Reconstruction of the Pleistocene Landscape of Southern KwaZulu-Natal, South Africa by means of GIS, Remote Sensing and Geomorphological Techniques

Abstract

Das östliche Südafrika und besonders die Region um Sibudu Cave spielt in der Geschichte des Homo sapiens eine wichtige Rolle. Das Middle Stone Age ist geprägt von technologischer Innovation, Bevölkerungsdynamik und komplexem symbolischem und sozialem Verhalten, aber auch von räumlicher und zeitlicher Variabilität (Will et al., 2019a). Diese werden durch diverse Hypothesen zu erklären versucht, von denen die meisten die spätpleistozänen Umweltveränderungen berücksichtigen. Aus diesem Grund liefert die Paläoumweltforschung einen wichtigen Beitrag um sich ein Bild der Lebensweise der frühen Menschen zu machen. So wurde in Sibudu Cave seit Jahrzehnten, neben der archäologischen Forschung, hoch anerkannte Erkenntnisse zum Paläoklima, -vegetation und -fauna gewonnen. Die vorliegende Dissertation liefert einen Beitrag zur geomorphologischen Entwicklung der Region, der darin enthaltenen Landschaftsformen und -prozesse. Dazu wurden mehrere Landschaftselemente in zwei Untersuchungsgebieten untersucht: Das Tongati Valley, das die direkte Umgebung der Urmenschen darstellt und der Obere Umkomazi am Fuße der Drakensberge, wo überregional zusammenhängende Umwelteinflüsse betrachtet werden. Methodisch ist die Arbeit breit aufgestellt und umfasst Themen aus der GIS Analyse, Fernerkundung und der geomorphologischen Geländearbeit. Dabei wurden jeweils maßgeschneiderte Lösungen für die Fragestellungen entwickelt, wie 3D Modellierung, Object Based Image Analysis, Simulation, Geomorphometrie, usw. Auch die Analyse der Masotcheni Formation mittels elektromagnetischer Spektroskopie kann als innovativ bezeichnet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Tal des Tongati durch die African, Post-African I und Post-African II Landschaftszyklen entstand, und somit das Ergebnis tekonischer Hebung und Kippung ist, wie sich aufgrund von Einebnungsflächen rekonstruieren lässt. Durch die komplexe Geologie lief die Evolution des Abflusssystems differenziert ab, sodass sich der Mittellauf stromaufwärts von Sibudu Cave kontinuierlich in die harte Lithologie eintieft, aber kein hydrologisches Gleichgewicht erreicht, während sich der Unterlauf dynamisch an Pleistozäne Meeresspiegeltiefstände anpasst, wie mehrere Terrassengenerationen und ein alluvial verfüllter Mündungsbereich bezeugen. Die spätpleistozänen Meeresspiegelfluktuationen hatten auch eine Expansion der Küstenebene um bis zu 5500 km² und eine Küstenregression zur Folge, sodass Sibudu Cave bis über 30 km im Landesinneren lag. Dies hat Bedeutung für die Interpretation der Beschaffung mariner Ressourcen und der Raumnutzung der früheren Bewohner Sibudus. Die Masotcheni Formation in den Drakensbergen weist auf spätpleistozäne Landschaftsstabilitätszyklen hin, die mit den von Botha (1996) formulierten weitgehend übereinstimmen. Demnach Entwickelten sich im späten MIS4 / frühen MIS 3 Böden unter humiden Einflüssen, während die Böden nach dem mittleren MIS 3 unter semi-ariden Bedingungen entstanden. Diese Phasen sind von Phasen erhöhter Erosion und Deposition unterbrochen. Die Untersuchung der rezenten Gullyerosion ergab, dass die Entstehung dieser Erosionsform in den Masotcheni Sedimenten zeitlich mit der kleinen Eiszeit und gleichzeitiger Bevölkerungs- und Landnutzungsveränderungen im mittleren 17. Jahrhundert geschätzt werden können. Die hohen Erosionsraten unter modernen Klimabedingungen erklären, warum Sedimente sehr selten sind, die vor dem MIS 5e deponiert wurden, welches ein ähnliches Klima aufweist. Es lässt sich zusammenfassen, dass die Region starker landschaftlicher Veränderungen im Spätpleistozän unterworfen war, und die Auseinandersetzung mit dieser variablen Umwelt ein hohes Maß an sozialen und kognitiven Fähigkeiten voraussetzt.

Eastern South Africa, and particularly the region around Sibudu Cave, plays an important role in the history of Homo sapiens. The Middle Stone Age is characterized by technological innovation, population dynamics, and complex symbolic and social behavior, but also by spatial and temporal variability (Will et al., 2019). These are attempted to be explained by diverse hypotheses, most of which consider Late Pleistocene environmental change. For this reason, paleoenvironmental research provides an important contribution to building a picture of the lifestyle of early humans. Thus, in addition to archaeological research, highly recognized knowledge of paleoclimate, vegetation, and fauna has been obtained at Sibudu Cave for decades. This dissertation provides a contribution to the geomorphological evolution of the region, the landscape forms and processes contained therein. For this purpose, several landscape elements were studied in two study areas: The Tongati Valley, representing the immediate environment of the prehistoric people, and the Upper Umkomazi Valley at the foot of the Drakensberg, where supra-regional environmental influences were assessed. Methodologically, the work covers a wide range and includes topics from GIS analysis, remote sensing, and geomorphological field work. In each case, tailored solutions to the issues have been developed, such as 3D modeling, object-based image analysis, simulation, geomorphometry, etc. The analysis of the Masotcheni Formation using electromagnetic spectroscopy can also be considered innovative. The results show that the Tongati River valley was formed by the African, Post-African I, and Post-African II landscape cycles, and thus is the result of tectonic uplift and tilting, as can be reconstructed based on planation surfaces. Due to the complex geology, the evolution of the drainage system proceeded in a differentiated manner such that the middle reaches upstream of Sibudu Cave continuously deepened into the hard lithology but did not reach hydrologic equilibrium, while the lower reaches dynamically adapted to Pleistocene sea level lowstands, as evidenced by several terrace generations and an alluvially filled estuary. Late Pleistocene sea level fluctuations also resulted in coastal plain expansion of up to 5500 km² and coastal regression, such that Sibudu Cave was located up to over 30 km inland. This has relevance for the interpretation of procurement of marine resources and the use of space by Sibudu's earlier occupants. The Masotcheni Formation in the Drakensberg indicates late Pleistocene landscape stability cycles that are largely consistent with those formulated by Botha (1996). According to this, one type of soils developed under humid influences in the late MIS4 / early MIS 3, while another type of soils developed under semi-arid conditions after the middle MIS 3. These phases are interrupted by periods of increased erosion and deposition. Analyses of recent gully erosion revealed that the origin of this erosional form in the Masotcheni sediments can be approximated to have initiated around the Little Ice Age and concurrent population and land use changes in the mid-17th century. The high erosion rates under modern climatic conditions explain why sediments deposited prior to MIS 5e, which has a similar climate, are very rare. It can be summarized that the region was subject to strong landscape changes in the late Pleistocene, and the ability to deal with this variable environment requires a high level of social and cognitive skills.