Paraglacial sediment storage quantification in the Turtmann Valley, Swiss Alps

Abstract

Sediment flux plays a central role within evolution of land surfaces and Earth's biogeochemical system. Within sediment flux systems, the role of sediment storage is often the least understood part. This study analyses the spatial distribution of sediment storage and quantifies sediment volumes in the high Alpine Turtmann Valley, Swiss Alps. A detailed geomorphological mapping provided information on the distribution structure of storage landforms. Geophysical methods were used to derive sediment thickness of single landforms in one hanging valley that have been used to model the storage volume for different landform types in all hanging valleys. The remaining sediment stores were quantified using different, subsystem specific GIS approaches. <br /> A total sediment volume of 780 - 1,030 x 10⁶ m³ is stored in the Turtmann Valley. More than 70 % of the material is located in the hanging valleys, resulting from a de-coupling and closure of the hanging valley subsystem. Within the hanging valleys, moraine deposits store the greatest volumes (70%), while slope landforms cover the largest areas (> 50%). Thus, the spatial distribution of stores emerges from the system behaviour, process intensity and land surface structure of the hanging valleys. <br /> Average denudation rates for the Turtmann Valley vary between 0.9 and 1.25 mm a^-1, calculated for a time period of 10 ka. Single landform denudation rates vary from 0.2 – 3.1 mm a^-1 for talus slopes and cones to 0.1 – 1.8 mm a^-1 for active rock glaciers. These values lie within the ranges of comparable values for the Alps. <br /> The spatial pattern of landforms is used to infer a relative model of paraglacial landform evolution. A reworking of glacial deposits in the hanging valleys was accomplished mainly by glacier derived rock glaciers. Their distribution hints on three phases of paraglacial evolution since the End of the Pleistocene. Since most of today’s active rock glaciers are talus-derived, the reworking of paraglacial deposits is most probably completed and the paraglacial period in the hanging valleys of the Turtmann Valley is considered to be terminated.<br /> This study presents a method to quantify landform volumes in a meso-scale alpine catchment. For the first time volumes are quantified for different landform types. Thus, a gap is closed between previously performed small scale studies and large river catchment investigations that provide non differentiated sediment volumes. A comparison of denudation rates indicates that the quantified volumes lie within a realistic range of previous studies. Finally, the importance of rock glaciers in the paraglacial evolution of the valley and the sediment storage distribution stresses the role of periglacial processes in the sediment flux system of high alpine environments.

<strong> Quantifizierung paraglazialer Sedimentspeicher im Turtmanntal, Schweizer Alpen </strong> <br /> Im bio-geochemischen Kreislauf der Erde spielt der Sedimentfluss eine wichtige Rolle. Bei der Analyse von Sedimentfluss-Systemen ist jedoch die Rolle der Speicherung von Sediment oft die am wenigsten verstandene Komponente. In dieser Arbeit wird die räumliche Verbreitungsstruktur von Sedimentspeichern im hochalpinen Turtmanntal, Schweizer Alpen, analysiert und die Sedimentmenge quantifiziert. Basis für die räumliche Analyse der Formen ist eine detaillierte geomorphologische Karte und ein daraus resultierendes Formeninventar des Turtmanntals. Sedimentmächtigkeiten wurden lokal bestimmt mit Hilfe geophysikalischer Untergrundsondierungen. Dabei wurden Refraktionsseismik, 2-D Geoelektrik und Georadar in einem Hängetal angewandt. Die ermittelten Sedimentmächtigkeiten wurden interpoliert, um eine Abschätzung des Sedimentvolumens in dem Hängetal vorzunehmen. Die mittleren Mächtigkeiten der einzelnen Sedimentspeichertypen dieses Hängetales werden genutzt, um die Volumina derselben Speichertypen im Gesamttal zu quantifizieren. Zusätzlich werden verschiedene GIS-Methoden, angepasst auf die Subsysteme des Sedimentfluss-Systems Turtmanntal, zur Quantifizierung der Sedimentmenge benutzt. <br /> Insgesamt werden zwischen 780 und 1030 x 10⁶ m³ an Sediment im Turtmanntal gespeichert. Über 70 % davon lagern in den 13 Hängetälern, was sich durch die Entkopplung dieses Subsystems von den anderen Subsystemen und dem damit verbundenen verhinderten Austrag erklären lässt. Moränen speichern das größten Sedimentvolumen (60-75%). Die Hangspeichertypen bedecken die größten Flächen (> 50%) im Vergleich zu den anderen Speichertypen. Die Speichermengenverteilung ist Ausdruck der Subsystemkopplung, Prozessintensität und Reliefstruktur in den Hängetälern.<br /> Mittlere Denudationsraten schwanken zwischen 0.9 und 1.25 mm a^-1 für das gesamte System, bezogen auf einen Zeitraum von 10 ka. Für einzelne Prozesse konnten mittlere Denudationsraten auf Basis der Speichermenge berechnet werden. Für Sturzprozesse wurden Werte von 0,2 – 3.1 mm a^-1 auf Basis von Schutthalden ermittelt, aktive Blockgletscher zeigen Denudationsraten von 0.1 – 1.8 mm a^-1. Diese Werte liegen in vergleichbaren Bereich anderer Werte aus dem Alpenraum.<br /> Die Verbreitungsstruktur der Sedimentspeicher gibt Hinweise auf die räumliche und zeitliche Prozessaktivität und lässt sich heranziehen die Postglaziale Landschaftsentwicklung des Turtmanntals zu rekonstruieren. Die aus Moränenmaterial entstandenen Blockgletscher haben dabei die wichtigste Rolle in der paraglazialen Entwicklung der Hängetäler gespielt. Aus ihrer Verbreitung wird ein 3-phasiges Landschaftsentwicklungsmodell dieser Bereiche erstellt. Aktuell dominieren Prozesse, die nur noch nicht-glaziales Sediment speichern. Somit wird die paraglaziale Periode der Hängetäler als beendet angesehen. <br /> Diese Untersuchung liefert zum ersten Mal Sedimentspeichervolumina für einzelne Speichertypen im alpinen Bereich. Die untersuchte Region schließt eine Lücke zwischen den bisherigen kleinräumigen Studien in einzelnen Karen und Hängetälern und Studien, die in großen Flusseinzugsgebieten gearbeitet haben. Die berechneten Denudationsraten deuten an, dass die Methode der Speicherquantifizierung auf dieser Skale vergleichbare Ergebnisse mit bisherigen Studien produziert. Im Rahmen der paraglazialen Landschaftsentwicklung wurde mit dieser Studie zum ersten Mal die besondere Rolle der Blockgletscher für den alpinen Raum aufgezeigt.