Numerical quantification of inheritance in 10Be surface exposure dating of rock avalanche deposits: a case study of the Hølen rock avalanche, northern Norway

Abstract

Nedarvet kosmogene nuklider er en velkjent, men ofte utelatt usikkerhet når 10Be overflatedatering brukes for a datere fjellskredavsetninger på grunn av hvor utfordrende det kan være å kvantifisere denne usikkerheten. Hvis effekten av arv blir utelatt, kan den resulterende alderen være overestimert med flere tusen år. For å kunne presentere mer nøyaktige aldre, må denne usikkerheten bli vurdert og kvantifisert. Dette har blitt gjort i denne studien ved å kombinere feltarbeid med numerisk modellering.

Feltlokaliteten som er undersøkt er et fjellskred i Hølen sør for Tromsø. Totalt er tolv nye 10Be-aldre presentert: åtte fra avsetningen og fire fra utløsningsområdet. I tillegg er fem tidligere publiserte aldre re-kalkulert og inkludert i analysen. Aldrene er relativt like, og det er ingen tydelige uteliggere i datasettet som kan indikere at arv et problem. Avsetningen har en gjennomsnittsalder på 6060 ± 108 år. Det finnes derimot tre blokkoverflater fra den distale delen av avsetningen som er opptil 600 år eldre enn hva de andre aldrene viser. Dette kan være forårsaket av tilstedeværelse av noe arv. Om dette er tilfelle vil gjennomsnittsalderen være noe lavere, men denne forskjellen er allerede inkludert i usikkerheten til alderen.

For å kunne estimere konsentrasjonen av kosmogene nuklider i en fjellside, og videre estimere sannsynligheten for å prøveta en blokk med en viss mengde arv, har det blitt utviklet en modell som kan forutsi konsentrasjonen av kosmogene nuklider i en fjellside. Modellen viser at en fjellside som var eksponert i ca. 6800 år mellom deglasiasjonen og utrasingen, har en ~22% sjanse for å overestimere alderen av fjellskredet med 500 år hvis blokken kommer fra de øverste 10 m av fjellsiden. Hvis blokken kommer fra de øverste 3 m øker sannsynligheten til ~72%.

For å kunne forbedre metoden for prøvetakelse i en fjellskredavsetning, er det viktig å vite hvor blokker med arv sannsynligvis ender opp i avsetningen, slik at disse kan unngås. Den diskrete elementmodellen Melody 2D har blitt brukt for å spore individuelle blokker fra utrasingsområdet til skredavsetningen for ulike utrasingsgeometrier. Simuleringene viser at det er 0–4% sjanse for å prøveta en blokk som stammer fra den eksponerte fjellsideoverflaten i den proksimale delen av avsetningen, 19–29% sjanse i den midtre delen og 20–39% sjanse i den distale delen. Basert på disse resultatene gis det en anbefaling om at dateringsprøver av fjellskred bør innhentes i den proksimale delen av avsetningen. Modellen viser også at de største blokkene i avsetningen ofte stammer fra overflate-nære områder i fjellsiden. Da disse har stor sannsynlighet for å inneholde arv, bør de største blokkene i en avsetning unngås i prøvesammenhenger.

Inherited cosmogenic nuclides are a well-known but often neglected uncertainty when performing 10Be exposure dating in rock avalanche deposits due to how challenging it can be to quantify. Ignoring this effect can lead to an overestimation of several thousand years when estimating when the slope failure occurred. To be able to facilitate more reliable 10Be exposure ages, it is important to assess this uncertainty and find a way to better quantify it. In this study this has been done by combining a case study with numerical modelling.

The field site investigated is the Hølen rock avalanche located south of Tromsø. Twelve new 10Be surface exposure ages are presented: eight from the deposit and four from the scarp. Additionally, five published ages have been recalculated and included in the data set. The ages cluster together without any obvious outliers which indicates that inheritance may not be a problem at this site. The deposit has a mean age of 6060 ± 108 years. On the other hand, three boulder surfaces from the distal part of the deposit yield ages up to 600 years older than the others. This can be caused by the presence of some inheritance. If this is the case, the mean age would be slightly younger, however, this difference is covered by the existing uncertainty.

In order to estimate the probable inheritance in a pre-failure slope and the likelihood of sampling a boulder surface with certain amounts of inheritance, a model has been developed that can predict the concentration of cosmogenic nuclides in a slope. The model shows that a slope that had ~6800 years of exposure between the timing of deglaciation and the failure, result in a ~22% chance of overestimating the age of the rock avalanche event with 500 years if the boulder originates from the upper 10 m of the pre-failure slope. If it originates from the upper 3 m this probability increases to ~72%.

To improve the sampling practice of rock avalanche deposits, it is important to know where boulders that can contain significant inheritance end up in the deposit, so these can be avoided. The discrete element model Melody 2D was used to track individual boulders from the pre-failure slope to the deposit for different failure geometries. The results show that there is a 0– 4% chance of sampling a surface-originating boulder in the proximal part of a rock avalanche deposit, a 19–29% chance in the medial part and a 20–39% chance in the distal part. It is therefore recommended to sample boulder surfaces from the proximal part of a deposit to minimise the probability of sampling a surface with inheritance. Additionally, the simulations show that the largest boulders in a deposit tend to originate from the surface of the pre-failure slope and should therefore be avoided when sampling for surface exposure dating.