-Pb, Zirkon (U-Th)/He, Apatit (U-Th)/He und Apatit-SpaltspurenDatierung angewendet. Neben der Hebungsrate konnte auch die Freilegung des granitischen Gesteines ermittelt werden. Mit der Methode zur Bestimmung des U-Pb-Zirkonalters konnten zwei Intrusionsgruppen, um 118 Ma und 85 Ma, festgestellt werden. Ebenso wurden vulkanische Aktivitäten nachgewiesen und auf einen Zeitraum zwischen 63 Ma und 58 Ma datiert. Thermische Modelle, aufbauend auf Zirkon- und Apatit-(U-Th)/He-Datierungen sowie auf ApatitSpaltspuren-Daten der untersuchten Granitoide, ergeben einen Hebungs- und Abkühlungszeitraum von 75 Ma bis 55 Ma mit einer Hebungsrate von 300 m/Ma, welche im Zeitfenster zwischen 55 Ma und 45 Ma stark abfällt auf 10 m/Ma. Die Auswertung der Messdaten unserer Kooperationspartner an der Universität Münster zu kosmogenen Nukliden zeigen sehr niedrigen Erosionsraten von 6-11 m/Ma und 11-16 m/Ma, in den letzten 10.000 Jahren die in den einzelnen Einzugsgebieten ermittelt wurden. Diese Daten zeugen von einer noch immer andauernden Periode der Stabilität und tragen zur Erhaltung der Peneplains bei. Während der anhaltenden Phase der Erosion und Einebnung sind vor ungefähr 45 Ma in der untersuchten Region zwischen 3 km und 6 km Gestein abgetragen und weg transportiert worden. Es ist naheliegend, dass das abgetragene Material als Sediment über das vorhandene Flusssystem fast vollständig in die heute bestehenden Ozenane transportiert wurde. Im Lhasa Block können nur verhältnismäßig wenig Sedimente aus dieser Zeit nachgewiesen werden. Alle bisherigen Untersuchungsergebnisse sowie die durchgeführte Sediment-Herkunftsanalyse untermauern die Theorie, dass die Peneplainbildung und ihre Erosionsprozesse in niedriger Höhe - höchstwahrscheinlich auf Meeresniveau - stattgefunden haben muss. Dieser Prozess wurde durch die Kollision des indischen Kontinents mit Asien gestoppt. Die resultierende Krustenverdickung führte zu einer Hebung der Landschaft mit den Peneplains, von Meeresniveau auf 5.000 bis 7.000 Höhenmeter. Die auf dem “das Dach der Welt” vorherrschenden idealen Klimabedingungen haben anschließend für die fast vollständige Erhaltung der Peneplains gesorgt. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit der Entwicklung einer robusten Methode Peneplains anhand digitale Höhenmodelle (DEM) zu berechnen bzw. zu kartieren. Frei zugängliche DEMs machen es möglich, Erdoberflächen repräsentativ mathematisch und statistisch zu analysieren und zu charakterisieren. Diese Analysemethode stellt eine ausgezeichnete Möglichkeit dar, die Peneplains mittels aussagekräftiger Algorithmen zu charakterisieren und digital zu kartieren. Um Peneplains algorithmisch von der Umgebung klar abgrenzen zu können, wurde ein komplett neuer Ansatz der Fuzzylogik angewandt. Als DEM-Basis wurde ein 90 arcsec-DEM der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) verwendet. Mithilfe eines Geoinformationssystems (GIS) wurden Algorithmen geschrieben, die vier verschiedene kritische Parameter zur Beschreibung von Peneplains berücksichtigen: (I) Gefälle, (II) Kurvigkeit, (III) Geländerauhigkeit und (IV) Relative Höhe. Um die Eignung der Methode zu prüfen, wurde auf Basis der SRTM-DEM weltweit kartiert und mit schon in der Literatur beschriebenen Peneplains verglichen. Die dabei erhaltenen Ergebnisse von den Appalachen, den Anden, dem Zentralmassif und Neuseeland bestätigen dass ein Einsatz des Modells, weltweit und unabhängig von der Höhenlage möglich ist.