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Lake Lisan and the Dead Sea: Their Level Changes and the Geomorphology of their Terraces

Abu Ghazleh, Shahrazad :
Lake Lisan and the Dead Sea: Their Level Changes and the Geomorphology of their Terraces.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Lake Lisan and the Dead Sea: Their Level Changes and the Geomorphology of their Terraces
Language: English
Abstract:

Changes in the level of closed lakes such as the glacial Lake Lisan/Near East, that occupied the Jordan Rift Valley between 80 to 15 ka BP, reflect climatic changes in evaporation and precipitation patterns. However, in an actively subsiding basin such as the Dead Sea (water level today is at -423 m relative to mean sea level), tectonic activity could also contribute to lake level recession. The retreat of Lake Lisan left behind a sequence of shoreline terraces and deposits of aragonite and gypsum. The ability to determine shore line elevations and to date them offers an excellent possibility to evaluate hydrologic changes, paleoclimatic conditions and tectonic activity of the lake basin during the Last Glacial. By the end of the Pleistocene, Lake Lisan receded sharply and was followed by the current Dead Sea at ~10 ka BP. Both lakes experienced several rises and regressions due to climatic change. However, the most recent lowering of the Dead Sea level since the beginning of the twentieth century of more than 30 m is mainly due to the impact of upstream freshwater diversion together with mineral extraction by the salt industry in the southern Dead Sea basin. This recent level drop left behind a unique landscape of shore line terraces, allowing investigation of the recent lake regression in detail. Therefore the dissertation aims at (1) examining the most recent changes in the Dead Sea level and shore morphology and developing a terrain model of the Dead Sea Rift Valley that allows calculating the area and volume losses of the lake for the various stages of its recession. (2) investigating geomorphological characteristics of Lake Lisan erosional terraces along the eastern side of the Dead Sea (e.g., elevation, gradient, width, length, etc.) and dating them. This investigation will help to reconstruct the lake level history and correlate the level changes with paleoclimatic conditions. Moreover, it should give additional water level data and rates of level retreat for Lake Lisan; and (3) investigating geochemical and mineralogical characteristics of the terrace stromatolites (AAS and XRD) and analyzing their stable isotope composition. This should provide indicators on the lake levels and on the lake water chemistry as well as on paleoenvironmental and paleoclimatic conditions. The main results of this study are as follow: (1) Well-correlated and dated profiles of the modern shoreline terraces of the Dead Sea are presented for the first time. The timing and amplitude of the lake level change recorded in these terraces forms an analogue to past level changes of the paleo-Dead Sea and even to level changes of other lakes. (2) A terrain model of the Dead Sea Rift Valley was developed based on SRTM data that served as a tool to calculate the volume and area functions versus altitude of the Dead Sea. The model was further used in macro-engineering implications to calculate the water input requirements of the rapidly shrinking Dead Sea and therefore the capacity of the projected Dead Sea-Red Sea Canal. The water volume loss calculated by this study (0.47 km³/a) and the ground water inflow to the Dead Sea (ca. 0.5 km³/a) suggest that the RSDS should has a capacity of ~1 km³/a in order to stop the lake level drop. However, ca. 1.3 km³/a is required in order to fill the lake back to levels as of 30 years ago. (3) The morphological and chronological evidence presented in this study allowed generating a high resolution curve of the lake level for MIS 2 (32-10 ka BP). It can now be assumed with certainty that the lake stood as high as -150 m, removing the doubt on the highest stand found along the western coast. However, this is not the highest stand of the lake during MIS 2, much higher terraces up to -137 m were identified in the field and dated between 30 and 32 ka BP. (4) Discovery of high-level terraces of Lake Lisan > -137 m and up to 0 m along the eastern escarpment and dating of their stromatolites revealed the time and the exact elevation of the highest lake stand. This also clarified the previous doubt on the paleoenvironment conditions of the early stage of Lake Lisan as well as on the transition period from Lake Samra to Lake Lisan. The newly discovered maximal level is 150 m higher than previously reconstructed and occurred at the beginning of the last glacial period (79-76 ka BP). This allowed presenting a new curve of the lake level during the last glacial period, including new fixes on past lake level elevations as well as on the chronology of the regression and transgression cycles. (5) The new curve allows correlating the lake level with global climatic records: transgressions occurred during the warm MIS 5 and 3, while regressions occurred during the cold MIS 4, 2, and the cold Heinrich events 6, 5, 4, 3 and 2. This demonstrates a strong linkage between the paleoclimate of the Jordan valley and monsoon-affected North Africa rather than that with Europe and the North Atlantic. X-ray analysis, Mg/Ca ratios and isotope analyses of the stromatolites correlate well with transgression-regression phases of the lake. Dominance of calcite in stromatolites at -76 to 0 m and low isotope values in addition to inferred low Mg/Ca ratios of the lake water (i.e. ~2) imply a high fresh water input of the lake during the period of the highest stands. A high Mg/Ca ratio of the lake water of > 7 inferred from stromatolites at -350 m and the existence of aragonite as the sole mineral in this sample reflect low fresh water input and high evaporation rates of the lake during its regression to this low level. Low Mg/Ca ratios and low stable isotope values of stromatolites at -247 to -101 m in addition to the existence of calcite as a main mineral phase indicate wet climatic conditions that caused a lake transgression during MIS 3. The appearance of more aragonite in stromatolites at -137 to -154 m inferring a change to high Mg/Ca ratios and high stable isotope values points to a return to dry climatic conditions that caused a regression of Lake Lisan during MIS 2 between 32 and 22 ka BP.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Spiegelschwankungen geschlossener Seen, wie z.B. des Lisan Sees im Nahen Osten (80-15 ka BP ), sind Ausdruck der klimatischen Veränderungen von Evaporations- und Präzipitationsmustern. Zusätzlich könnten sich in einem pull-apart-Becken, wie dem Toten Meer, tektonische Aktivität auf den Wasserspiegel (heute bei -423 m in Bezug zum mittleren Meeresspiegel) auswirken. Der Rückgang des Lisan Sees hat sowohl mächtige Sedimentablagerungen als auch Serien von Uferterrassen hinterlassen. Die Höhenbestimmung dieser Terrassen und ihre Datierung ermöglichen die Rekonstruktion des Seespiegls und gibt Informationen über Klimawechsel und tektonische Aktivitäten während des letzten Glazials. Gegen Ende des Pleistozäns ging der Lisan See stark zurück und wurde vor etwa 10000 Jahren durch den heutigen Wasserkörper, das Tote Meer, ersetzt. Beide Seen erlebten mehrfach Trans- und Regressionen auf Grund von klimatischen Änderungen. Allerdings ist die heute zu beobachtenden Regression des Toten Meeres, die seit Beginn des 20. Jahrhunderts bereits mehr als 30 m beträgt, hauptsächlich auf die Frischwasserentnahme in den Oberläufen des Jordans und auf die Entnahme von Seewasser durch die Salzindustrie im Südteil des Toten Meer Beckens zurückzuführen. Dieser rezente Seespiegelrückgang hat ebenfalls eine einmalige Serie von Uferterrassen hinterlassen, an der man die jetzige anthropogen verursachte Regression im Detail untersuchen kann. Diese Dissertation beschäftigt sich daher (1) mit den jüngsten Änderungen des Spiegels des Toten Meeres und dessen Ufermorphologie. Ein aus SRTM-Daten entwickeltes Geländemodell des Grabenbruches erlaubt die Ableitung von Flächen- und Volumenverlusten der verschiedenen Stadien der Regression des Sees; (2) mit der Untersuchung der Geomorphologie der Erosions-Terrassen des Lisan Sees (i.e., ihrer absoluten Höhe, ihrer Gradienten, und deren Breiten und Ausdehnung etc.) entlang des östlichen Ufers des Toten Meeres und deren Datierung. Dies dient der Rekonstruktion der Geschichte des Seespiegels und der paläoklimatischen Bedingungen; sowie (3) mit den geochemischen und mineralogischen Eigenschaften der Stromatolithe auf den Terrassen (durch AAS und XRD) und deren Signatur der stabilen Isotope. Dies soll weitere Indikatoren für die Rekonstruktion der Seespiegel- und geochemischen Geschichte wie auch für die Rekonstruktion der Paläoumwelt und des Paläoklimas geben. Die Untersuchungen haben fünf Hauptergebnisse erbracht: (1)Die neu-gebildeten Terrassen des jetzigen Toten Meeres (die z.T. nur einen einjährigen Seespiegelstillstand repräsentieren) konnten zum ersten Mal in ihrer Höhe eingemessen und zwischen den verschiedenen Delta-Schuttkörpern korreliert werden. Durch Korrelation mit der gemessenen Spiegelkurve (Hydrological Survey of Israel) wurden sie datiert und so die Zeiten ihrer Entstehung rekonstruiert (Abu Ghazleh et al., 2009a; Abu Ghazleh et al., 2010; 2011, Chapter 2). Morphologie und Bildungsgeschwindigkeit liefern interessante Analogien zu den älteren Terrassen des Lisan Sees und zu anderen Seen im Generellen. (2) Die Ermittlung der Volumens- und Flächenänderung als Funktion der Höhe des Gesamtbeckens aus SRTM Daten erlaubt die Berechnung der Wasserbilanz: Der mittlere Volumenverlust des Toten Meeres für die letzten 14 Jahre beträgt 0,47 km3/a. Da der Seespiegelrückgang durch seitlichen Zufluss von Grundwasser von ca. 0,5 km3/a gedämpft wird, müsste ein Kanal vom Roten Meer die Kapazität von ca. 1 km3/a haben, um den Seespiegel zu stabilisieren und von mindestens 1,3 km3/a, um den See auf eine „Betriebshöhe“ von ca. -400 m langfristig wieder aufzufüllen (Abu Ghazleh et al., 2010, 2011). Wenn auch die leer gelaufenen Grundwasserkörper wieder aufgefüllt wurden, kann langfristig ca. 1 km3/a Wasser zugeführt und zur Energiegewinnung genutzt werden. Ein im Prinzip wirklich nachhaltiges System, denn das zugeführte Wasser verdunstet und das zugeführte Salz ersetzt das durch die Salz-gewinnung im Südteil des Toten Meeres entzogene Salz. (3) Die morphologischen Parameter der im Südosten des Toten Meeres befindlichen Terrassen-Serien konnten an mehreren Profilen zum ersten Mal exakt vermessen und ihre Höhen mit einander korreliert werden (Abu Ghazleh & Kempe, 2009; Chapter 3). Damit konnte der auf der Westseite schlecht dokumentierte glaziale Hochstand von ca. -150 m bestätigt und über stromatolithische Krusten genauer datiert werden. Aber auch dies ist nicht der Höchststand im MIS 2, sondern es wurden weitere Terrassen bis auf die Höhe von -137 m entdeckt und auf 32 und 30 ka BP datiert, die anzeigen, dass der See wenigstens kurzeitig diese Marke erreicht hat. Eine zementierte Schotter-Terrasse auf -148 m, die in einer Erosionsnische erhalten ist und das Vorkommen von Stromatolithen zeigen an, dass der See hoch CaCO3-übersättigt war, d.h. das Wasser war vermutlich höher alkalisch als im heutigen See. (4) Erstmalig wurden deutliche Terrassen eines noch viel höheren Seestandes im Tayan Valley bis ca. 0 m nachgewiesen (Chapter 4). Auch diese Terrassen konnten an stromatolithischen Krusten erfolgreich U/Th-datiert werden. Sie gehören zur Frühphase des Lisan Sees um 79-76 ka BP und in den Übergang vom Samra Lake. Damit konnten neue Fixpunkte für die Seespiegelentwicklung gefunden werden und eine neue Kurve des Paläoseespiegels erzeugt werden. (5) Diese neue Seespiegelkurve erlaubt auch die Korrelation mit globalen Klimakurven: Während der warmen MIS 5 und 3 transgredierte der See, während die kälteren Abschnitte MIS 4 und 2 und die kalten Heinrich-Events 6, 5, 4, 3 und 2 mit Regressionen korrelieren. Dies zeigt die paläoklimatische Verbindung des Jordan Tales mit dem Monsun-geprägten Nord-Afrika und nicht so sehr mit dem Klima Europas und des Nord-Atlantiks. Die mineralogische Analyse und das Mg/Ca Verhältnis der Stromatolithe korrelieren ebenfalls sehr gut mit Transgression-Regression Phasen des Sees. Die Dominanz von Calcit in den Stromatolithen von -76 bis 0 m und die abgeleiteten niedrigen Mg/Ca Verhältnisse des Seewassers (i.e. ~2) implizieren einen hohen Frischwasserzufluss in den See während seines höchsten Standes. Ein hohes Mg/Ca Verhältnis des Seewassers von >7, abgeleitet aus der Analyse der Stromatolithen bei -350 m und Aragonit als einzige Mineral in dieser Probe, lässt auf einen geringen Frischwasserzufluss und hohe Evaporationsraten während der Regression schließen. Das abgeleitete niedrige Mg/Ca Verhältnis von Stromatolithen von -247 bis -101 m und die Existenz von Calcit als die Hauptmineralphase zeigen feuchte Klimabedingungen und eine Transgression auf über -137 m während des MIS 3 an. Höhere Aragonitgehalte in den Stromatolithen von -137 bis -154 m zeigt die Rückkehr zu trockeneren klimatischen Bedingungen und eine Regression des Lisan Sees zwischen 32 bis 22 ka BP (MIS 2) an.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Geowissenschaften > Allgemeine Geologie & Stoffkreisläufe
Date Deposited: 26 May 2011 10:39
Last Modified: 07 Dec 2012 12:00
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-26068
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Kempe, Prof. Dr. Stephan and Hoppe, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 9 February 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2606
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