Geometry, chronology and dynamics of the last Pleistocene glaciation of the Black Forest

Hochschulschrift

Abstract: Assessing the effects of ongoing anthropogenic climatic change requires a thorough understanding of past climatic fluctuations. The reconstruction of changes in the extent of small glaciers provides valuable information on climatic changes, as smaller ice masses react sensitively to changes in precipitation and temperature. Despite a large number of studies in recent years, the configuration of the atmospheric circulation over Europe during the Late Pleistocene [129-11.7 ka (kiloyears before present)] is still controversially discussed. One key aspect of this debate is the question whether the Mediterranean Sea and not the Atlantic Ocean (as today) served as the main moisture source for glaciers in the Alps during the last glaciation maximum in the Alps (at around 26-24 ka). If this assumption is correct, the Black Forest (southern Germany) and the about 1000 km²-large ice caps in its southern part would have probably been in a leeward position with respect to the Alps. The location in a leeward position conceivably limited the growth of the ice caps. Therefore, it is likely that the ice caps of the Southern Black Forest reached their last maximum extent asynchronously with the Alps. Since the determination of the age of the last glaciation maximum in the southern Black Forest is still pending, this assumption cannot yet be verified. Dating this glacial phase would allow for obtaining valuable climatic information, as the Southern Black Forest lies in a key position with respect to the Alps and in proximity to key sites for climate reconstructions.
The general trend towards warmer climatic conditions after the last glacial maximum (27.5-23.3 ka) was punctuated by rapid decreases in temperature. Chronological data from moraines in formerly glaciated mountains of Central Europe outside the Alps, i.e., in the Vosges, Bavarian Forest, Bohemian Forest, and in the Giant Mountains, indicate several periods of ice-marginal stability and glacier re-advances during deglaciation. Summer temperatures in ice-free areas of Central Europe during the last glacial termination have been successfully reconstructed, but precipitation patterns remain largely elusive. It has been shown that precipitation reconstructions with data from former glaciers can fill this gap, but reconstructions for other parts of the last glacial termination require additional data on the temporal and spatial evolution of glaciers in the mountains of Central Europe. Particularly the chronology of glacier variations in the Southern Black Forest remains largely unknown, as age determinations of glacial landforms and deposits that document former ice-marginal positions are lacking.
This study addresses aims to fill these gaps by reconstructing the chronology of the last (Late Pleistocene) glaciation of the Southern Black Forest with the ultimate aim to contribute to a better understanding of the climate during the Late Pleistocene.


A digital elevation model (DEM) with a xy-resolution of 1 m and its derivates (e.g., contour lines) were first systematically used to map glacial landforms in the Southern Black Forest with particular emphasis on terminal moraines, as these landforms document former ice-marginal positions. The results were subsequently confirmed during extensive field surveys. Geomorphological mapping revealed that some previously described moraines have to be rejected, whereas other moraines were mapped for the first time. The number of inferred ice-marginal positions turned out to be higher than in previous studies. These findings suggest highly dynamic former glaciers in the Southern Black Forest and underline that thorough geomorphological investigations with an up-to-date approach are always needed prior to the application of numerical dating methods.
10Be cosmic-ray exposure dating was applied (for the first time in the Black Forest) to boulders on moraines in two formerly glaciated valleys north-west of the highest summit of the Black Forest, Feldberg [1493 m above sea-level (a.s.l.)] to reconstruct the chronology of the last glaciation. In the field, the determination of topographic shielding factors for age calculations was not possible at all sampling sites. To correct the ages for topographic shielding, a previously published toolbox for the ESRI® ArcGIS software was applied that allows for calculating shielding factors with DEMs. As the performance of the toolbox has hitherto not been evaluated with an extensive set of field data, a validation study was undertaken. Boulders in three settings, i.e., the Southern Black Forest, the forefield of Steingletscher, and the Écrins massif were chosen. Shielding factors derived with the toolbox were consistent with field data-based shielding factors and the spatial resolution of the tested DEMs did not influence the fit between the shielding factors. Replacing shielding factors with those derived with the toolbox led, in most cases, to minor shifts in ages. These findings underline that the toolbox provides precise shielding factors for age calculations.
Dating the Late Pleistocene glaciation maximum was not possible in the two studied valleys, since suitable boulders for age determinations were missing in the first valley and traces of this phase of glaciation have not been preserved in the second valley. Preliminary ages of erratic boulders and boulders on moraines for an area south-east of Feldberg indicate that glacier retreat from the Late Pleistocene maximum position may have been underway by 21 ka at the latest, but this working hypothesis needs to be confirmed with additional data. Ages of moraines of the last deglaciation in the valleys north-west of Feldberg cluster around 17-16 ka, 15-14 ka, and 13 ka, thus indicating three distinct periods of repeated phases of ice-marginal stability. In most studied glacial cirques, final glacier retreat was underway by 14 ka at the latest. As this age for final glacier retreat roughly corresponds to the rapid rise in summer temperatures at around 14.7 ka, it is likely that this climatic event led to deglaciation.
DEMs of glaciers were established to reconstruct equilibrium line altitudes (ELAs) of glaciers, i.e. the zones where ablation equals accumulation on an annual timescale.
By 17-16 ka at the latest, ELAs of valley glaciers varied between about 1140 and 1160 m a.s.l. During the period of cirque glaciation at the end of the last deglaciation (no later than 15-14 ka), ELAs of the reconstructed glaciers lay between about 1150 and 1210 m a.s.l. with no clear across the studied valleys. The ELA of the last cirque glacier in one of the studied valleys was situated at around 1400 m a.s.l. by 13 ka at the latest. Annual precipitation at the ELA apparently amounted to about 3100 mm per year at around 13 ka.
This unrealistically high estimate conflicts with the few available precipitation records and is probably explained by a strong effect of snow blow and avalanching on the mass balance of the glacier. Spatial discrepancies in ELAs at around 15-14 ka are explained best by the size of the snow blow and avalanche catchment of former glaciers. Due to the strong influence of snow blow and avalanching on ELAs, reliable estimates of annual precipitation at ELAs could not be provided. Additional work is needed for realistic estimates of annual precipitation, including a detailed assessment of the effect of topographic shading on the position of ELAs.
Mapping glacial landforms and 10Be cosmic-ray exposure dating allowed for reconstructing the chronology of the Late Pleistocene glaciation of the Southern Black Forest in unprecedented detail. 10Be cosmic-ray exposure dating of moraines made it possible, for the first time, for proposing an independent regional glacier chronology. The high potential for climate reconstructions warrants further studies on Late Pleistocene glacier fluctuations. Further efforts should particularly concentrate on dating the Late Pleistocene glaciation maximum and on extracting a climatic signal from glacier fluctuations during the last glacial termination
Abstract: Um die Auswirkungen des menschengemachten Klimawandels beurteilen zu können, sind genaue Kenntnisse vergangener Klimaschwankungen erforderlich. Die Untersuchung der Veränderung der räumlichen Ausdehnung kleinerer Gletscher legt wichtige Informationen über Klimaveränderungen offen, da kleinere Eiskörper sensibel auf Temperatur- und Niederschlagsänderungen reagieren. Trotz zahlreicher Untersuchungen in den letzten Jahren wird die atmosphärische Zirkulation über Europa während des Spätpleistozäns [129-11,7 ka (Kilojahre vor heute)] noch kontrovers diskutiert. Ein zentraler Aspekt dieser Debatte ist die Frage, ob das Mittelmeer und nicht der Atlantik (wie heute) als Hauptquelle für feuchte Luftmassen diente und die Gletscher in den Alpen während ihres letzten Maximalstands (26-24 ka) mit Feuchtigkeit versorgte. Falls diese Hypothese zutrifft, hätten der Schwarzwald (Süddeutschland) und die vier etwa 1000 km² großen Eiskappen in seinem Südteil im Regenschatten der Alpen gelegen. Es liegt die Vermutung nahe, dass die Eiskappen im Südschwarzwald zeitversetzt mit den Gletschern in den Alpen ihre letzte Maximalausdehnung erreichten. Da die Bestimmung des Alters des letzten Vergletscherungsmaximums im Südschwarzwald noch aussteht, kann diese Annahme noch nicht überprüft werden. Die Datierung dieser Phase der Vergletscherung würde es ermöglichen, wertvolle Informationen über das vergangene Klima zu erlangen, da der Südschwarzwald in Bezug auf die Alpen an einer Schlüsselstelle liegt und er sich in der Nähe wichtiger Archive für Klimarekonstruktionen befindet.
Der generelle Trend hin zu wärmeren Klimabedingen nach dem letzten glazialen Maximum (27.5-23.3 ka) wurde von Phasen abrupter Temperaturrückgänge unterbrochen. Altersdaten von Moränen aus den ehemals vergletscherten Mittelgebirgen Zentraleuropas, das heißt aus den Vogesen, dem Bayerischen Wald, dem Böhmerwald und dem Riesengebirge, implizieren, dass der Eisrückzug wiederholt von Wiedervorstößen oder Phasen stabiler Eisränder unterbrochen wurde. Während Sommertemperaturen in der Spätphase der letzten Kaltzeit (last glacial termination) bereits erfolgreich rekonstruiert worden sind, ist wenig über Niederschlagsverteilungen bekannt. Es wurde bereits gezeigt, dass diese Lücke mit Daten von ehemaligen Gletschern geschlossen werden kann. Solche Studien erfordern jedoch weitere Daten zur räumlichen und zeitlichen Entwicklung der Vergletscherungen in den Mittelgebirgen Zentraleuropas. Der zeitliche Ablauf der letzten Vergletscherung ist insbesondere im Südschwarzwald weitgehend unbekannt. In dieser Region sind bisher noch keine Landformen und Ablagerungen direkt altersbestimmt worden, die ehemalige Eisränder dokumentieren.
Das Ziel dieser Untersuchung besteht darin, diese Lücken mit einer umfassenden Rekonstruktion des zeitlichen Ablaufs der spätpleistozänen Vergletscherung im Südschwarzwald zu schließen und somit zu einem besseren Verständnis der Klimabedingungen während des Spätpleistozäns beizutragen.
Die Kartierung glazialer Landformen im Südschwarzwald konzentrierte sich insbesondere auf die Erfassung von Randmoränen, da diese die Lage ehemalige Eisränder anzeigen. Dafür wurde ein Höhenmodell mit einer räumlichen Auflösung von einem Meter und daraus abgeleitete Informationen (z.B. Höhenlinien) genutzt. Dieses Höhenmodell ist bisher noch nicht systematisch für die Inventarisierung von Vergletscherungsspuren genutzt worden. Während anschließender Feldbegehungen wurden die Ergebnisse der Kartierung bestätigt.
Die geomorphologische Kartierung zeigte, dass einige, in früheren Studien als Moränen klassifizierte Landformen nicht als solche interpretiert werden sollten, während andere Moränen in dieser Untersuchung das erste Mal beschrieben wurden. Die Zahl der daraus abgeleiteten Eisrandlagen fiel höher als in früheren Studien aus. Dies führt zum Schluss, dass die Gletscher im Südschwarzwald sehr dynamisch waren. Die Ergebnisse unterstreichen, dass sorgfältige geomorphologische Untersuchungen vor der Anwendung von Verfahren der Altersbestimmung zwingend erforderlich sind.
Oberflächenexpositionsdatierungen mittels des Isotops 10Be wurden (erstmals im Schwarzwald) an Blöcken auf Moränen in zwei ehemals vergletscherten Tälern nordwestlich der höchsten Erhebung des Südschwarzwaldes, Feldberg [1493 m ü. NHN (über Normalhöhennull)] durchgeführt, um den zeitlichen Ablauf der Vergletscherung zu rekonstruieren. Im Gelände war die Quantifizierung der Abschattung durch Topografie, das heißt die Berechnung von Abschattungsfaktoren, nicht an allen Probennahmestandorten möglich. Um die Alter für die Abschattung durch Topografie zu korrigieren, wurde eine bereits veröffentlichte Werkzeugbox für die ESRI® ArcGIS Software ausgewählt, die die Berechnung der Faktoren mittels eines Höhenmodells ermöglicht. Mit der Werkzeugbox berechnete Faktoren sind noch nicht mit einem umfassenden Datensatz an Faktoren aus Felddaten abgeglichen worden. Deshalb wurde eine Validierungsstudie durchgeführt. Dafür wurden Blöcke in drei Gebieten ausgewählt, das heißt im Südschwarzwald, im Vorfeld des Steingletschers und in den Écrins. Der Output der Werkzeugbox stimmte weitgehend mit den aus Felddaten abgeleiteten Faktoren überein. Die räumliche Auflösung des Höhenmodells hatte keinen wesentlichen Effekt auf die Übereinstimmung zwischen den unterschiedlich ermittelten Faktoren. Die Berechnung der Alter der Blöcke mit den Faktoren aus Felddaten und den mit der Werkzeugbox ermittelten Faktoren führte in den meisten Fällen zu keiner wesentlichen Änderung des Alters. Die Ergebnisse belegen, dass die Werkzeugbox einen nützlichen Ansatz für die Berechnung von Abschattungsfaktoren für die Altersberechnung darstellt.
In den beiden untersuchten Tälern war die Datierung des spätpleistozänen Vergletscherungsmaximums nicht möglich, da im ersten untersuchten Tal geeignete Blöcke für Altersbestimmungen fehlten und im zweiten Tal wahrscheinlich keine Spuren dieser Phase der Vergletscherung erhalten geblieben sind.

Vorläufige Alter von Erratika und Blöcken auf Moränen in einem Gebiet südöstlich des Feldbergs implizieren, dass der Gletscherrückzug vom spätpleistozänen Maximalstand spätestens vor 21 ka eingesetzt hatte. Diese Arbeitshypothese muss noch mit weiteren Altersbestimmungen überprüft werden. Die Alter der Moränen aus der Region nordöstlich des Feldbergs implizieren drei Perioden von Stillstandsphasen und Wiedervorstößen um 17-16 ka, 15-14 ka und um 13 ka. In den meisten Karen setzte der endgültige Gletscherrückzug vor spätestens 14 ka ein. Da dieses Alter ungefähr mit dem raschen Anstieg der Sommertemperaturen um 14,7 ka zusammenfällt, liegt die Vermutung nahe, dass es dieser Klimaumschwung war, der den Eisrückzug auslöste.
Es wurden Höhenmodelle von Gletscheroberflächen rekonstruiert, um Gleichgewichtslinien zu berechnen. Die Gleichgewichtslinie ist die Zone des Gletschers, an der sich – über das Jahr gerechnet – Ablation und Akkumulation entsprechen. Um 17-16 ka lag die Gleichgewichtslinie von Talgletschern zwischen 1140 und 1160 m ü. NHN. Während der späteren Phase der Karvergletscherung (um 15-14 ka) schwankte die Gleichgewichtslinie der Kargletscher zwischen 1150 und 1210 m ü. NHN. Es zeigte sich kein klarer räumlicher Trend. Für den letzten Kargletscher in einem der untersuchten Täler (um 13 ka) wurde eine Gleichgewichtslinie von etwa 1400 m ü. NHN rekonstruiert. Die berechnete Menge des jährlichen Niederschlags an der Gleichgewichtslinie (1400 m ü. NHN) betrug 3100 mm.
Dieser Wert widerspricht den wenigen verfügbaren Niederschlagsrekonstruktionen und resultiert wahrscheinlich aus einem starken Einfluss von Schneeverwehung und Lawinenabgängen auf die Gleichgewichtslinie des Gletschers. Die räumliche Variation der Gleichgewichtslinie vor 15-14 ka ist mutmaßlich auf die unterschiedliche Größe der Liefergebiete für Schneeverwehung und Lawinenabgänge zurückzuführen. Aufgrund des starken Einflusses dieser Faktoren war die Quantifizierung der jährlichen Niederschläge an der Gleichgewichtslinie noch nicht möglich. Dafür sind weitere Untersuchungen erforderlich, wozu auch die detaillierte Analyse der Auswirkungen der Abschattung durch Topografie auf die Lage der Gleichgewichtslinien gehört.
Die Kartierung glazialer Landformen und die Oberflächenexpositionsdatierung mittels des Isotops 10Be ermöglichte die bislang detaillierteste Rekonstruktion des zeitlichen Ablaufs der spätpleistozänen Vergletscherung des Südschwarzwaldes. Die Oberflächenexpositionsdatierung mithilfe von 10Be erlaubte es zum ersten Mal, eine unabhängige regionale Gletscherchronologie vorzuschlagen. Das hohe Potenzial für Klimarekonstruktionen rechtfertigt die weitere Untersuchung von spätpleistozänen Gletscherschwankungen in dieser Region. Zukünftige Studien sollten sich insbesondere auf die Altersbestimmung des letzten Vergletscherungsmaximums sowie auf die Gewinnung weiterer Informationen über das Klima während der Spätphase der letzten Kaltzeit konzentrieren

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• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2023

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Los negros ; Moräne ; Kosmogenes Radionuklid ; Gletscher ; Eiskappe ; Schneegrenze ; Glazialmorphologie ; Glazialgeologie ; Sedimentologie ; Lidar ; Fernerkundung ; Paläoklima ; Beryllium-10 ; Datierung ; Glaziallandschaft ; Gletscherrückzug

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2023
• Urheber: Hofmann, Felix Martin
• Beteiligte Personen und Organisationen: Preusser, Frank ; Kenkmann, Thomas ; Ivy Ochs, Susan ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Professur für Sedimentologie ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/241069
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2410690
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.