Varventypen
Aquatische Varven wurden aus vielen Umgebungen in Seen und im Meer beschrieben, aber sie fallen alle in eine von drei Klassen (Zolitschka et al., 2015; Schimmelmann et al., 2016). Klastische Varven bestehen normalerweise aus Schichten aus feinem Schlick und tongroßem Sediment, das sich in Zeiten begrenzten Zuflusses von Wasser und Sediment aus der Suspension abgelagert hat, und Perioden verminderter Verteilungsprozesse im Wasserkörper. Grobe Schlick- und Sandschichten lagern sich als Reaktion auf reichlich Zufluss und kräftige Zirkulation im Wasserkörper ab (Abb. 2; Desloges und Gilbert, 1994; Lamoreux, 2000; Moore et al., 2001; Zolitschka, 1996). Gewöhnlich können diese Couplets in frischen Proben von nassem Sediment nicht unterschieden werden, aber beim Trocknen nehmen der Sand und der grobe Schlick einen hellen Ton an, während der hydrophile Ton feucht und dunkel bleibt. So werden klastische Varven bei sorgfältiger Aufmerksamkeit während des Trocknens leicht mit dem Auge unterschieden (Abb. 1A und B), und fotografische Aufzeichnungen eignen sich normalerweise am besten für die Analyse dicker Varven, während dünne Schnitte üblicherweise für submillimetergroße Varven verwendet werden.
Abb. 2. Dünnschnitte unter dem Mikroskop zeigen die Mikrotextur der verschiedenen Varventypen. Klastische Varven (links) vom Lake C2 (Arktisches Kanada) zeigen unter polarisiertem Licht helle Laminae mit grober minerogener Substanz, die durch Überschwemmungen im Sommer verursacht wurde, und dunklere feinkörnige Winterlamellen. Endogene Varven (Mitte) aus dem Lazduny-See (Polen) zeigen helle Schichten, die aus Calcit-Präzipitaten bestehen, die den Sommer darstellen, und organische Varven (rechts) aus dem Kallio-Kourujärvi-See (Finnland) zeigen eine Abfolge biogener Stoffe, die aus der autochthonen Produktion im Sommer stammen (helle Schichten) zu dunklen, feinen, gut abgebauten organischen Stoffen, die sich im Winter angesammelt haben.
(Links) Varvenbildportal http://pastglobalchanges.org/ini/end-aff/varves-wg/varves-image-library/3935-lake-c2 Referenz: Zolitschka, B. (1996). Jüngste Sedimentation in einem hohen arktischen See, nördliche Ellesmere Island, Kanada. Zeitschrift für Paläolimnologie 16, 169-186; (mitte) Varvenbildportal http://pastglobalchanges.org/ini/end-aff/varves-wg/varves-image-library/3934-lake-lazduny Tylmann, W., Müller, D., Kinder, M., Moska, P., Ohlendorf, C., Poręba, G., Zolitschka, B. (2013b). Mehrfachdatierung von Varvensedimenten aus dem Łazduny-See, Nordpolen: Auf dem Weg zu einer verbesserten Chronologie der letzten 150 Jahre. Quaternary Geochronology 15, 98-107; (rechts) Bild des Autors modifiziert von Saarni, S., Saarinen, T., Lensu, A. (2015). Organische lacustrine Sedimentwarven als Indikatoren für vergangene Niederschlagsänderungen: Ein 3.000-jähriger Klimabericht aus Zentral-Finlad. Zeitschrift für Paläolimnologie 53, 401-413.
Die Ablagerung von fein- und grobkörnigen Schichten in einer klastischen Varve wird durch Prozesse im Wasserkörper verstärkt. In Seen mit sedimentbeladenem Zufluss, Trübungsströmungen liefern effizient Sedimentausbrüche, die sich fast augenblicklich als abgestufte Schichten ablagern, und somit sind unterschiedliche Schichten mit jedem verbunden, oft täglich, Ereignis. Komplexe Varven bilden sich häufig auf diese Weise. Die schluffigen Sandschichten innerhalb der dunklen Wintertonschichten in Abb. 1B resultieren aus dem Eindringen intensiver Herbst- und Winterstürme vom Pazifik in die Berge. Die Schneeschmelze, die durch warmen Regen verstärkt wird, erzeugt große Überschwemmungen, die gröbere Sedimente in den See befördern, wo Trübungsströmungen sie effizient auf den Seeboden transportieren. Die feinkörnigen Plättchen werden durch Absetzen durch die Wassersäule abgelagert. Klastische Varven sind typisch für proglaziale und periglaziale Bedingungen in polaren und alpinen Regionen (Zolitschka et al., 2015) und kommen auch aus polaren Meeresumgebungen (z.B. Weddelsee; Weber et al., 2011).
Endogene Varven bilden sich als Folge der chemischen Ausfällung authigener Mineralien. Dazu gehören evaporitische endogene Mineralien, die sich unter ariden oder semiariden Bedingungen bilden (Abb. 1C; Prasad et al., 2004; Zolitschka, 2007). Starke Verdunstung erhöht den Salzgehalt und den pH-Wert, was zur Ausfällung bestimmter Mineralien führt, sobald die Löslichkeit überschritten wird. Solche Mineralien sind beispielsweise Aragonit, Gips und Halit. Endogene Varven kommen auch in den Seen in mittleren Breiten vor, wo sie sich durch die saisonale Ausfällung von Salzen, insbesondere Calciumcarbonat, aus einer übersättigten Lösung bilden, die im Sommer bei hohen Wassertemperaturen oder bei hoher Kohlendioxidaufnahme durch die aquatische Vegetation entsteht (Abb. 1D; Tylmann et al., 2013b; Brauer et al., 2008b). Grobes partikuläres Carbonat setzt sich normalerweise durch die Wassersäule ab und wird so schnell vergraben, dass sich das meiste nicht im untergesättigten Kaltwasser tief in diesen Seen wieder auflöst. Im Winter ist der gesamte See so kalt, dass kein Karbonat ausfällt, und selbst eine kleine Menge terrigenes Sediment erzeugt eine charakteristische Lamina, um eine Varve zu bilden (Abb. 2).
Biogene Varven bilden sich als Folge eines saisonalen Zyklus biogener Produktion und Ablagerung, die von Land (z. B. Pollen, Pflanzenresten, Humin- und Fulvosäuren) stammen oder aus dem Wasserkörper selbst stammen, wie z. B. Blüten von Kieselalgen oder anderen Wasserorganismen (Baier et al., 2004; Chu et al., 2008; Nakagawa und Suigetsu 2006 Projektmitglieder, 2014; Saarni et al., 2015). Der biogene Varventyp kommt in Meeresumgebungen und in Seen vor, wo auf die Ablagerung von Kieselalgenfrusteln nach Frühlingsblüten die Ablagerung von gut abgebautem Pflanzenrestrit, minerogenen Bestandteilen und häufig Metallsulfiden folgt (Abb. 1E und 2; Saarni et al., 2015; Schimmelmann et al., 2016; Zolitschka et al., 2015). Biogene Varven bilden sich in Becken mit anoxischem Bodenwasser, das die Bildung eines Benthos verhindert, der die Varven bioturbieren und zerstören würde, wenn sie sich bilden. Anoxie verlangsamt auch den Zerfall von organischem Kohlenstoff, der in einigen biogenen Varven die charakteristische Lamina bilden kann. Lacustrine biogene Varven kommen typischerweise unter gemäßigten klimatischen Bedingungen vor (Zolitschka et al., 2015), obwohl nur wenige biogene Varvenaufzeichnungen aus Boreal gemeldet werden (Saarni et al., 2015; Støren und Dahl, 2012) und auch arktische Bedingungen (Chutko und Lamoreux, 2009). In der Meeresumwelt kommen biogene Varven vielfältiger von hohen zu niedrigen Breiten vor, wobei Kieselalgen einer der Hauptbestandteile sind (Schimmelmann et al., 2016).
Gemischte Varven bestehen aus mindestens zwei Komponenten der vorherigen drei Varventypen (Abb. 1F und G). Klimatische und geologische Gegebenheiten führen zu saisonalen Veränderungen des verfügbaren Materials, die zu einer Abfolge unterschiedlicher Sedimentzusammensetzung führen, und so treten drei zuvor beschriebene Varventypen selten als reine Endglieder, sondern häufig als gemischte Varven auf. In der borealen Zone mit schneereichen Wintern und warmen Sommern werden die klastischen Laminae durch episodisches Schmelzen von Schnee verursacht (Ojala et al., 2013; Saarni et al., 2016), während in niedrigeren Breiten minerogene Laminae oft als Folge der Regenzeit existieren (Hughen et al., 1996) oder saisonales Auftreten äolischer Aktivität wie Passatwinde (Chu et al., 2009). Die biogene Komponente wird während der Algenblüte und der Vegetationsperiode als Folge der autochthonen und allochthonen Produktion akkumuliert. In gemäßigtem Klima können sich biogene Varven mit endogener minerogener Komponente als Folge der Sättigung von Calcit bilden, das aus dem Einzugsgebiet stammt. Eine große Vielfalt gemischter Varven kommt häufig aus marinen und lakustrinen Umgebungen vor (Schimmelmann et al., 2016; Zolitschka et al., 2015).
Biogene und endogene Prozesse bilden eher einfache Varven, da sie häufig nur einmal pro Jahr auftreten, während Prozesse, die mit der Ablagerung von klastischem Sediment verbunden sind, oft von kürzerer Dauer und höherer Häufigkeit sind. Aufgrund komplexerer Bedingungen in der Meeresumwelt können marine Varven aus einer variableren Abfolge mit mehreren saisonalen Laminae bestehen (Schimmelmann et al., 2016). Die Varvendicke variiert stark in Abhängigkeit von der sedimentären Umgebung. Die mittlere Varvendicke liegt im Allgemeinen in einer Skala von wenigen Millimetern pro Jahr, die in beiden Fällen von weniger als einem Millimeter pro Jahr bis zu Zentimetern pro Jahr variiert (Schimmelmann et al., 2016) und lacustrine Environments (Ojala et al., 2012). Die Bilder von mehr als 50 verschiedenen Varvenaufzeichnungen aus marinen und lakustrinen Umgebungen aus aller Welt sind auf dem Varvenbildportal http://pastglobalchanges.org/ini/end-aff/varves-wg/varves-image-library (Zolitschka, 2018b) verfügbar.