Entschlüsselung der flexuralen Subsidenz in der Niederrheinischen Bucht:  Quartäre Bedeckungsaltersdatierung als Schlüssel zur Kopplung von Hebung und Subsidenz, Deutschland

Dr. habil. Benedikt Ritter-Prinz

Geologie

Motivation 

Durch Mantelplume-Aufstieg oder langwellige lithosphärische Faltung verursachte Hebungen und Senkungen haben einen starken Einfluss auf die regionale Topographie. In der Nähe der Deformationsquelle führt die Hebung von Gestein zu erhöhter Topographie, was die Entwicklung von Flussterrassen fördert und die Erosion beschleunigt (z. B. Rockwell et al., 1988; Burbank et al., 1996). Im Gegensatz dazu reagieren in distalen Regionen häufig flexurale isostatische Ausgleichsbewegungen, bei denen die Abwärtsbiegung (Flexur) der Lithosphäre zu einer Senkung und zur Bildung von Sedimentbecken führt (Watts, 2023). Dieses dynamische Wechselspiel zwischen Hebung und Senkung bestimmt sowohl die Landschaftsentwicklung als auch die Sedimentverteilungsmuster (Watts, 2023). Die genaue Quantifizierung vertikaler Bewegungen ist daher unerlässlich, um die tektonische Geschichte zu rekonstruieren und zu verstehen, wie Oberflächenprozesse auf Einflüsse aus dem Erdinneren reagieren.

Im Rahmen eines aktuellen Projekts (DFG 525049675 – „Quantifizierung von Flusseinschneidung und Hebung im Rheinischen Schiefergebirge durch Datierung von Flussterrassen im Plateau-Tal des Rheins mit der ¹⁰Be–²⁶Al-Burial-Dating-Methode“) haben wir durch den Einsatz modernster Burial-Dating-Methoden bereits neue Erkenntnisse über die Hebungsraten des Rheinischen Massivs gewonnen. Diese Techniken ermöglichen es uns, den Zeitpunkt der Terrassenbildung am Rhein zu bestimmen und damit die regionalen Hebungsraten einzugrenzen. Solche chronologischen Einschränkungen sind entscheidend für die Unterscheidung zwischen den potenziellen Triebkräften hinter der isostatischen Hebung, sei es mantelbezogen (z. B. Kreemer et al., 2020) oder lithosphärischen Ursprungs (z. B. Cloetingh und Burov, 2011), gekoppelt mit der quartären Klimavariabilität in der Rheinregion. Um jedoch ein ganzheitliches Verständnis der beteiligten Prozesse zu erreichen, ist es ebenso wichtig, die komplementären Regionen zu untersuchen, die einer flexuralen isostatischen Senkung unterliegen. Diese absinkenden Gebiete fungieren als Sedimentsenken und liefern wichtige Informationen über die Rückkopplung zwischen Hebung, Erosion und Ablagerung, wodurch ein vollständigeres Bild der Landschaftsentwicklung und der Dynamik der Erdoberfläche entsteht.

Die zentrale Hypothese des Projekts lautet, dass Sedimente in der Niederrheinischen Bucht (nordwestlich des oben genannten Rheinischen Massivs) Aufzeichnungen über distale Senkungen enthalten, die in direktem Zusammenhang mit der Flexur auf Hebungen in angrenzenden Regionen und paläoklimatischen Schwankungen während des Quartärs stehen (z. B. Boenigk und Frechen, 2006). Aufgrund der komplexen tektonischen Geschichte der Region ist es jedoch schwierig, dieses Signal zu entschlüsseln. Die Niederrheinische Bucht ist seit langem von riftbedingten Senkungen betroffen, insbesondere während des Miozäns, als es zu einer starken Sedimentakkumulation und einer ausgedehnten Braunkohlebildung kam (Stock et al., 2016; Schäfer et al., 2005). Obwohl diese riftbedingte Senkung seitdem nachgelassen hat, könnten die vertikalen Bewegungen im Quartär eine durch die Hebung des Rheinischen Massivs um die Eifelregion verursachte Flexuralsenkung widerspiegeln (Gibbard, 2021). Um diese sich überlagernden Signale aufzulösen, werden wir uns auf quartäre Flusssedimente konzentrieren, die in aktiven Braunkohletagebauen freigelegt sind und außergewöhnlich hochauflösende Aufschlüsse bieten, und diese datieren.

Plan

Der Arbeitsplan beginnt mit einer Pilotfeldkampagne in einem Tagebau, wo wir detaillierte sedimentologische Aufzeichnungen durchführen und die stratigraphischen Beziehungen zwischen den verschiedenen Formationen bewerten werden. Mit Unterstützung von RWE Energy und dem Geologischen Dienst NRW (GD NRW) werden wir erste Proben für eine Proof-of-Concept-Studie entnehmen. Methodisch wollen wir die ¹⁰Be/²⁶Al-Bedeckungaltersdatierung (Balco und Rovey, 2008; Granger, 2006) anwenden, um das Alter der Sedimentablagerungen zu bestimmen, und als ergänzenden Ansatz die Durchführbarkeit der ¹⁰Be-Meteoritdatierung (Bourles et al., 1989) für diese Sedimente bewerten. Diese doppelte Datierungsstrategie wird absolute chronologische Informationen liefern, die es uns ermöglichen, den Zeitpunkt und die Ursachen der Bodensenkung im Niederrheinischen Becken während des Quartärs besser zu bestimmen.

Referenzen

• Balco, G. and Rovey, C. W.: An isochron method for cosmogenic nuclide dating of buried soils and sediments, American Journal of Science, 308, 1083-1114, 2008.
• Boenigk, W. and Frechen, M.: The Pliocene and Quaternary fluvial archives of the Rhine system, Quaternary Science Reviews, 25, 550-574, 2006.
• Bourles, D., Raisbeck, G., and Yiou, F.: 10Be and 9Be in marine sediments and their potential for dating, Geochimica et Cosmochimica Acta, 53, 443-452, 1989.
• Burbank, D. W., Leland, J., Fielding, E., Anderson, R. S., Brozovic, N., Reid, M. R., and Duncan, C.: Bedrock incision, rock uplift and threshold hillslope in the northwestern Himalayas, Nature, 379, 505-510, 1996.
• Cloetingh, S. and Burov, E.: Lithospheric folding and sedimentary basin evolution: a review and analysis of formation mechanisms, Basin Research, 23, 257-290, 2011.
• Gibbard, P. L.: A tribute to Boenigk (1978): The fluvial development of the Lower Rhine Basin during the late Tertiary and early Quaternary, E&G Quaternary Science Journal, 70, 251-255, 2021.
• Granger, D.: A review of burial dating methods using ²⁶Al and ¹⁰Be, in: In situ-produced cosmogenic nuclides and quantification of geological surfaces, edited by: Siame, L., Bourles, D. L., and Brown, E. T., The Geological Society of America, Boulder, 1-16, 2006.
• Kreemer, C., Blewitt, G., and Davis, P. M.: Geodetic evidence for a buoyant mantle plume beneath the Eifel volcanic area, NW Europe, Geophysical Journal International, 222, 1316-1332, 2020.
• Rockwell, T., Keller, E., and Dembroff, G.: Quaternary rate of folding of the Ventura Avenue anticline, western Transverse Ranges, southern California, Geological Society of America Bulletin, 100, 850-858, 1988.
• Schäfer, A., Utescher, T., Klett, M., and Valdivia-Manchego, M.: The Cenozoic Lower Rhine Basin–rifting, sedimentation, and cyclic stratigraphy, International Journal of Earth Sciences, 94, 621-639, 2005.
• Stock, A. T., Littke, R., Lücke, A., Zieger, L., and Thielemann, T.: Miocene depositional environment and climate in western Europe: The lignite deposits of the Lower Rhine Basin, Germany, International Journal of Coal Geology, 157, 2-18, 2016.
• Watts, A. B.: Isostasy and Flexure of the Lithosphere, in: Isostasy and Flexure of the Lithosphere, 2 ed., edited by: Watts, A. B., Cambridge University Press, Cambridge, i-ii, 2023.

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