Sedimentological and chronological aspects of the Younger Dryas : Holocene transition record in southern Finland and northern Baltic

In this study, different types of sediments deposited in the Baltic Sea Basin in Southern Finland and the Gulf of Finland before and after the Baltic Ice Lake (BIL) drainage were examined. The aim was to gain a better understanding of changes in sedimentation in offshore, shallow water and onshore beach environments, to provide an independent age control for the drainage event, and to test the applicability of dendrochronological cross-correlation methods to varve clay data. The study consisted of acoustic sounding data from offshore, one offshore marine sediment core, six outcrops related to the BIL/Yoldia Sea transition sediments, and a digitized version of original varve measurements by Sauramo. In the Baltic basin area, the drainage of the BIL occurred close to end of the Younger Dryas cold event. This sudden 25 28 m fall in water level had originally been chosen as the zero datum for the Finnish varve clay chronology, but the "key horizon" concept was not developed further and its chronostratigraphical connection and importance remain unclear. Since the early 20th century annually laminated, or varved, sediments have been used succesfully in constructing Late Pleistocene - Holocene ice retreat chronologies and in dating ice marginal formations. This also applies to Finland. Correlating varve chronologies across the Salpausselkä zone is difficult, due to slow ice retreat rates and ice front oscillations during the Younger Dryas period. Therefore, the older part of the chronology, which pre-dates the drainage event, is only loosely connected to Holocene varve series. In offshore environment (water depth > 40 m), the falling water level triggered debris flows, which eroded and redeposited older, varved sediments creating a distinct deformation unit. In the northern Baltic proper and Gulf of Finland, up to 4 m thick, discontinuous deposits of homogeneous clay bearing traces of rotational slump and deformation were deposited. In Jokela, where the original zero varve was first described by Sauramo (1923), a homogeneous clay unit containing deformed sandy pods and layers was observed. This unit corresponds to a zero varve which was formed as a consequence of a sudden water level drop in the BIL. In shallow water environment (water depth PIENEMPI 40 m), deposition of varved sediments ceased and, as a result of rapid regression, shore processes started to operate, during which progressive marine terraces were formed. The first signs of saline incursion into southern Finnish area were ca 100 varve years after the BIL drainage. On newly emerged land, exposed sediments were prone to wind erosion. The occurrence of massive cover sands, "Lammi loess", in the Second Salpausselkä area has traditionally been attributed to rapid dust-storm type of deposition. However, there are also indications of non-aeolian origin of these deposits. Morphologically well-defined coastal terraces are related to the oldest Yoldia Sea level (YI), which was developed after the BIL drainage. One of these terraces within the First Salpausselkä zone was dated by optically stimulated luminescence (OSL) method. This is the first direct YI-level date in Finland and it yielded ages of 11 200 11 400 ± 2 700 years. The finding highlights the potential of shore terraces in verifying Lateglacial early Holocene varve chronology in Finland. Another approach to strengthen the deglaciation chronology could be applying to clay varve data the statistical methods used in dendrochronology.This approach separates the local variation within sedimentary basin from the climatic signal, and enables varve correlations over longer distances. The main findings can be summarized as following: -The BIL drainage was a basin-wide sedimentological event, leading to the deposition of a distinct drainage varve facies expressed in the annually laminated glaciolacustrine sediment as a debris-flow unit and in the shallow water sediment as the change into non-annual deposition rhythm. -After the BIL drainage, freshwater conditions prevailed in the early Yoldia sea phase for at least ca 100 200 years. -The first OSL-dating of oldest Yoldia Sea terrace (YI) in Finland gave ages of 11 200 and 11 400 ± 2 700 years. This gives also a minimum age to the BIL drainage. -Although drainage facies makes a good stratigraphic marker horizon, the erosion and redeposition related to drainage event combined with a possible hiatus in sedimentation make drainage varve facies problematic as a chronostratigraphic clay varve key horizon.Työssä tutkittiin sedimenttejä, jotka ovat kerrostuneet Itämeren altaaseen Etelä-Suomen ja Suomenlahden alueella Baltian jääjärven muuttuessa Yoldiamereksi noin 11 600 vuotta sitten. Tuolloin Skandinavian mannerjäätikkö peitti vielä suuria maa-alueita: jäätikön reuna oli Suomen alueella Toisen Salpausselän kohdalla. Baltian jääjärvi peitti lukuun ottamatta korkeimpia huippuja lähes kaiken jään alta paljastuneen maan, ennen kuin jääjärvestä avautui yhteys valtamereen Billingenin alueella Ruotsissa. Näin jääjärven pinta laski 25 28 m muutaman vuoden aikana, kunnes vakiintui senhetkisen valtameren pinnan tasoon. Tämä paljasti uusia maa-alueita veden alta ja myös mahdollisti satunnaisten suolapulssien tulon Itämeren altaan keskiosiin. Jotkut suolapulsseista päätyivät Suomen rannikolle saakka. Baltian jääjärven pinnan lasku liittyy ajallisesti kylmän ilmastovaiheen, Nuoremman Dryaksen, loppumiseen ja lämpimän jakson, Holoseenin, alkuun. Etelä-Suomen ja Suomenlahden alueella Baltian jääjärvivaihetta ja Yoldiameren alkua luonnehtivat niinsanotut lustosavet, joissa muutokset mineraaliaineksen raekoossa kuvastavat vuodenaikojen vaihtelua. Vertaamalla raekoon muutoksia eri alueilla toisiinsa voidaan saada selville jopa vuoden tarkkuudella, kuinka kauan jään reunalla on kestänyt vetäytyä paikasta toiseen. Tähän Gerard De Geerin Ruotsissa 1900-luvun alussa kehittämään metodiin ja Matti Sauramon laajaan kenttätyöhön perustuu suurelta osin käsitys viimeisimmän jääkauden loppuvaiheista Etelä-Suomen alueella. Sauramon lustosavikronologian nollavuotena on pidetty juuri edellä mainittua Baltian jääjärven purkautumista, joka näkyy epätavallisen paksuna vuosikerrostumana. Työn tavoitteena oli ymmärtää veden pinnan laskun aiheuttamia muutoksia altaan kerrostumisolosuhteissa sekä saada lustosavikronologiasta riippumaton ikä erityyppisille pinnanlaskuun liittyville sedimenttimuodostumille optisesti stimuloidulla luminesenssimenetelmällä (OSL). OSL perustuu sedimenttirakeiden "nollautumiseen" auringonvalossa. Mittaamalla rakeista kuumennettaessa vapautuvan signaalin voimakkuus voidaan arvioida milloin rae on viimeksi altistunut auringon säteilylle ennen kerrostumistaan eli hautautumistaan. Lisäksi Sauramon lustokronologiaan haluttiin kokeilla puulustotutkimuksessa rutiininomaisesti käytettyjä tilastollisia menetelmiä, joilla pyritään vähentämään paikallisten vaihtelujen merkitystä kronologiassa. Tilastollisten menetelmien soveltaminen lustoaineistoon osoittautui lupaavaksi, niiden avulla pystytään mahdollisesti kytkemään entistä kauempana sijaitsevia kerrostumispaikkoja toisiinsa. Erityisen ongelmallinen jakso Suomen lustokronologiassa on Baltian jääjärven purkautumista edeltävän ja seuraavan ajanjakson kytkeminen toisiinsa. Tämä liittyy muutoksiin sedimentaatiossa. Syvässä vedessä pinnanlasku todennäköisesti laukaisi rinteillä massaliikuntoja, veden ja sedimentin tiheitä seoksia, jotka alas vyöryessään kuluttivat ja uudelleen kerrostivat vanhempia lustosedimenttejä. Myös pienempiä aineksen romahduksia esiintyi. Tämän jälkeen olosuhteet altaassa rauhoittuivat ja lustokerrostumia alkoi taas syntyä. Tutkimusaineiston perusteella ei voida ottaa kantaa siihen, kuinka kauan altaan kerrostumisolosuhteiden rauhoittuminen kesti, ja näin ollen lustokronologian eri osien kytkeminen toisiinsa on edelleen varmentamatta. Suolaisen veden pulssien saapuminen tutkimusalueelle kesti lustokerrostumien perusteella vähintään 100 vuotta, suolaisuuden lisääntyminen näkyy selkeänä muutoksena lustojen rakenteessa. Edellä mainitun kaltainen kerrostumishistoria on havaittavissa muun muassa Tuusulan Jokelassa, josta Sauramo kuvasi nollalustonsa. Matalammassa vedessä lustosedimenttien kerrostuminen loppui veden pinnan laskun myötä, ja rantavoimat alkoivat vaikuttaa kerrostumiseen voimakkaasti. Tähän liittyy muun muassa rantaterassien syntyä ja aineksen raekoon yleistä karkenemista. Matalamman veden kerrostumat antoivat vaihtelevia OSL-ikiä. Lahden Renkomäestä saatu Suomen ensimmäinen OSL-ikä Yoldiavaiheen rantaterassille oli 11 200 11 400 ± 2 700 vuotta. Tämä viittaisi siihen, että rantaterassien järjestelmällinen OSL-ajoittaminen voisi tuoda uutta tietoa Itämeren altaan historiasta. Toisaalta osa matalammankaan veden kerrostumista ei ollut saanut riittävästi auringonvaloa sedimenttirakeiden nollautumiseen. Veden alta paljastunut maa-aines joutui voimakkaan tuulieroosion kohteeksi. Ensimmäisen ja Toisen Salpausselän välisellä alueella on tavattu laajalti hienojakoista hiekka- ja silttivaltaista ainesta, joka ohuena kerroksena verhoaa maanpintaa. Tämä ns. lössi tai peittohiekka on tulkittu tähän intensiivisen tuulivaikutuksen jaksoon liittyväksi kerrostumaksi. Lähtökohtaisesti tällaisen aineksen pitäisi olla hyvin nollautunutta ja antaa luotettavia ikämäärityksiä. OSL-ajoituksen toimimattomuus tässä kerrostumassa kyseenalaistaa Salpausselkien välisten hiekkakerrostumien pelkän eolisen luonteen. Yhteenvetona voidaan sanoa, että Baltian jääjärven purkautuminen jätti jälkeensä tunnusomaisen joukon sedimenttikerrostumia, jotka voidaan löytää koko altaan alueelta. Näin ollen tapahtuma on jättänyt jälkeensä hyvin ajoitetun merkkihorisontin. Tämä horisontti sopii kuitenkin huonosti lustosavikronologian pohjaksi, sillä tapahtumaan liittyy laajalti eroosiota, uudelleenkerrostumista ja ajanjakso, jolloin kerrostumista ei ole tapahtunut