deriving the eustatic sea level component in the kattaegatt sea

6
www.asse.org/gpg Global Perspectives on Geography (GPG) Volume 2, 2014 16 Deriving the Eustatic Sea Level Component in the Kattaegatt Sea NilsAxel Mörner Paleogeophysics & Geodynamics, Stockholm, Sweden [email protected] Received 9 May 2014; Accepted 18 June 2014; Published 26 June 2014 © 2014 American Society of Science and Engineering Abstract Changes in global sea level is an issue of much controversy. In the Kattegatt Sea, the glacial isostatic component factor is well established and the axis of tilting has remained stable for the last 8000 years. At the point of zero regional crustal movements, there are three tide gauges indicating a present rise in sea level of 0.8 to 0.9 mm/yr for the last 125 years. This value provides a firm record of the regional eustatic rise in sea level in this part of the globe. Keywords Sea Level Changes; Eustasy; Glacial Isostatic Uplift; Shorelines; Benchmarks; Tide Gauges; Zone of Zero Uplift; The Kattegatt Sea Introduction Changes in global sea level have been quite vigorously debated, not least in connection with the Global Warming scenarios [1]. Fig. 1 illustrates the spectrum of divergence when it concerns the recording of proposed global sea level changes. It this paper I will purposely stay out of this debate and only discuss the evidence available in the Kattegatt Sea area between Sweden and Denmark. The reason for this is that we here have an unusually strict knowledge of the glacial isostatic uplift component where the axis of tilting (hinge between uplift to the NE and subsidence to the SW) has remained stationary for the last 8000 years [27]. Personally, the sea level changes in the Kattegatt region have been in the focus of my own research for 60 years [216]. FIG. 1. SPECTRUM OF RATES OF SEA LEVEL CHANGES IN RELATION TO THE DISTRIBUTION OF RATE VALUES OF THE NOAA TIDE GAUGE STATIONS [18, 22, 24]. ESTIMATES OF RISE BY THE IPCC FOR YEAR 2100 (GREEN ARROWS) [1], SATELLITE ALTIMETRY (+3.2 mm/yr) [23], MEAN OF 182 NOAA TIDE GAUGE STATIONS (+1.6 mm/yr) [24], THE NEW DATA FROM THE KATTEGATT SEA HERE PRESENTED (+0.80.9 mm/yr), AND THE VALUE FROM SOME KEY SITES (±0.0 mm/yr) [22, 24]. The Kattegatt Region The Kattegatt region occupies the marginal zone of postglacial uplift (Fig. 2). A total of 40 synchronous shorelines have been identified and followed over a distance of 250 km in the direction of tilting (Fig. 3) [2, 3]. The isobase of

Upload: shirley-wang

Post on 02-Apr-2016

215 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

http://www.as-se.org/gpg/paperInfo.aspx?ID=16723 Changes in global sea level is an issue of much controversy. In the Kattegatt Sea, the glacial isostatic component factor is well established and the axis of tilting has remained stable for the last 8000 years. At the point of zero regional crustal movements, there are three tide gauges indicating a present rise in sea level of 0.8 to 0.9 mm/yr for the last 125 years. This value provides a firm record of the regional eustatic rise in sea level in this part of the globe.

TRANSCRIPT

Page 1: Deriving the Eustatic Sea Level Component in the Kattaegatt Sea

www.as‐se.org/gpg                                                                                               Global Perspectives on Geography (GPG) Volume 2, 2014 

16 

Deriving the Eustatic Sea Level Component in the Kattaegatt Sea Nils‐Axel Mörner 

Paleogeophysics & Geodynamics, Stockholm, Sweden 

[email protected]  

Received 9 May 2014; Accepted 18 June 2014; Published 26 June 2014 © 2014 American Society of Science and Engineering  

Abstract 

Changes  in global  sea  level  is an  issue of much controversy.  In  the Kattegatt Sea,  the glacial  isostatic component  factor  is well established and the axis of tilting has remained stable  for the  last 8000 years. At the point of zero regional crustal movements, there are three tide gauges indicating a present rise in sea level of 0.8 to 0.9 mm/yr for the last 125 years. This value provides a firm record of the regional eustatic rise in sea level in this part of the globe.  

Keywords 

Sea Level Changes; Eustasy; Glacial Isostatic Uplift; Shorelines; Benchmarks; Tide Gauges; Zone of Zero Uplift; The Kattegatt Sea 

Introduction

Changes  in global  sea  level have been quite vigorously debated, not  least  in connection with  the Global Warming scenarios [1]. Fig. 1 illustrates the spectrum of divergence when it concerns the recording of proposed global sea level changes. It this paper I will purposely stay out of this debate and only discuss the evidence available in the Kattegatt Sea area between Sweden and Denmark. The reason for this is that we here have an unusually strict knowledge of the glacial isostatic uplift component where the axis of tilting (hinge between uplift to the NE and subsidence to the SW) has remained stationary for the  last 8000 years [2‐7]. Personally, the sea  level changes  in the Kattegatt region have been in the focus of my own research for 60 years [2‐16].  

FIG. 1. SPECTRUM OF RATES OF SEA LEVEL CHANGES IN RELATION TO THE DISTRIBUTION OF RATE VALUES OF THE NOAA TIDE 

GAUGE STATIONS [18, 22, 24]. ESTIMATES OF RISE BY THE IPCC FOR YEAR 2100 (GREEN ARROWS) [1], SATELLITE ALTIMETRY (+3.2 mm/yr) [23], MEAN OF 182 NOAA TIDE GAUGE STATIONS (+1.6 mm/yr) [24], THE NEW DATA FROM THE KATTEGATT SEA HERE PRESENTED  

(+0.8‐0.9 mm/yr), AND THE VALUE FROM SOME KEY SITES (±0.0 mm/yr) [22, 24]. 

The Kattegatt Region

The Kattegatt region occupies the marginal zone of postglacial uplift (Fig. 2). A total of 40 synchronous shorelines have been identified and followed over a distance of 250 km in the direction of tilting (Fig. 3) [2, 3]. The isobase of 

Page 2: Deriving the Eustatic Sea Level Component in the Kattaegatt Sea

Global Perspectives on Geography (GPG) Volume 2, 2014                                                                                               www.as‐se.org/gpg 

17

zero amount of uplift (i.e. the hinge between uplift  to  the NE and subsidence  to  the SW)  is closely defined  to  the NW‐side  of  the  Straight  of  the Great  Belt  in Denmark  [2,  3].  Furthermore,  the  location  of  the  zero  isobase  has remained stable  for 8000 years  (the PTM‐2  shoreline dated at 7000 C14 yrs BP has a calibrated age of about 7850 cal.yrs BP) [4‐7]. Consequently, this point in the shoreline spectrum (Fig. 3, ‐200 km curve) should give the eustatic component of sea level changes [2, 3], or what I defined as the regional eustatic changes in sea level in the northwest European region [3‐11]. 

FIG. 2. GEOMETRY OF THE TOTAL AMOUNT OF GLACIAL ISOSTATIC UPLIFT OF FENNOSCANDIA [8, 9, 16]. THE KATTEGATT SEA REGION OCCUPIES THE MARGINAL ZONE AND TRANSITION FROM UPLIFT (YELLOW) TO SUBSIDENCE (BLUE). IT IS MARKED WITH AN OPEN 

BOX CORRESPONDING TO FIG. 4. 

FIG. 3. SHORELINE SPECTRUM OF THE KATTEGATT SEA [2, 3, 8, 9, 16]. THE SEA LEVEL CURVE OF THE LAST 8500 C14‐YEARS BP  (≈9.500 cal. yrs BP) OF THE ‐200 KM POINT LIES CLOSE TO THE ZERO UPLIFT POINT (at ‐207 km) AND HENCE GIVES A CLOSE 

REPRESENTATION OF THE REGIONAL EUSTATIC CHANGES [2, 5]. 

The direction of uplift (tilting) has a firm course in N40°E over the Swedish West Coast and the Kattegatt Sea [2, 4, 7, 8].  The  tilting  is  affected  by  a  perpendicular  fault  zone  running  SE–NW  direction  along  the  north  side  of  the Hallandsåsen horst and across the Kattegatt [2‐9, 17]. It acted as a shoreline bend. 

For recent changes in sea level, there are a number of tide gauge stations along the Swedish and Danish coasts. Those attached to the solid rock (in Sweden) provide fine records. The same seems to apply for stations anchored in glacial 

Page 3: Deriving the Eustatic Sea Level Component in the Kattaegatt Sea

www.as‐se.org/gpg                                                                                               Global Perspectives on Geography (GPG) Volume 2, 2014 

18 

till  in Denmark.  Those  attached  to  harbour  constructions  resting  on  soft  sediment  are  problematic  as  they may include a significant component of local site‐specific subsidence. 

The  geodetic network  of  benchmarks  began  to  be  installed  in  1886,  and  they were  all  re‐measured  in  the  1960s, implying a recording of relative land uplift from about 1890 to 1960. The benchmarks are attached both to the solid bedrock and to big blocks. On the Swedish West Coast there are about 39 re‐measured benchmarks.  

The tide gauges give relative sea  level changes  in mm/yr. The benchmarks give relative uplift  in mm/yr. The tilted shorelines give relative uplift in meters and time. Because the isostatic and eustatic components could be identified and separated in the Kattegatt–Swedish West Coast region, absolute uplift and absolute sea level could be recorded [2, 3].  Therefore,  the  individual  shorelines  could  be  converted  to  lines  of  absolute  uplift  in mm/yr  allowing  direct comparisons with  the  records  from  benchmarks  and  tide  gauges[5].  The  values  of  the  39  benchmarks  from  the Swedish West Coast  form a  line of  relative uplift  that  runs parallel  to – but below –  the youngest  line of absolute uplift  in mm/yr.  This  line  intersects  the  zero  isobase  of  uplift  at  a  level  of  ‐1.1 mm/yr, which  I  took  as  a  good indication of a eustatic rise of 1.1 mm/yr for the period 1890 to 1960 [5, 7‐9, 13]. 

FIG. 4. THE UPLIFT PROFILE OF THE KATTEGATT REGION: AS ESTABLISHED FROM 40 SYNCHRONOUS SHORELINES

 [2, 3] AND THE 

ISOBASES OF THE PRESENT RATE OF UPLIFT (in mm/yr) AS ESTABLISHED FROM A COMBINATION OF GEODETIC BENCHMARKS AND SHORELINE DATA [5]. THE THREE TIDE GAUGES [18] (RED DOTS) LOCATED AT OR CLOSE TO THE ZERO POINT OF UPLIFT (WHICH HAS 

REMAINED STABLE FOR AT LEAST 8000 YEARS) ARE HERE ANALYSED WITH RESPECT TO PRESENT REGIONAL EUSTASY. THE EXTRAPOLATION OF THE ISOBASES TO THE EAST WOULD IMPLY A TRANSITION TO AN E–W EXTENSION IN THE BALTIC REGION. 

During the last 50 years, sea level is often claimed to have accelerated [1]. We can easily test if this is the case in the Kattegatt area. The network of lines (isobases) of absolute uplift is shown in Fig. 4. It now happens so that the Korsör 

Page 4: Deriving the Eustatic Sea Level Component in the Kattaegatt Sea

Global Perspectives on Geography (GPG) Volume 2, 2014                                                                                               www.as‐se.org/gpg 

19

tide gauge station lies right at the zero‐isobase, the station of Slipshavn (Nyborg) lies at the ‐0.1 mm/yr isobase and the station of Aarhus at the +2.8 mm/yr isobase. The stations have records from 1888/97 to 2013 [18]. 

Fig. 5 shows the tide gauge records from Korsör, Nyborg and Aarhus [18]. At Korsör, where uplift has remained zero during  the  last 8000 years  [4, 5],  sea  level  rose by 0.81 ±0.18 mm/yr  from  1897  to 2013. This value ought  to be an excellent value of  local eustasy over  the  last  115 years.  It could hardly be higher, but possibly smaller,  if  local site‐specific compaction occurs. 

FIG. 5. TIDE GAUGE RECORDS OF KORSÖR, NYBORG AND AARHUS AS PRESENTED BY NOAA [18].  KORSÖR LIES RIGHT AT THE ZERO 

ISOBASE OF UPLIFT, AND THE SEA LEVEL RECORD (+0.81 ±0.18 mm/yr) SHOULD HENCE REPRESENT REGIONAL EUSTASY. THE NYBORG RECORD LIES AT THE ‐0.1 MM/YR ISOBASE AND THE TIDE GAUGE RECORD MUST HENCE BE CORRECTED BY 0.1 MM/YEAR TO PROVIDE REGIONAL EUSTASY (+0.91 ±0.16 mm/yr). THE TIDE GAUGE AT AARHUS, LOCATED AT THE +2.8 ISOBASE, RECORDS A MEAN RELATIVE 

RISE OF +0.63 ±0.11 MM/YR, WHICH CORRESPONDS TO A EUSTATIC FACTOR OF +0.91 ±0.11 mm/yr. THIS IMPLIES THAT ALL THREE RECORDS GIVE A CONGRUENT RECORD OF A REGIONAL EUSTATIC RISE IN THE ORDER OF 0.8‐0.9 mm/yr  (THE MEAN BEING +0.87 ±0.15 mm/yr). THIS TREND HAS REMAINED STABLE OVER THE LAST 125 YEARS. 

The Nyborg record shows a relative rise in sea level of 1.01 ±0.16 mm/yr over the same time period of. Because, this site lies at the ‐0.1 mm/yr isobase, the eustatic component at this site would be a rise in the order of ≈ +0.9 mm/yr. 

The tide gauge at Aarhus lies at an isobase latitude of +2.8 mm/yr. It gives a mean relative rise in sea level of +0.63 ±0.11 mm/yr for the period 1888‐201318. This suggests that the eustatic rise in the order of ≈ +0.9 mm/yr. 

Page 5: Deriving the Eustatic Sea Level Component in the Kattaegatt Sea

www.as‐se.org/gpg                                                                                               Global Perspectives on Geography (GPG) Volume 2, 2014 

20 

The mean of eustatic component in all three sites (Korsör, Nyborg and Aarhus) is a mean sea level rise over the last 115‐125 years of +0.87 ±0.15 mm/yr. 

Taken together, these three sites indicate a mean eustatic rise component in the Kattegatt region of 0.8 to 0.9 mm/yr for the last 125 years. Tide gauges are known to overestimate, rather than underestimate, actual sea level changes due to their vulnerability to effects of local compaction [19]. The regional crustal movements seem to be well recorded [3, 7]. No  local crustal  irregularities have been reported  in the vicinity of these three sites [17, 20]. Therefore,  it seems reasonable to conclude that the regional eustatic component in the Kattegatt area can be set at a rise in the order of 0.8‐0‐9 mm/yr (Figure  1). This value  is not  far off the value of +1.1 mm/yr, previously established  for the  1890‐1960 period [3].  

The mean  trends of  the  three  tide gauge  records  (Fig. 5) have  remained virtually  stable  though  the  last  125 years. Consequently, the present analysis provides no signs of any acceleration in the regional eustatic sea level rise over the past 50 years.  

The  inter‐annual  variations  [18]  are  very  similar  in  the  three  records  (Fig.  5). The  changes  are  likely  to  represent variations in air pressure, currents, prevailing wind, and interchanges of water between the Kattegatt and the Baltic. Decadal cycles are not clearly identified. 

I  have  purposely  excluded  the  tide  gauge  stations  at  Fredrikshavn  (+0.14  ±0.15 mm/yr), Hornbaek  (+0.37  ±0.22 mm/yr), Copenhagen  (+0.67 ±0.21 mm/yr)  and Klagshamn  at Malmö  (+0.64 ±0.40 mm/yr)  [18], because  there  are problems  with  isobase  curving  when  diverging  from  the  main  profile  zone  (Fredrikshavn,  Copenhagen  and Klagshamn) and  local crustal movements (Copenhagen, Hornbaek). At Klagshamn (Malmö),  the repeated  levelling data [7] suggest a present rate of uplift of +0.3 mm/yr, which implies a eustatic component of +0.94 ±40 mm/yr, in good agreement with the Fig. 5 analysis. It also indicates a significant curvature of the isobases towards the Baltic (Fig. 4), which is consistent with a known NS tilt direction in the Baltic [7‐9].  

Conclusions

The eustatic changes in sea level were originally held to be the same all over the globe [21]. We now know that this is not correct  [3, 22] and  that  sea  level changes  significantly over  the globe. The  search  for a mean  rate of  sea  level change has become almost illusive as illustrated in Fig. 1. The pros and cons in this debate lie outside the scope of the present paper. 

In this paper, focus is set on one single region: the Kattegatt Sea. The reason for this is that we here have a condensed record of the sea level changes and postglacial isostatic uplift [2‐9]. The direction of uplift and the location of the zero isobase (hinge between uplift to the NE and subsidence to the SW have remained stable over the past 8000 years [4, 5] as  evidenced  by  12  individual  shorelines  (Fig.  3)  [2‐9],  39  benchmarks  along  the  Swedish West  Coast  [3,  7]  and available tide gauges [3, 16‐18].  

At, and close to, the line of zero uplift over the last 8000 years, there are three tide gauge stations [13], which are here used  in order  to define  the  regional eustatic component  in  the Kattegatt region. The  three sites give a converging picture: a eustatic component indicating a rise in the order of 0.8‐0.9 mm/yr. 

Whatever sea level may be doing in other part of the world, the mean regional eustatic value of the last 125 years is herby shown to have been about 0.8‐0.9 mm/yr in the Kattegatt region (Fig. 1).  

A second outcome of the analysis is that there are no signs of any acceleration in the last 50 years. 

REFERENCES

[1]  IPCC. “Fifth Assessment Report” (2014), “Fourth Assessment Report” (2007), “Third Assessment Report” (2001).   

[2]  Mörner, N.‐A.  “The  Late Quaternary  history  of  the  Kattegatt  Sea  and  the  Swedish West  Coast:  deglaciation,  shorelevel 

displacement, chronology, isostasy and eustasy.” Sveriges Geol. Undersökn. C‐640 (1969):1‐487. 

[3]  Mörner, N.‐A. “Eustatic changes during the last 20,000 years and a method of separating the isostatic and eustatic factors in 

an uplifted area.” Palaeogeogr. Palaeoclim. Palaeoecol. 9 (1971):153‐181.  

[4]  Mörner, N.‐A. “Isostasy, eustasy and crustal sensivity.” Tellus 24 (1972): 586‐592.  

[5]  Mörner, N.‐A. “Eustatic change during the last 300 years.” Palaeogeogr. Palaeoclim. Palaeoecol. 13 (1973): 1‐14.  

[6]  Mörner, N.‐A. “Eustatic changes during the last 8,000 years in view of radiocarbon calibration and new information from the 

Page 6: Deriving the Eustatic Sea Level Component in the Kattaegatt Sea

Global Perspectives on Geography (GPG) Volume 2, 2014                                                                                               www.as‐se.org/gpg 

21

Kattegatt region and other northwestern European coastal areas.” Palaeogeogr. Palaeoclim. Palaeoecol. 19 (1976): 63‐85.  

[7]  Mörner, N.‐A. “Past and present uplift  in Sweden: glacial  isostasy, tectonism and bedrock  influence.”   Geol. Fören. Stockh. 

Förh. 99 (1977): 48‐54.  

[8]  Mörner, N.‐A. “The Fennoscandian uplift and Late Cenozoic geodynamics: geological evidence.” GeoJournal 3 (1979): 287‐318.  

[9]  Mörner, N.‐A.  “The Fennoscandian uplift: Geological data and  their geodynamic  implication.”  In: Earth Rheology,  Isostasy 

and Eustasy, edited by N.‐A. Mörner, p. 251‐284. John Wiley & Sons (1980). 

[10]  Mörner, N.‐A.  “The  northwest  European  “sea‐level  laboratory”  and  regional Holocene  eustasy.”  Palaeogeogr.  Palaeoclim. 

Palaeoecol. 29 (1980): 281‐300.  

[11]  Mörner, N.‐A. “Late Quaternary sea‐level changes in northwestern Europe:  a synthesis.” Geol. Fören. Stockh. Förh. 100 (1980): 

381‐400. 

[12]  Mörner, N.‐A. “Course and origin of the Fennoscandian uplift: the case of two different mechanisms.”   Terra Nova 3 (1991): 

408‐413.  

[13]  Mörner, N.‐A. “Sea level variability.” Z. Geomorphology N.S. 102 (1996): 223‐232.  

[14]  Mörner, N.‐A. “Sea level changes in western Europe”, Integrated Coastal Zone Management 1/2 (2000): 31‐36. 

[15]  Mörner, N.‐A. “Estimating future sea level changes.” Global Planet. Change 40 (2004): 49‐54.  

[16]  Mörner, N.‐A. “Paleoseismicity and uplift of Sweden.” Excursion Guide, 33rd IGC Excursion No 11, Oslo (2008): 1‐107.  

[17]   Hansen,  J.M., Aagaard, T. and Binderup, M.  “Absolute sea  levels and  isostatic changes of  the eastern North Sea  to central 

Baltic region during the last 900 years.” Boreas 41 (2011): 180‐208. DOI 10.1111/j.1502‐3885.2011.00229.x 

[18]  NOAA, “National Oceanic and Atmospheric Administration, Tides & Currents, Sea Level Online” (2012). 

http://tidesandcurrents.noaa.gov/sltrends/sltrends.shtml 

[19]  Mörner, N.‐A. “Some problems in the reconstruction of mean sea level and its changes with time.” Quaternary International 

221 (2010): 3‐8.   

[20]  Gregersen,  S.  and  Voss,  P.H.  “Review  of  some  significant  claimed  irregularities  in  Scandinavian  postglacial  uplift  on 

timescales of tens to thousands of years – earthquakes in Denmark?” Solid Earth 5 (2014): 109‐118.  

[21]  Fairbridge, R.W. “Eustatic changes in sea level.” Physics Chemistry of the Earth 4 (1961): 99‐185.  

[22]  Mörner, N.‐A. “Sea level changes: past records and future expectations.” Energy & Environment 24 (2013): 509‐536.  

[23]  Sea Level Research Group of University of Colorado (2014). http://sealevel.colorado.edu/ 

[24]  Mörner, N.‐A. “Sea level changes – a short comment.” Global Climate Status Report 2013 (2013): 5‐9.   

 Mörner was born in Stockholm, Sweden. He took his Ph.D. in Quaternary Geology in 1969. He became associate professor  in Quaternary Geology  in  1969, and  in General and Historical Geology  in  1981. He held  a  personal  Associate  Professorship  at  the  Swedish  Rsearch  Council  in  Paleogeophysics  & Geodynamics from 1978. He was head of the institute on Paleogeophysics & Geodynamics at Stockholm University  (1991‐2005). Major  fields:  sea  level  changes,  paleoseismology  and  neotectonics,  Sun‐Earth interaction. 

He was postdoctoral  fellow  in Canada  in  1969/70, consultant  in  in Physics  in Brazil  in  1979, and guest scientists  at  Centre  Luminy  in  France  in  1980/81.  Fellow  of  GSA  in  1975.  He  has  personal  field 

experiences from 49 different countries scattered all over the globe. He has an extensive publication. This is his paper no. 589. He has given over 550 papers at international meetings. Among his books, one may note: Earth Rheology, Isostasy and Eustasy (Wiley & Sons, 1980), Climate Change on a Yearly to Millennial Basis (Kluwer, 1984) and Patterns in solar variability, their planetary origin and  terrestrial  impact  (Pattern Recognition  in Physics, 2013). Current and previous  research  interests: sea  level changes, glacial isostasy, neotectonics, paleoseismology, geoid deformation, Earth’s rate of rotation, ocean circulation, climate, paleomagnetism, geomagnetism, Solar Wind, planetary‐solar‐terrestrial interaction.   

Prof. Mörner was, in 2008, awarded “The Golden Condrite of Merits” from Algarve University “for his irreverence and contribution to our understanding of sea‐level change”.