Universität zu Köln

Chemofazies der oligozänen Schwarzpelite von Enspel (Westerwald, Rheinland-Pfalz)

Lüniger, Guido (2002) Chemofazies der oligozänen Schwarzpelite von Enspel (Westerwald, Rheinland-Pfalz). PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Die Sedimente des oberoligozänen Maarsees von Enspel wurden mit Hilfe von molekular- und isotopengeochemischen Methoden untersucht. Neben der Identifizierung der Herkunft des organischen Materials stand dabei die Rekonstruktion der zeitlichen Entwicklung des Ökosystems im Vordergrund. Aus der 140 m mächtigen Seesedimentabfolge wurden 102 Proben entnommen, an denen Elementaranalytik, Rock-Eval Pyrolyse sowie die Bestimmung der organischen Kohlenstoffisotopie durchgeführt wurde. Für die molekulare Detailanalytik der freien und estergebundenen Lipide wurden 24 Proben ausgewählt. Ergänzend wurde an verschiedenen Proben die komponentenspezifische Kohlenstoffisotopie der Aliphaten- und Carboxylsäurefraktion bestimmt. Die Daten der Elementaranalytik liefern C/N-Verhätnisse, die ebenso wie die pauschale Kohlenstoffisotopie des organischen Materials vornehmlich auf eine Landpflanzen-Herkunft des organischen Materials hindeutet. Demgegenüber zeigen die Ergebnisse der Rock-Eval Pyrolyse mit hohen HI-Werten sowie hohen S2/TOC-Verhältnissen einen hohen Wasserstoffgehalt des organischen Materials an, wie er allgemein mit Algenbioproduktion verbunden wird. Als Erklärungsmodell wird eine Transportfraktionierung des eingetragenen allochthonen organischen Materials postuliert, die zu einem bevorzugten Eintrag wasserstoffreicher terrigener Blattwachse führt. Es kann gezeigt werden, daß die Standardinterpretation der Rock-Eval Analytik für diagenetisch wenig belastete limnische Sedimente nicht ohne weiteres anwendbar ist und unter Umständen zu Fehlinterpretationen führen kann. Darüber hinaus kann jedoch auch belegt werden, daß die Rock-Eval Pyrolyse bei Beachtung dieser Einschränkung gut zur schnellen Charakterisierung des organischen Materials unreifer limnischer Sedimente geeignet ist. Die molekulare Detailanalytik bestätigt mit einer Dominanz der langkettigen n-Alkane (nC27, 29, 31), n-Carboxylsäuren und n-Alkohole (jeweils nC26, 28, 30) die vornehmlich terrigene Herkunft des organischen Materials. Kurzkettige Lipide bis nC20 treten nur in einzelnen Proben in erhöhten Konzentrationen auf. Die Extraktion der estergebundenen Lipide zeigt für diese Proben einen ebenfalls deutlich höheren Anteil algenstämmiger nC16- und nC18-Carboxylsäuren, jedoch dominieren auch bei diesen Proben in der Summe beider Extrakte die Lipide allochthoner Herkunft. Die stichprobenartige Extraktion einzelner fossiler Blattindividuen läßt keine klare taxonomische Zuordnung der Lipidverteilungsmuster erkennen, bestätigt aber in den Verteilungen der langkettigen n-Alkane und n-Carboxylsäuren die terrigene Herkunft dieser Lipide. Gleichfalls wird die überwiegend allochthone Herkunft durch die relativen Anteile von C27- bis C29-Stanolen bestätigt. Der Nachweis von (alpha)- und (beta)-Amyrin belegt darüber hinaus die Anwesenheit von Angiospermen-Vegetation im Einzugsgebiet des Sees. Gegenüber der übrigen Seeabfolge wird das Lipidspektrum innerhalb des geringmächtigen Teufenintervalls zwischen 62,3 und 61,5 m nahezu ausschließlich durch die nC28-Carboxylsäure bestimmt, das korrespondierende nC27-Alkan tritt ebenfalls in deutlich erhöhten Konzentrationen auf. Beides wird als nahezu monospezifischer Eintrag eines speziellen Faunenelements interpretiert, das temporär die terrigene Umgebungsvegetation dominiert. Mit Werten um -20 Promill sind zudem die Kohlenstoff-Isotopensignaturen der nC28-Carboxylsäure extrem schwer und liegen in einem für C4-Pflanzen typischen Bereich. Das mögliche Auftreten von C4-Pflanzen schon während des Oligozäns wird deshalb diskutiert. Als dominierende aquatische Primärproduzenten können in verschiedenen Teufenabschnitten Dinoflagellaten durch Dinostanol- und Dinosterol-Gehalte von bis zu 1.500 Mikrogramm/g TOC nachgewiesen werden. Daneben tragen Diatomeen bzw. Chrysophyceen maßgeblich zur autochthonen Primärproduktion bei. Gesicherte Hinweise auf Cyanobakterien als photosynthetische Produzenten fehlen jedoch. Makrophytische Ufervegetation kann in verschiedenen Intervallen der Seegeschichte anhand der Bevorzugung charakteristischer n-Alkyllipide im Bereich nC20 bis nC24 sowie der um bis zu 6 Promill leichteren Kohlenstoffisotopien der betreffenden Lipide identifiziert werden. Hinweise auf mikrobielle Bioproduktion liefert der Nachweis verschiedener Hopane und Hopansäuren. 2(beta)-Methylhopane und 2(beta)-Methylhopansäuren können aufgrund der auffällig leichten Kohlenstoffisotopie der Hopanoide mit methanotrophen Organismen assoziiert werden und belegen einen aktiven Methanogenesezyklus im Ökosystem des Enspel-Sees. Die vergleichsweise schwere Isotopie der Trishomohopansäure belegt eine photosynthetische bakterielle Aktivität innerhalb der Wassersäule, in der als drittes mikrobielles Konsortium chemoautotrophe Bakterien einer �mid-water community" differenziert werden können. Basierend auf diesen Befunden wird in einem Modell die organofazielle Entwicklungsgeschichte des Enspel-Sees rekonstruiert.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Sediments of the Upper Oligocene Enspel oilshale deposit were analysed by bulk and molecular organic geochemistry and isotope geochemistry aiming towards a precise identification of the sources of organic matter and the reconstruction of the paleoenvironmental conditions of Lake Enspel. From a 140 m sequence of lake sediments 102 samples were chosen for elemental analysis, Rock-Eval analysis and analysis of bulk organic carbon isotopic composition. A representative set of 24 samples was selected for detailed molecular investigations of the free extractable and ester-bound lipids. Additionally, compound specific carbon isotopic analysis was carried out on the aliphatics and carboxylic acids of selected samples. Elemental C/N ratios as well as bulk organic carbon isotopic data indicate mainly allochthonous terrestrial derived organic matter input. Conversely, Rock-Eval pyrolysis revealed high HI and high S2/TOC ratios showing high hydrogen contents of the organic matter as it would normally be associated with algal organic matter. High C/N ratios reveal a good correlation with high HI values and high S2/TOC ratios which is in contrast with the expected low hydrogen content of terrigenous derived organic matter. An explanation is offered in the fractionation of terrigenous derived organic matter during transport into the lake leading to a preferential input of hydrogen-rich waxy leaf lipids into the lake sediments. Therefore, it can be shown that standard interpretation of Rock-Eval data should be applied carefully to diagenetically immature limnic sediments and can lead to misinterpretations. When this limitations are taken into account, Rock-Eval analysis is a suitable tool for fast organic matter typing in immature limnic sediments. Molecular lipid analysis confirms the preferentially terrigenous derived organic matter input by a predominance of long chained n-alkanes (nC27, 29, 31), n-carboxylic acids and n-alcohols (both nC26, 28, 30). Short chain lipids up to nC20 contribute only in a few samples significantly to the extractable lipid composition. For these samples, the ester-bound lipids also reveal a higher proportion of algal derived nC16 and nC18 carboxylic acids. In the sum of both extracts, all samples show a predominance of terrigenous derived lipids. The extraction of randomly selected individual leaves reveals no significant lipid pattern allowing for a taxonomical assignment of the sedimentary lipid distributions. However, the terrigenic origin of the long chained lipids is confirmed by the leaf lipid distributions. Additionally, the relative proportions of C27 to C29 stanols verify the allochthonous origin of the lipids and the occurrence of (alpha)- and (beta)-amyrin argues for the presence of angiosperm vegetation in the surrounding of the lake. In contrast to most parts of the lake sequence, the depth interval between 62.3 and 61.5 m core depth shows a strong predominance of the nC28 carboxylic acid accompanied by high concentrations of the corresponding nC27 alkane. This is interpreted as an almost monospecific input of a special floral element which temporarily dominates the surrounding vegetation. Compound specific carbon isotopic data of the nC28 carboxylic acids yield values around -20 per mill which is clearly within the range of C4 plant material. Therefore, the possibility of C4 plant occurrence within the lake catchment as early as in Oligocene times is discussed. Dinoflagellates have been identified as the predominant aquatic primary producers within several depth intervals as indicated by dinostanol and dinosterol concentrations up to 1500 microgram/g TOC. Additionally, significant contributions of diatoms or chrysophytes to the autochthonous bioproduction is indicated by high organic SiO2 contents and elevated concentrations of nC15 and nC17 alkanes. No proof for a significant contribution of cyanobacteria to the photosynthetic community was obtained. Aquatic macrophytes vegetation in shallow waters can be identified in several stages of the lake history by elevated concentrations of characteristic lipids in the nC20 to nC24 range. For these samples nC20 to nC24 lipid carbon-isotope values depleted by more than 6 per mill were encountered. Indications for microbial activity within the lake are given by the identification of a suite of hopanes and hopanoic acids. Based on their isotopic composition, 2(beta)-hopanes and 2(beta)-hopanoic acids can be attributed to methylotrophic organisms and indicate an active methanogenetic cycle within the Lake Enspel ecosystem. Furthermore, the comparably heavy carbon isotopic composition of the trishomohopanoic acid indicates photosynthetic bacterial activity within the water column. As a third bacterial consortium chemoautotrophic bacteria belonging to a "mid-water community" can be differentiated. Based on this results, a model of the organofacies evolution of Enspel lake is reconstructed.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Lüniger, Guidoguido.lueniger@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-9728
    Subjects: Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Organofazies , Paläoumwelt , Biomarker , organische Kohlenstoffisotopie , C4-VegetationGerman
    organofacies , paleoenvironment , biomarker , organic carbon isotopic composition , C4-vegetationEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Geologisches Institut
    Language: German
    Date: 2002
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 18 November 2002
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 08 Sep 2003 08:59:02
    Referee
    NameAcademic Title
    Schwark, LorenzHD Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/972

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