Evolution of and processes acting on inner continental shelf areas, resolved with hydroacoustic and sedimentological methods: Case studies from the Baltic Sea and the Andaman Sea

Feldens, Peter

Shallow seas are influenced by a magnitude of processes, acting on- and offshore. Therefore, most shallow sea areas have a unique appearance, preserving information both about their geologic history and processes acting on them. For this study, extensive hydroacoustic surveys, including side scan sonar, multibeam echo sounder, and reflection seismic, as well as sedimentological analysis were carried out in the Fehmarn Belt (SW Baltic Sea) and offshore Khao Lak (Andaman Sea, Thailand) between 2007 and 2011. The geologic evolution since the last glacial as well as recent sediment dynamics were investigated in Fehmarn Belt, while offshore impacts of the 2004 Indian Ocean Tsunami where evaluated off Khao Lak. The development of the Baltic Sea since the last glacial period was controlled by several regression and transgression events during the phases Baltic Ice Lake, Yoldia Sea, Ancylus Lake and Littorina Sea. Many details regarding the development of these stages are unsolved, one question being whether, and to what extent, the regression of the Ancylus Lake at 9,200 to 9,000 14C yr BP took place over the Darss Sill. Next to the general geological evolution of Fehmarn Belt since the last glacial, this study addresses the question whether a drowned river system in Fehmarn Belt (SW Baltic Sea) can be related to the drainage of the Ancylus Lake. The river channel is cut into glacial till in the western Fehmarn Belt, reaching an incision depth of up to 12 m at a base level of 40 m b.s.l. (below sea level). Its continuation towards west can be recognized in bathymetric data, while the channel is buried towards Mecklenburg Bay. According to seismic images, it is rapidly widening from several hundred meters to more than 1 kilometre and seems to fade towards east. Sediment thickness above the glacial till can exceed 30 m in the buried section of the channel. It is proposed that the channel was mainly shaped as part of a glacial meltwater system at a water level of 30 m b.s.l., although it was eventually incised subglacially. During the lowstand of the Baltic Ice Lake, local, shallow water bodies covered the study area and calm conditions prevailed. A previously reported westward directed drainage of a lake in the eastern Fehmarn Belt could be restricted to a time interval following the highstand of the Ancylus Lake, and prior to the Littorina transgression. Timing, water level and potential water discharge of this event suggest its connection to the partial drainage of the Ancylus Lake over the Darss Sill. Subsequently to the regression, cliffs and lake deposits point to a local water level between 24 to 26 m b.s.l. However, finding of a channel system filled with sediment deposited during the early Littorina Transgression might indicate a short phase with a water level down to 30 m b.s.l. With rising water level during the Littorina transgression, a large subaqueous dune field was formed in the central Fehmarn Belt. It is situated in water depths between 11 and 25 m, with an extension of about 8.1 km E – W and 1.8 km N - S. It consists of asymmetric dunes, indicating a W to E directed current, with crest heights of up to 2.5 m. The dunes are composed of allochthonous, well-sorted medium to coarse sand. Sand ribbons, connected to the subaqueous dune-field and protruding towards the southwest, are supposed to be sediment-conduits. Only minor movements of the field over the annual cycle could be observed, but comparisons with older maps show an increase in spatial extension over the course of decades. It is assumed that sediment movements in the subaqueous dune field occur mainly during west-storm conditions, when salt water infrequently intrudes from the North Sea into the Baltic Sea. The aim of the second case study was to resolve impact of the 2004 Indian Ocean Tsunami on offshore areas. The coastal area of Khao Lak (Thailand) was heavily damaged by the 2004 Indian Ocean tsunami. Meanwhile, its impact on offshore areas is mostly unknown, although offshore tsunami deposits were speculated to be widespread in the geological record. The 2004 tsunami offered the unique opportunity to catalogue its offshore effects from a well-recorded series of events. In Thailand, reported onshore tsunami deposits, containing marine sediments, as well as satellite images, showing large amounts of sediment transported offshore, indicate that the seafloor was impacted by tsunami run-up and backwash. Offshore Khao Lak, paleoreefs with associated boulder fields and sandy sediments dominate the inner continental shelf. Patches of fine-grained (silt to fine sand) sediments exist in water depths of less than 15 m. The sediment distribution pattern is stable between 2007 and 2010, apart from small shifts regarding the boundaries of the fine-grained sediment patches. In sediment cores and grab samples an event layer was documented, situated below a cover of modern sediments that is only a few cm thick. The event-layer can be securely traced down to 18 m water depth. It consists mostly of sand, including coral fragments, but contains compounds of terrigenous origin as well. It is interpreted as a 2004 Indian Ocean tsunami deposit, which was the last major event in the area. Beneath 18 m water depth, indications of potential tsunami influence on a system of sand ridges are found, including erosion of app. 1 m deep channels at the NW-flank of the sand ridges and the deposition of silty material sandwiched by sandy sediments. On wide areas of the study-site an impact of the tsunami is hardly identifiable by seafloor morphology or sediment distribution five year after the event, pointing towards a tsunami impact focussed to some areas and a rapid return of the seafloor to equilibrium conditions.

Flache Bereiche von Schelfmeeren werden von einer Vielzahl von Faktoren geformt. Ihr gegenwärtiges Erscheinungsbild ist daher meist einzigartig, und erhält Informationen über die geologische Geschichte sowie über einwirkende Prozesse. Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse umfangreicher hydroakustischer (Seitensichtsonar, Fächerecholot, seismische Messmethoden) und sedimentologischer Untersuchungen in zwei Arbeitsgebieten, gelegen im Fehmarn Belt (SW Ostsee, Deutschland) und seewärts von Khao Lak (Andaman See, Thailand). Die geologische Entwicklung seit dem letzten Glazial sowie die rezente Sedimentdynamik sind Schwerpunkte der Arbeit im Fehmarn Belt. Im Arbeitsgebiet vor Thailand liegt der Fokus auf der Identifikation von Sediment- und morphologischen Strukturen, die durch einen Tsunami, der am 26.12.2004 die Küsten entlang des Indischen Ozeans traf, entstanden sind. Die geologische Entwicklung im Bereich des Fehmarn Belt sowie der östlich anschließenden Mecklenburger Bucht wurde seit dem letzten Glazial durch starke Schwankungen des Wasserspiegels im Rahmen der Entwicklung der heutigen Ostsee durch die Phasen des Baltischen Eistausees, des Yoldia Meeres, des Ancylus Sees und der Littorina Meeres geprägt. Sowohl Fehmarn Belt als auch Mecklenburger Bucht sind vom Hauptteil des Ostseeraumes durch Schwellen isoliert, die einen Wassertausch unterhalb eines Niveaus von 24 Metern seit dem letzten Glazial verhindert haben. Im westlichen Fehmarn Belt ist ein ertrunkener Flusslauf bis zu 12 Meter tief in glaziale Ablagerungen eingeschnitten. Die heutige Basis des Flusslaufes liegt maximal 42 Meter unterhalb des Meeresspiegels. Die Fortsetzung des Flusslaufes nach Westen ist in bathymetrischen Karten deutlich erkennbar, wogegen er nach Osten, Richtung Mecklenburger Bucht, mit Sediment verfüllt ist. Anhand von seismischen Aufnahmen lässt sich zeigen, dass die Breite des verfüllten Flusslaufes von wenigen hundert Metern auf mehr als einen Kilometer im zentralen Teil des Fehmarn Belt zunimmt, und er dort auszulaufen scheint. Die Sedimentmächtigkeit über den glazialen Sedimenten im verfüllten Abschnitt des Flusslaufes beträgt maximal etwa 30 Meter. Der Flusslauf war Bestandteil eines glazialen Entwässerungssystems, mit einem Wasserstand von etwa 30 Metern unter dem heutigen Meeresspiegel. Auf Grund des auf kurzer Distanz stark wechselnden morphologischen Erscheinungsbildes lässt sich vermuten, dass der Flusslauf ursprünglich subglazial angelegt und später reaktiviert wurde. Während beider Tiefstände des Baltischen Eistausees war der westliche Fehmarn Belt Teil einer lokalen Seenlandschaft. Eine bereits beschriebene ausgeprägte Regression eines Sees im östlichen Fehmarn Belt konnte auf den Zeitraum zwischen dem Hochstand des Ancylus-Sees und dem Beginn der Littorina-Transgression eingegrenzt werden. Der Zeitraum, der Wasserstand nach der Regression sowie das berechnete Durchflussvolumen legen nahe, dass diese Regression kein lokales Ereignis war, sondern mit der partiellen Regression des Ancylus-Sees hinter der Darßer Schwelle in Verbindung stand. Fossile Kliffs und im lakustrinen Milieu abgelagerte Sedimente weisen auf einen Wasserstand zwischen 24 und 26 m unterhalb des heutigen Meeresspiegels im Anschluss an diese Regression hin, auch wenn ein kurzfristig niedrigerer Wasserstand um 30 m nicht ausgeschlossen werden kann. Während der anschließenden Littorina-Transgression bildete sich ein in Ost-West Richtung 8.1 km ausgedehntes Riesenrippelfeld zwischen 11 und 25 Meter Wassertiefe im zentralen Bereich des Fehmarn Belt. Die asymmetrischen Strömungsrippeln zeigen eine West-Ost gerichtete Strömung an und haben ein Kammhöhe von bis zu 2.5 Metern. Sie bestehen aus allochthonen Mittel- bis Grobsanden. Der Sedimenttransport in das Rippelfeld erfolgt vermutlich über Sandbänder, die aus dem Feld zu einer Abrasionplattform westlich von Fehmarn reichen. Während nur minimale Bewegung der Riesenrippeln über einen Jahreszyklus festzustellen waren, zeigt der Vergleich mit älteren Aufnahmen deutlich eine Ausdehnung des Feldes über den Zeitraum von Jahrzehnten. Die Bewegungen des Feldes hängen vermutlich mit unregelmäßig auftretenden Salzwassereinbrüchen aus der Nordsee in die Ostsee zusammen, die entlang der Südseite des Fehmarn Belt strömen. Vor den Küsten von Thailand lag der Schwerpunkt der Arbeit auf der Identifikation von Einwirkungen des Tsunami von 2004 auf den Flachwasserbereich. Die Küsten von Khao Lak gehörten dabei zu den am schwersten betroffenen Gebieten. Der Einfluss von Tsunami auf den Meeresboden ist allerdings weitgehend unverstanden, obwohl vermutet wurde, dass Paläo-Tsunamis in der geologischen Vergangenheit großen Einfluss auf Schelfbereiche hatten. Der Tsunami von 2004 ermöglichte es, dessen Auswirkungen auf den Meeresboden gezielt zu untersuchen. Marine Komponenten, die in Tsunamiablagerungen an Land gefunden wurden sowie Satellitenaufnahmen, die deutlich den seewärtigen Transport von Sediment zeigen, weisen auf einen Beeinflussung des Meeresbodens vor Thailand durch die auflaufende und ablaufende Tsunamiwelle hin. Der Meeresboden seewärts von Khao Lak wird durch eine ertrunkene Riffplattform und daran anschließende ausgedehnte Sandflächen geprägt. In lokal scharf abgegrenzten Gebieten findet sich feinkörnigeres, siltig bis maximal feinsandiges Sediment bis in eine Wassertiefe von 15 m. Die großräumige Sedimentverteilung war während des Untersuchungszeitraumes zwischen 2007 und 2010 stabil, allerdings wurden kleinräumige Verschiebungen der Sedimentgrenzen des siltig-feinsandigen Meeresbodens beobachtet. In verschiedenen Sedimentkernen und Greiferproben konnte eine Event-Lage nachgewiesen werden, die aus überwiegend sandigem Sediment besteht, terrigene Bestandteile enthält und von einer wenige Zentimeter mächtigen Sedimentschicht bedeckt ist, die nach 2004 abgelagert worden ist. Diese Event-Lage wird als Ablagerung des Tsunami von 2004 interpretiert und kann bis in eine Wassertiefe von 18 m nachgewiesen werden. In Wassertiefen unterhalb von 18 m finden sich Hinweise auf die Beeinflussung eines Sandrückensystem durch den Tsunami. Sowohl etwa 1 Meter tief erodierte Kanäle als auch Ablagerungen von überwiegend siltigem Material zwischen Sandlagen könnten auf den Tsunami von 2004 zurückzuführen sein; dies lässt sich mit den vorhandenen Daten allerdings nicht zweifelsfrei nachweisen. Über weite Teile des Untersuchungsgebietes lassen sich keine Sedimente oder morphologische Strukturen nachweisen, die auf den Tsunami von 2004 zurückzuführen sind. Dies deutet sowohl auf einen örtlich begrenzten Einfluss des Tsunami im Untersuchungsgebiet, als auch auf eine schnelle Regeneration des Meeresbodens nach einem Tsunami hin.

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Feldens, Peter: Evolution of and processes acting on inner continental shelf areas, resolved with hydroacoustic and sedimentological methods: Case studies from the Baltic Sea and the Andaman Sea. 2011.

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