Authors:	Hempelmann, Nils Hannes
Title:	Aeolian geomorphodynamics in endorheic basins of the Mongolian Gobi Desert
Online publication date:	9-Nov-2010
Year of first publication:	2010
Language:	english
Abstract:	Die vorliegende Arbeit ist im Zuge des DFG Projektes Spätpleistozäne, holozäne und aktuelle Geomorphodynamik in abflusslosen Becken der Mongolischen Gobi´´ entstanden. Das Arbeitsgebiet befindet sich in der südlichen Mongolei im nördlichen Teil der Wüste Gobi. Neben einigen Teilen der Sahara (Heintzenberg, 2009), beispielsweise das Bodélé Becken des nördlichen Tschads (z.B. Washington et al., 2006a; Todd et al., 2006; Warren et al., 2007) wird Zentralasien als ein Hauptliefergebiet für Partikel in die globale Zirkulation der Atmosphäre gesehen (Goudie, 2009). Hauptaugenmerk liegt hierbei besonders auf den abflusslosen Becken und deren Sedimentablagerungen. Die, der Deflation ausgesetzten Flächen der Seebecken, sind hauptsächliche Quelle für Partikel die sich in Form von Staub respektive Sand ausbreiten. Im Hinblick auf geomorphologische Landschaftsentwicklung wurde der Zusammenhang von Beckensedimenten zu Hangdepositionen numerisch simuliert. Ein von Grunert and Lehmkuhl (2004) publiziertes Model, angelehnt an Ideen von Pye (1995) wird damit in Betracht gezogen. Die vorliegenden Untersuchungen modellieren Verbreitungsmechanismen auf regionaler Ebene ausgehend von einer größeren Anzahl an einzelnen punktuellen Standorten. Diese sind repräsentativ für die einzelnen geomorphologischen Systemglieder mit möglicherweise einer Beteiligung am Budget aeolischer Geomorphodynamik. Die Bodenbedeckung durch das charakteristische Steinpflaster der Gobi - Region, sowie unter anderem Korngrößenverteilungen der Oberflächensedimente wurden untersucht. Des Weiteren diente eine zehnjährige Zeitreihe (Jan 1998 bis Dez 2007) meteorologischer Daten als Grundlage zur Analyse der Bedingungen für äolische Geomorphodynamik. Die Daten stammen von 32 staatlichen mongolischen Wetterstationen aus der Region und Teile davon wurden für die Simulationen verwendet. Zusätzlich wurden atmosphärische Messungen zur Untersuchung der atmosphärischen Stabilität und ihrer tageszeitlichen Variabilität mit Mess-Drachenaufstiegen vorgenommen. Die Feldbefunde und auch die Ergebnisse der Laboruntersuchungen sowie der Datensatz meteorologischer Parameter dienten als Eingangsparameter für die Modellierungen. Emissionsraten der einzelnen Standorte und die Partikelverteilung im 3D Windfeld wurden modelliert um die Konvektivität der Beckensedimente und Hangdepositionen zu simulieren. Im Falle hoher mechanischer Turbulenz der bodennahen Luftschicht (mit einhergehender hoher Wind Reibungsgeschwindigkeit), wurde generell eine neutrale Stabilität festgestellt und die Simulationen von Partikelemission sowie deren Ausbreitung und Deposition unter neutraler Stabilitätsbedingung berechnet. Die Berechnung der Partikelemission wurde auf der Grundlage eines sehr vereinfachten missionsmodells in Anlehnung an bestehende Untersuchungen (Laurent et al., 2006; Darmenova et al., 2009; Shao and Dong, 2006; Alfaro, 2008) durchgeführt. Sowohl 3D Windfeldkalkulationen als auch unterschiedliche Ausbreitungsszenarien äolischer Sedimente wurden mit dem kommerziellen Programm LASAT® (Lagrange-Simulation von Aerosol-Transport) realisiert. Diesem liegt ein Langargischer Algorithmus zugrunde, mittels dessen die Verbreitung einzelner Partikel im Windfeld mit statistischer Wahrscheinlichkeit berechnet wird. Über Sedimentationsparameter kann damit ein Ausbreitungsmodell der Beckensedimente in Hinblick auf die Gebirgsfußflächen und - hänge generiert werden. Ein weiterer Teil der Untersuchungen beschäftigt sich mit der geochemischen Zusammensetzung der Oberflächensedimente. Diese Proxy sollte dazu dienen die simulierten Ausbreitungsrichtungen der Partikel aus unterschiedlichen Quellregionen nach zu verfolgen. Im Falle der Mongolischen Gobi zeigte sich eine weitestgehende Homogenität der Minerale und chemischen Elemente in den Sedimenten. Laser Bebohrungen einzelner Sandkörner zeigten nur sehr leichte Unterschiede in Abhängigkeit der Quellregionen. Die Spektren der Minerale und untersuchten Elemente deuten auf graitische Zusammensetzungen hin. Die, im Untersuchungsgebiet weit verbreiteten Alkali-Granite (Jahn et al., 2009) zeigten sich als hauptverantwortlich für die Sedimentproduktion im Untersuchungsgebiet. Neben diesen Mineral- und Elementbestimmungen wurde die Leichtmineralfraktion auf die Charakteristik des Quarzes hin untersucht. Dazu wurden Quarzgehalt, Kristallisation und das Elektronen-Spin-Resonanz Signal des E’1 - Centers in Sauerstoff Fehlstellungen des SiO2 Gitters bestimmt. Die Untersuchungen sind mit dem Methodenvorschlag von Sun et al. (2007) durchgeführt worden und sind prinzipiell gut geeignet um Herkunftsanalysenrndurchzuführen. Eine signifikante Zuordnung der einzelnen Quellgebiete ist jedoch auch in dieser Proxy nicht zu finden gewesen. The following thesis about actual aeolian geomorphodynamics in endorheic basins of the Mongolian Gobi desert was facilitated by the DGF Project "Late Holocene, Pleistocene and actual geomorphodynamics in endorheic basins of the Mongolian Gobi desert". The working area is situated in the south of Mongolia in the northern Gobi desert. Along with some Saharan sites (Heintzenberg, 2009), especially the Bodélé region in northern Chad (e.g. Washington et al., 2006a; Todd et al., 2006; Warren et al., 2007) Central Asia is assumed to be a very important source area for particle emission into the global atmospheric system (Goudie, 2009). Explicitly the endorheic basins with their temporary lakes are source areas for particle emission and particle dispersion of their sediments.rnThe vulnerable bare soil of the dried out lake sediments in the endorheic basins is the main contributor of particle emission and their dispersion. In a geomorphological context of landscape development and the connectivity of the basin sediments to the hill slope depositions, as published in Grunert and Lehmkuhl (2004) based on ideas of Pye (1995), are numerical modelled.rnThe following study attempts to model the dust dispersion on a regional scale (simulation site 200x150 km) based on punctual sampling sites. The sampling sites represent the distinct geomorphological system parts assumed to be contributing to aeolian geomorphodynamic. The surface covered by pavement, typical for the Gobi region, and their surface sediment, focusing on the grain size distribution, was investigated. Furthermore a 10 year time series (Jan 1998 to Dec 2007) of data of 32 Mongolian governmental weather stations was analyzed, with regards to the conditions of aeolian geomorphodynamics and parts of the data set used to perform the simulation. Additional atmospheric investigations focusing on the changing of atmospheric stability during night and day time with kite born measurements were done. The values of the field investigations and the laboratory analyses as well as the time series of the Mongolian governmental weather stations and the kite borne atmospheric investigations were used as input parameter for the simulations. Particle emission for the sampling sites and their dispersion in a 3D diagnostic wind field afterwards were performed to model connectivity of basin sediments to the hill slope deposits. In case of high mechanical turbulence in the atmospheric surface layer (i.e. high wind friction velocity (U*)) the atmospheric stability was determined as neutral in this period and particle emission and dispersion was calculated for this condition. The calculation of the dust production was performed in a simplified particle emission model following suggested models (Laurent et al., 2006; Darmenova et al., 2009; Shao and Dong, 2006; Alfaro, 2008). The 3D wind field calculation as well as the performed Lagrange simulation of aerosol transport was realized with the commercial programem LASATr. This program is based on the Lagrange algorithm and calculates the dispersion and deposition of single particles in a stochastic possibility. The study is showing different particle concentrations in the near ground air masses and their deposition rates depending on the grain size in a spatial distribution. A second part of this study is the investigation of the geochemical property of the distributed sediments of different sites in the area of interest. The geochemical properties should be used to track the simulated dispersion transects of particles in their spatial distribution. In case of the sediments the investigations show a relative homogeneity irrespective to different source areas or grain size fractions. Trace element investigations on single coarse sand grains with a laser application revealed only small variations depending on the different source regions. The mineral and elemental distribution pointing towards granite rock formations as being the sediment contributor. It was concluded that wide spread maphic and ultramaphic alkaline granitoides (Jahn et al., 2009) are basically responsible for the sediment production. Beside the element investigations the quartz characteristic of the light mineral fraction was investigated focusingrnon the amount of quartz, crystallization of the quartz crystal grid and the electron spin resonance signal of the E’1 -center in defect oxygen vacancies in the SiO2 grid. The investigation follows studies of Sun et al. (2007) to determine fingerprints of sediments based on these values. The relative homogeneity was also detectable in these proxies.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-992
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-24383
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	129 S.
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