Universität zu Köln

Voigt, Claudia (2020). Tracing the water cycle in the Atacama Desert using water isotopes (δ2H, δ17O, δ18O) and pedogenic salt distributions. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Stable isotope ratios of water (18O/16O and 2H/1H) are widely used in hydrological studies. In contrast to classic tracers (δ2H–δ18O, d-excess), the triple oxygen isotope system (δ17O–δ18O, 17O excess) is virtually insensitive to changes in temperature and salinity, providing additional information on processes in the hydrological cycle. Large isotope effects associated with evaporation occur mainly in response to humidity. These isotope effects can be quantified by the classic Craig-Gordon evaporation model. The main objective of this thesis is to investigate the potential of combined analysis of hydrogen (2H/1H) and triple oxygen (18O/17O/16O) isotopes of structurally bonded water of gypsum (CaSO4 · 2H2O) to quantitatively estimate paleo-humidity and reconstruct past changes in the climatic conditions of the presently hyperarid Atacama Desert. The first study serves to investigate recent dynamics in the isotopic composition of lake water in the complex hydrological system of the Salar del Huasco, Altiplano, Chile, that receives inflow from multiple sources and is affected by seasonal variability in precipitation, temperature and relative humidity. Isotope analyses of lakes and ponds from the Salar del Huasco revealed that their hydrological balance is mainly controlled by evaporation and recharge. Inflow from multiple sources and temporal variability in their isotopic composition lead to scattering of pond data along the evaporation trendline predicted by the Craig-Gordon model. Sporadic flooding events after heavy rainfalls can provoke significant mixing and lead to the emergence of non-recharged lakes. Evaporation without recharge as well as mixing processes can be identified by triple oxygen isotope analysis. The potential occurrence of episodic mixing processes, e.g. due to frequent flooding, should be taken into account in paleo-applications. The second study presents first results of isotope analyses of structurally bonded water of gypsum from paleo-lake deposits in the Atacama Desert. The isotopic compositions of analyzed samples fall on distinct evaporation trends indicating the preservation of the primary isotope signal of paleo-lake water. A Craig-Gordon model together with a Monte Carlo simulation was used to determine the relative humidity that best fit the isotope data in both d-excess vs δ18O space and 17O-excess vs δ18O space. The model output humidity is less affected by changes in the isotopic composition of source water and atmospheric vapor, however, can strongly depend on the selected wind induced turbulence coefficient and the limitations of the recharge rate (E/I). The model provides reasonable humidity values if the input parameters are set within ranges reasonable for the site. Results imply humid conditions in the northern Atacama Desert about 3.5 million years ago that may have been facilitated by permanent El Niño like conditions in the Early Pliocene Warm Period (4.5 – 3.0 Ma). The third study aims to improve the understanding of soil formation and secondary redistribution and transformation processes of evaporites in Atacama Desert soils, which is crucial for the interpretation of isotopic compositions of structurally bonded water of pedogenic gypsum. In this study, thin surface crusts, powdery surface material and subsurface concretions from up to 40 cm depth were sampled along several latitudinal transects between 19.5–25°S and 68.5–70.5°W. Results imply that long-term aridity gradients, sources and secondary mobilization processes control the spatial distribution of highly soluble salts – chlorides and nitrates – as well as gypsum and anhydrite in Atacama Desert soils. Hyperaridity is most persistent between 19-22°S. Exceptionally high chloride contents below the altitude of the atmospheric temperature inversion layer (< 1200 m) as well as Na/Cl ratios of 0.83 – close to the global sea water ratio of 0.86 – suggest sea spray as the primary source of halite. Generally, gypsum and anhydrite are the major minerals in Atacama Desert soils. The association of high anhydrite abundances with high chloride and nitrate contents indicate that anhydrite is a secondary product of dissolution-reprecipitation reactions in highly saline brines. This thesis expands our knowledge of processes controlling the isotopic composition of structurally bonded water of lacustrine and pedogenic gypsum. The results contribute to the development of a powerful isotope tool that can allow for a quantitative reconstruction of past climatic mean states in the Atacama Desert.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Analyse stabiler Isotopenverhältnisse von Wasser (18O/16O und 2H/1H) findet häufig Anwendung in hydrologischen Studien. Im Gegensatz zum klassischen δ2H-δ18O System (d-exess) ist das 3-Sauerstoffisotopensystem (δ17O-δ18O, 17O-excess) nahezu unabhängig von der Temperatur und vom Salzgehalt und bietet somit zusätzliche Erkenntnisse über Prozesse im Wasserkreislauf. Isotopeneffekte, die mit der Verdunstung einhergehen, werden hauptsächlich durch die relative Luftfeuchte in der Atmosphäre kontrolliert. Diese Isotopeneffekte können mit dem klassischen Craig-Gordon-Verdunstungsmodells quantifiziert werden. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es das Potenzial von Wasserstoff- (2H/1H) und 3-Sauerstoffisotopenanalysen (18O/17O/16O) von strukturell gebundenem Wasser in Gips zu untersuchen, um die vergangene relative Luftfeuchtigkeit quantitativ abzuschätzen und Klimaschwankungen in der Vergangenheit der Atacama Wüste zu untersuchen. Die erste Studie untersucht die Dynamik der Isotopenzusammensetzung des Seewassers im komplexen hydrologischen System des Salar del Huasco, Altiplano, Chile, welches durch verschiedene Quellen gespeist und durch saisonale Schwankungen in Niederschlag, Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit beeinflusst wird. Isotopenanalysen von Seen im Salar del Huasco zeigen, dass das hydrologische Gleichgewicht hauptsächlich durch Verdunstung und Zufluss gesteuert wird. Zuflüsse aus mehreren Quellen und zeitliche Variabilität in ihrer Isotopenzusammensetzung führen zu einer Streuung der Isotopendaten der Seen entlang des vom Craig-Gordon-Modell vorhergesagten Verdunstungstrends. Sporadische Überflutungen nach starken Regenfällen können zu Mischungsprozessen und zur Entstehung ephemerer Seen ohne Zufluss führen. Verdunstung ohne Zufluss und Mischungsprozesse können mithilfe von 3 Sauerstoffisotopenanalysen identifiziert werden. Die Möglichkeit episodischer Mischungs-prozesse, zum Beispiel durch häufige Überflutungsereignisse, sollte bei der Paläo-Anwendung berücksichtigt werden. Die zweite Studie präsentiert erste Ergebnisse von Isotopenanalysen von strukturell gebundenem Gipswasser aus lakustrinen Ablagerungen in der Atacama Wüste. Die Isotopen-zusammensetzungen der analysierten Proben fallen auf charakteristische Verdunstungstrends, die auf die Erhaltung des primären Isotopensignals des Paläoseewassers hinweisen. Das Craig-Gordon-Modell wurde zusammen mit einer Monte-Carlo-Simulation verwendet, um die relative Luftfeuchtigkeit zu bestimmen, die die Isotopendaten sowohl im d excess vs. δ18O Diagramm als auch im 17O-excess vs. δ18O Diagramm am besten widerspiegelt. Die Luftfeuchte, die das Modell ausgibt, wird nur minimal durch Änderungen der Isotopenzusammensetzung des Zuflusses und des atmosphärischen Dampfes beeinflusst. Sie kann jedoch stark vom gewählten windbedingten Turbulenzkoeffizienten und den Beschränkungen des Verdunstung-zu-Zufluss-Verhältnisses (E/I) abhängen. Die Modellierung liefert sinnvolle Luftfeuchtigkeitswerte, wenn die Modelleingangsparameter für die jeweiligen Standorte plausibel begrenzt werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass in der nördlichen Atacama Wüste vor etwa 3.5 Millionen Jahren feuchtere Bedingungen vorherrschten. Die Feuchtphase wurde möglicherweise begünstigt durch permanente El-Niño-ähnliche Bedingungen in der Wärmeperiode im frühen Pliozän (4.5 – 3.0 Ma). Die dritte Studie befasst sich mit der Bodenbildung und sekundären Umverteilungs- und Transformationsprozesse von Evaporiten in Böden der Atacama-Wüste. Ein besseres Verständnis dieser Prozesse ist von entscheidender Bedeutung für die Interpretation der Isotopenzusammensetzung des strukturell gebundenen Gipswassers in pedogenen Ablagerungen. Für diese Studie wurden dünne Oberflächenkrusten, pulvriges Oberflächenmaterial und Konkretionen aus bis zu 40 cm Tiefe entlang mehrerer latitudinaler Transekte zwischen 19.5–25°S und 68.5–70.5°W beprobt. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass langfristige Ariditätsgradienten, Quellen und sekundäre Mobilisierungsprozesse die räumliche Verteilung von leicht löslichen Salzen – Chloriden und Nitraten – sowie Gips und Anhydrit in Böden der Atacama Wüste bestimmen. Die Hyperaridität ist zwischen 19-22°S am beständigsten. Außergewöhnlich hohe Chloridgehalte unterhalb der atmosphärischen Temperaturinversionsschicht (< 1200 m), sowie Na/Cl-Verhältnisse von 0.83 – ähnlich dem globalen Meerwasserverhältnis von 0.86 – lassen auf Gischt als primäre Quelle für Halit schließen. Grundsätzlich sind Gips und Anhydrit die häufigsten Minerale in den Böden der Atacama-Wüste. Das Vorkommen von Anhydriten zusammen mit hohen Chlorid- und Nitratgehalten deutet darauf hin, dass Anhydrit ein Sekundärprodukt von Auflösungs- und Fällungsreaktionen in stark salzhaltigen Lösungen ist. Diese Arbeit erweitert das Wissen über Prozesse, die die Isotopenzusammensetzung von strukturell gebundenem Wasser aus lakustrinem und pedogenem Gips kontrollieren. Die Ergebnisse tragen zur Entwicklung eines leistungsfähigen Isotopenwerkzeugs bei, welches eine quantitative Rekonstruktion vergangener klimatischer Zustände in der Atacama Wüste ermöglicht. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Voigt, Claudia c.voigt@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-114722
Date:	2020
Place of Publication:	Köln
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute of Geology and Mineralog
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Water cycle; Triple Oxygen Isotopes; Atacama Desert; Paleo-humidity; (Hyper)aridity English
Date of oral exam:	29 May 2020
Referee:	Name Academic Title Staubwasser, Michael Prof. Dr. Pack, Andreas Prof. Dr.
Funders:	Funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) – Projektnummer 268236062 – SFB 1211, Projekt D03
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/11472