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Radiocarbon microanalysis on ice impurities for dating of Alpine glaciers [Elektronische Ressource] / put forward by Barbara Luise May

160 pages
Dissertationsubmitted tothe Combined Faculties forthe Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencesput forward byDipl. Phys. Barbara Luise MayBorn in OchsenfurtOral examination: 02.12.2009Radiocarbon microanalysis on ice impuritiesfor dating of Alpine glaciersReferees: Prof. Dr. Werner Aeschbach HertigProf. Dr. Augusto ManginiAbstractThe main objective of this thesis is the deployment of radiometric dating on Alpine ice archives, where14conventional, stratigraphical dating techniques fail. To this end a C analysis of particulate and, ina novel attempt, also of dissolved organic carbon contained in the ice matrix is developed. Aimed atminimizing the required ice sample size, the designed ice processing line allows for handling of up to14700 g ice and is shown to involve blank levels small enough to ensure reliable C analyses down to amodern carbon fraction of f = 0.33 at a minimum sample mass of about 20μg carbon.mDeployment of the system at the high altitude drilling area Colle Gnifetti (Monte Rosa, 4 550 m.a.s.l.)and, in contrast, to an ice core at the low altitude Vadret dal Corvatsch ice cap (Upper Engadin,143 433 m.a.s.l.) reveals a quite significant C excess, not explained by any blank contribution and14in contrast to the expected age range.
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Dissertation
submitted to
the Combined Faculties for
the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
put forward by
Dipl. Phys. Barbara Luise May
Born in Ochsenfurt
Oral examination: 02.12.2009Radiocarbon microanalysis on ice impurities
for dating of Alpine glaciers
Referees: Prof. Dr. Werner Aeschbach Hertig
Prof. Dr. Augusto ManginiAbstract
The main objective of this thesis is the deployment of radiometric dating on Alpine ice archives, where
14conventional, stratigraphical dating techniques fail. To this end a C analysis of particulate and, in
a novel attempt, also of dissolved organic carbon contained in the ice matrix is developed. Aimed at
minimizing the required ice sample size, the designed ice processing line allows for handling of up to
14700 g ice and is shown to involve blank levels small enough to ensure reliable C analyses down to a
modern carbon fraction of f = 0.33 at a minimum sample mass of about 20μg carbon.m
Deployment of the system at the high altitude drilling area Colle Gnifetti (Monte Rosa, 4 550 m.a.s.l.)
and, in contrast, to an ice core at the low altitude Vadret dal Corvatsch ice cap (Upper Engadin,
143 433 m.a.s.l.) reveals a quite significant C excess, not explained by any blank contribution and
14in contrast to the expected age range. The hypothesis that in situ produced C mightute to the
14C content of dissolved organic carbon reveals strong short comings in applying this carbon fraction
for radiometric dating of glacier ice, but also the new possibility to infer past accumulation changes.
14The particulate fraction, mostly unaffected by excess C, allows to connect an upper age limit of
(7.5± 0.2) ka with the base of the Vadret dal Corvatsch, suggesting a minimal glacier extent during
that time. For the Colle Gnifetti drill sites a tentative upper age constrain indicates pre Holocene ice re
14mains in the basal layer, while an enhanced C profile in the dissolved organic carbon fraction at core
14bottom suggests a large in situ produced C contribution most likely as a result of low accumulation
during much colder periods.
Zusammenfassung
Ziel dieser Arbeit ist die Anwendung der Radiokarbon Datierungsmethode auf die Bereiche alpiner
Eisarchive, in denen konventionelle, stratigraphische Datierungstechniken versagen. Zu diesem Zweck
wird eine Methode entwickelt, um den in der Eismatrix enthaltenen partikulären, und zum ersten Mal
14auch den gelösten organischen Kohlenstoff für die C Analyse zu extrahieren. Mit der auf möglichst
kleine Eisprobenmengen ausgerichteten Extraktionsmethode können Eisproben bis zu 700 g aufbereitet
14werden. Es zeigt sich, dass der methodische Blank klein genug ist, um verlässliche C Messungen bis
zu einem modernen Kohlenstoffanteil von f = 0.33 an einer minimalen Probenmenge von etwa 20μgm
Kohlenstoff zu ermöglichen.
Die Methode wird auf Eisbohrkerne des hochalpinen Colle Gnifetti Gletschers (Monte Rosa,
4 550 m.a.s.l.) und zum Vergleich auf einen Eisbohrkern der tiefer gelegenen Vadret dal Corvatsch
Gletscherkappe (Oberengadin, 3 433 m.a.s.l.) angewendet. Dabei findet sich eine signifikante Menge
14an Exzess C, welche nicht durch Blankbeiträge erklärt werden kann und im Gegensatz zum erwar-
14 14teten Altersbereich steht. Die Hypothese, dass in situ produziertes C zum C Gehalt des gelösten
14organischen Kohlenstoffes beiträgt, erweist sich als starke Einschränkung für die Anwendung von C
in gelöstem organischen Kohlenstoff zur Datierung, bietet aber eine Möglichkeit auf Akkumulations
änderungen in der Vergangenheit zu schließen.
14Die partikuläre Fraktion des organischen Kohlenstoffs ist nahezu unberührt von diesem C Exzess
und ermöglicht somit die Bestimmung einer oberen Altersgrenze von (7.5± 0.2) ka für das Basaleis
des Vadret dal Corvatsch Kerns, welche einen minimalen Gletscherstand in dieser Zeit andeutet. Für
den Colle Gnifetti Gletscher konnte eine vorläufige festgelegt werden, welche Eis aus
14dem letzten Glazial andeutet. Ein Profil von überhöhten C Konzentrationen im gelösten organischen
Kohlenstoff des unteren Kernbereichs deutet auf eine große in situ Produktionsrate hin, welche höchst
wahrscheinlich auf eine sehr viel geringere Akkumulationsrate in kälteren Zeiten zurückzuführen ist.Contents
1 Introduction 1
2 Background 3
2.1 Basics of ice and glaciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Transformation processes of snow to ice . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Mass balance of mountain glaciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Ice and glacier dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Dating of Alpine ice cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.1 Identifying time horizons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3.2 Annual layer counting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.3 Radiometric dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3.4 Ice dynamic modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Radiocarbon in organic matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.1 Organic matter in ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.2 The radiocarbon cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Radiocarbon dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
143 Methodology of C analysis in glacial DOC and POC 21
3.1 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Concept of the extraction line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 CO degassing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
3.2.2 DOC oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.3 POC filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Final setup of the DOC and POC extraction system . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.1 Sample preparation line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.2 DOC - Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.3 POC - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Characterisation of sample preparation line . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.1 Carbon mass quantification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.2 DOC extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.3 POC filtration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
143.4.4 Overall analytical uncertainty of the C results . . . . . . . . . . . . 47
3.4.5 Testing the extraction system with real samples . . . . . . . . . . . . 47
3.5 Summary of the e system performance . . . . . . . . . . . . . . . . 54
– I –Contents
4 The investigated area - Two types of Alpine glaciers 57
4.1 Colle Gnifetti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.1 Glaciological and meteorological setting . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.2 The available ice cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.3 Previous dating attempts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2 Vadret dal Corvatsch (Piz Murtèl) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Glaciological and meteorological conditions . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.2 Previous studies on the ice composition and the glacier age . . . . . . 62
4.2.3 The VCL ice core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 The bottom part of the available ice cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
145 Presentation and discussion of ice core C data 67
5.1 Sample selection, blank correction and data presentation . . . . . . . . . . . 67
5.1.1 The data set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
145.1.2 Overview on the Vadret dal Corvatsch C data . . . . . . . . . . . . 73
145.1.3 Overview on the Colle Gnifetti C data . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Contamination of the ice cores during drilling, storage and sample preparation 77
145.2.1 Modern C contamination of the ice sample . . . . . . . . . . . . . 78
145.2.2 Influence of POC filtration on the DO C value . . . . . . . . . . . . 79
5.2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
145.3 Excess C in Alpine ice DOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.1 Incorporation of over modern organic matter . . . . . . . . . . . . . 82
145.3.2 In situ produced C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
146 Assessment and implications for C dating of Alpine glaciers 89
146.1 Vadret dal Corvatsch - C age constrain for a low level . . . . . . . . 89
146.1.1 Dating with DO C? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
14 146.1.2 Comparing DO C and PO C - Information on the organic source mix 90
146.1.3 Establishing an age depth relationship based on C . . . . . . . . . . 92
6.1.4 Summary on the Vadret dal Corvatsch chronology . . . . . . . . . . 97
146.2 Colle Gnifetti - Interpreting C ages in a high Alpine glacier . . . . . . . . . 98
14 146.2.1 Information gained from DO C and PO C . . . . . . . . . . . . . . 98
146.2.2 Comparing calibrated C ages with previous dating scenarios . . . . 100
146.2.3 Accumulation rate changes and in situ C . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2.4 Summary on the Colle Gnifetti results . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.3 The problem of bottom ice core ages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7 Conclusion and outlook 113
Appendix I
14A C definition III
– II –Contents
B DOC analysis systems VII
B.1 The DOCster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII
B.2 The WALTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
B.3 Schema of the extraction system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X
C Efficiency of POC filtration XI
D Tables of measured sample data XIII
– III –

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