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Geomorphological dating of scarps in temperate climate using a modified diffusion model [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mamke Oemisch

193 pages
Geomorphological Dating of Scarpsin Temperate Climate Using a Modifled Difiusion ModelDissertationzurErlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat.)derMathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult˜ atderRheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit˜ at Bonnvorgelegt vonMamke OemischausAschafienburgBonn 2004Angefertigt mit Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult˜ at der-Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit˜ at Bonn.1. Referent: Prof. Dr. St. Hergarten2.t: Prof. Dr. R. DikauTag der Promotion: 17. Dezember 2004Diese Dissertation ist auf dem Hochschulschriftenserver der ULB Bonn http://hss.ulb.uni-bonn.de/diss online elektronisch publiziert.AbstractGeomorphological dating of a certain landform or geomorphological structure is based onthe evolution of the landscape itself. In this context it is di–cult to use common abso-lute dating techniques because they require datable material which is often not available.Additionally, these methods do not always date the time since the formation of these struc-tures. For these reasons the application of geomorphological dating seems one possibilityto date certain geomorphological features.The aim of this study was to relate present-day shapes of terrace risers to their ages. Thetime span since scarp formation ceased is re ected by the stage of degradation along withthe rounding of the proflle edges due to erosive processes.
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Geomorphological Dating of Scarps
in Temperate Climate Using a Modifled Difiusion Model
Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades (Dr. rer. nat.)
der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult˜ at
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit˜ at Bonn
vorgelegt von
Mamke Oemisch
aus
Aschafienburg
Bonn 2004Angefertigt mit Genehmigung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult˜ at der-
Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit˜ at Bonn.
1. Referent: Prof. Dr. St. Hergarten
2.t: Prof. Dr. R. Dikau
Tag der Promotion: 17. Dezember 2004
Diese Dissertation ist auf dem Hochschulschriftenserver der ULB Bonn http://hss.ulb.uni-
bonn.de/diss online elektronisch publiziert.Abstract
Geomorphological dating of a certain landform or geomorphological structure is based on
the evolution of the landscape itself. In this context it is di–cult to use common abso-
lute dating techniques because they require datable material which is often not available.
Additionally, these methods do not always date the time since the formation of these struc-
tures. For these reasons the application of geomorphological dating seems one possibility
to date certain geomorphological features.
The aim of this study was to relate present-day shapes of terrace risers to their ages. The
time span since scarp formation ceased is re ected by the stage of degradation along with
the rounding of the proflle edges due to erosive processes. It is assumed that the average
rate of downslope soil movement depends on the local slope and can be described by a
difiusion equation. Furthermore, present-day scarps are often asymmetric and suggest
a higher difiusivity at the base than at the toe of a slope. The difiusion equation has
been modifled and a linear approach with increasing difiusivity in downslope direction is
suggested and assimilated in a model to obtain a better flt between observed and simulated
proflles.
In order to date the scarps, the model had to be calibrated. For this purpose, published
difiusivities taken from literature were used as well as estimated difiusivities by fltting
modelled proflles to observed ones of known age. Field data were collected in the area
around Bonn, Germany, and in Valais, Switzerland. In addition, proflles from literature
which have already been dated were digitized. For the general use of geomorphological
dating, a Java tool was developed where, e.g., difierent initial proflles and difiusivities
can be chosen. Results show a better match between simulated and observed proflles
in comparison to models using a constant difiusivity. But a reliable calibration of the
model flnally failed which brings up the question whether the difiusion equation and
the presented modiflcation are really an adequate description of the geomorphological
processes degrading a slope.
VZusammenfassung
Die geomorphologische Datierung einer bestimmten Gel˜ andeform oder geomorphologis-
chen Struktur basiert auf der Entwicklung der Landschaft selber. In diesem Zusammen-
hang ist es schwierig herk˜ ommliche Datierungsmethoden anzuwenden, da diese in der Regel
datierbares Material ben˜ otigen was oft nicht zur Verfugung˜ steht. Au…erdem datieren diese
Methoden nicht immer die vergangene Zeit seit Entstehung der Strukturen. Aus diesen
Grunden˜ scheint die Anwendung der geomorphologischen Datierung eine M˜ oglichkeit zu
sein, bestimmte geomorphologische Merkmale zu datieren.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die heutige Form von Gel˜ andekanten in Form von Terrassen-
stufen und deren Alter in Bezug zu setzen. Der Degradationsgrad sowie die Abrundung
der Profllober- und -unterkanten durch erosive Prozesse re ektieren dabei die Zeitspanne
seit Beendigung der Terrassenformation. Es wird weiterhin angenommen, dass die durch-
schnittliche Erosionsrate hangabw˜ arts von der lokalen Hangneigung abh˜ angt und somit
durch eine Difiusionsgleichung beschrieben werden kann. Au…erdem sind rezente Kan-
ten oft asymmetrisch und deuten eine h˜ ohere Difiusivit˜ at an der Unterkante als an der
Oberkante an. Die Difiusionsgleichung wurde modiflziert und ein linearer Ansatz mit
hangabw˜ arts zunehmender Difiusivit˜ at angenommen. Dieser wurde in ein Modell integri-
ert um eine bessere Anpassung zwischen naturlic˜ hen und simulierten Profllen zu erreichen.
Zur Datierung von Gel˜ andekanten musste das Model kalibriert werden. Dazu wurden
neben Daten aus der Literatur auch Difiusivit˜ aten abgesch˜ atzt indem simulierte Proflle
an naturlic˜ he Proflle bekannten Alters angepasst wurden. Felddaten wurden in Gebieten
rund um Bonn in Deutschland sowie im Wallis in der Schweiz erhoben. Zus˜ atzlich wurden
bereits datierte Proflle aus der Literatur digitalisiert. Zur einfacheren Handhabung dieser
Datierungsmethode wurde ein Java Tool entwickelt in dem z.B. das Initialprofll sowie die
˜Difiusivit˜ at ver˜ andert werden kann. Die Ergebnisse zeigen eine bessere Ubereinstimmung
von simulierten und naturlic˜ hen Profllen als bei der Anwendung von Modellen mit kon-
stanter Difiusivit˜ at. Aber eine verl˜ assliche Kalibrierung des Modells konnte letztendlich
nicht erreicht werden, so dass in Frage gestellt wird, ob die geomorphologischen Ero-
sionsprozesse wirklich ad˜ aquat durch die hier vorgestellte modiflzierte Difiusionsgleichung
beschrieben werden.
VIIContents
1 Introduction 1
1.1 What is geomorphological dating? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Other Dating Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 The slope system 7
2.1 Climate, erosion and topography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Slope material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Slope stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Slope formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Geomorphic processes on slopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.1 Mass movement processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.2 Wash processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6 Rates of denudation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.7 Slope form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Slope evolution models 25
3.1 Descriptive models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Dynamic models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 Dating technique 33
4.1 Introductory words . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 The difiusion equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3 Physical description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
IXContents
5 Previous work in geomorphological dating of scarps 43
5.1 Empirical approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 Analyticalhes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.3 Additional models and studies incorporating the difiusion equation . . . . . 57
6 Geomorphological dating model 63
6.1 What is new? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.2 Solution of the modifled difiusion equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3 Calibration of the model (choice of D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.4 Variation of initial slope angle fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.5 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.5.1 Numerical dating model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.5.2 Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7 Data base and fleld work 85
7.1 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.2 Surveyed scarps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.3 Digitized proflles from literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.4 Local climate record . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8 Results 105
8.1 Analysis of investigated slopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2 In uence and calibration of initial slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.3 of far-fleld slope and boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . 114
8.4 In uence of node spacing and time step width . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8.5 Calibration of the model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.6 Scarp modelling and age determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9 Discussion 129
9.1 Evaluation of the modifled difiusion-type dating model . . . . . . . . . . . . 129
9.1.1 Model behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
9.1.2 Age determination and improvement of flt . . . . . . . . . . . . . . . 130
9.1.3 Modelling of hillslope processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
9.2 Limitations of geomorphological dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
X

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