Universität zu Köln

Moschen, Robert (2003). Die Sauerstoffisotopenverhältnisse des biogenen Opals lakustriner Sedimente als mögliches Paläothermometer. Eine Kalibrierungsstudie im Holzmaar (Westeifel-Vulkanfeld). PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

ZUSAMMENFASSUNG Innerhalb Mitteleuropas stellen die lakustrinen Sedimente des Holzmaares ein besonders gut geeignetes Paläoklimaarchiv zur Rekonstruktion der Klimageschichte eines menschlichen Lebensraumes dar. Da paläoklimatische Informationen in Klimaarchiven in verschlüsselter Form vorliegen, ist es nur möglich quantitative Stellvertreterdaten, sog. Proxiedaten, also Daten mit extrahierbaren Klimainformationen, zu ermitteln. In der vorliegenden Kalibrierungsstudie wird die Eignung der Sauerstoffisotopenverhältnisse von fossilen Diatomeenvalven (Kieselalgenschalen) aus lakustrinen Sedimenten als möglicher Temperaturproxieparameter untersucht. Dabei wird ein Zusammenhang zwischen dem Isotopenverhältnis des biogenen Opals rezenter Diatomeenvalven und der Wassertemperatur im Zeitraum der Valvenbildung erstmals in einem offenen lakustrinen Ökosystem beschrieben. Eine im Holzmaar durchgeführte vierjährige Freilandstudie diente der Untersuchung sämtlicher Parameter, die für das Sauerstoffisotopenverhältnis der opalartigen Gerüstsubstanz der Kieselalgen verantwortlich sind. Dabei wurden die saisonalen Variationen meteorologischer Größen und die zugehörigen Veränderungen der physikalischen und chemischen Parameter im Wasserkörper des Sees in zeitlich hoher Auflösung erfasst. Es zeigte sich, dass das Epilimnion der wichtigste Bereich des Gewässers bei der Übertragung von Umweltinformationen in die als Paläoklimaarchiv nutzbaren holozänen und spätglazialen Sedimente des Sees ist. Bezogen auf die mögliche Eignung fossiler Diatomeenvalven zur Temperaturrekonstruktion erfolgt im Epilimnion der Transfer von Klima- bzw. Witterungssignalen aus der Atmosphäre in das Gewässer und weiter in den biogenen Opal. Es konnte nachgewiesen werden, dass die in Form einer Gleichgewichtsreaktion ablaufende Sauerstoffisotopenfraktionierung zwischen dem Wasser und dem biogenen Opal der Algenskelette temperaturabhängig ist. Von besonderer Bedeutung für die Ableitung einer Beziehung zwischen Fraktionierung und Wassertemperatur ist neben der Temperatur im Zeitraum des Algenwachstums auch das zugehörige Sauerstoffisotopenverhältnis des Wassers, da dieser den sog. Quellwert für die Isotopenfraktionierung darstellt. Die räumlichen und zeitlichen Variationen der Wassertemperatur und des Sauerstoffisotopenverhältnisses des Wasserkörpers wurden im Holzmaar über vier Jahre beobachtet, und die enge Kopplung der Wassertemperatur im Epilimnion an die Lufttemperatur wurde dokumentiert. Aus den während der Geländekampagne gewonnenen rezenten Sedimentproben wurden die Kieselschalen mit Hilfe der SPLITT-Fraktionierung separiert und in drei Größenklassen unterteilt. Zur quantitativen Extraktion des im biogenen Opal der Kieselschalen gebundenen Sauerstoffs wurde mit dem Hochtemperatur-Aufschlussverfahren ein völlig neuartiges Verfahren entwickelt, das die vollständige Umwandlung des Opals in ein für die Isotopenanalytik notwendiges Messgas ermöglicht und das zudem eine hervorragende Reproduzierbarkeit der Analyseergebnisse bei gleichzeitig relativ hohem Probendurchsatz gewährleistet. Als wichtigstes Ergebnis der vorliegenden Arbeit konnte im Holzmaar unter den gegenwärtigen Umweltbedingungen auf der Basis der ermittelten Variationen der Sauerstoffisotopenverhältnisse des biogenen Opals eine systematische Beziehung zwischen der Sauerstoffisotopenfraktionierung und der Wassertemperatur während des Kieselalgenwachstums nachgewiesen werden. Der Gradient dieses Zusammenhangs, der Temperaturkoeffizient, charakterisiert die Größe der Veränderung der Fraktionierung mit einer vorgegebenen Wassertemperaturveränderung. Er beträgt im offenen pelagischen Ökosystem des Holzmaares im Temperaturintervall zwischen 3 und 22 °C im Mittel -0,19 ‰/°C. Als Konsequenz des ermittelten Koeffizienten kann die Ableitung von Paläowassertemperaturänderungen mit Hilfe von biogenem Opal im Holzmaar grundsätzlich nach der Gleichung T H2O (°C) = 190,07 - 5,26 (Sauerstoffisotopenverhältnis Opal - Sauerstoffisotopenverhältnis Wasser) erfolgen. Der systematische Zusammenhang zwischen der Sauerstoffisotopenfraktionierung und der Wassertemperatur im Zeitraum des Kieselalgenwachstums eröffnet die Möglichkeit, aus den Sauerstoffisotopenverhältnissen fossiler Diatomeenvalven lakustriner Sedimente Wassertemperaturänderungen früherer Zeitabschnitte abzuleiten, wenn zusätzlich Informationen über das Sauerstoffisotopenverhältnis des Wassers, i.e. den Quellwert der Isotopenfraktionierung, vorliegen. Wie in dieser Arbeit gezeigt werden konnte, ist die oberflächennahe Wassertemperatur der Eifelmaarseen in hohem Maße von Veränderungen der regionalen Lufttemperatur abhängig. Hierduch sollte es in Zukunft möglich sein, durch den Einsatz von quantitativen Verknüpfungen (Transferfunktionen) mit Hilfe der Sauerstoffisotopenverhältnisse fossiler Kieselschalen aus den holozänen und spätweichselzeitlichen Sedimenten der Eifelmaarseen Veränderungen der Lufttemperatur im Eifelraum zu beschreiben.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Oxygen isotopes from biogenic silica of lake sediments as a possible palaeothermometer - A calibration study at Lake Holzmaar (Eifel volcanic field, Germany) English
Translated abstract:	Abstract Language ABSTRACT Biogenic silica from diatom frustules could be an important tool in reconstructing the climate and ecology of the past, because its oxygen isotope composition is potentially useful as a lacustrine palaeothermometer, particularly in those cases where the commonly used calcareous microfossils are rare or absent. Diatom frustules are said to be very stable over long time periods and thus the stable oxygen isotopes within the frustule´s SiO2 should allow the development of a paleothermometer. Up to now data from calibration studies are rare, and there are only rough estimates regarding the relationship between the oxygen isotope composition of the biogenic silica from diatom frustules and the temperature of the water at growth. The aim of this study was to provide evidence that the oxygen isotope composition of diatomaceous silica varies regularly with temperature during diatom growth. A further objective was to investigate if a species-dependent fractionation effect exists during the SiO2 uptake and skeletal formation by the diatoms. In a case study of four years meteorological, hydrological and isotope-geochemical data of high time resolution were recorded. The results show that the most important zone which depicts the temperature information by the oxygen isotope signal is the epilimnion of the lake. Its spatial and temporal variations of water temperature and oxygen isotope values are the essential factors for the oxygen isotope signature of diatom silica. During the investigations a large number of samples of settling matter were collected in sediment traps at a depth of seven meters just below the euphotic zone of the lake. For the deduction of the temperature-dependent oxygen isotope fractionation, preserved in biogenic silica of recent freshwater diatoms, lake water temperature and the oxygen isotope values of the ambient water were determined accordingly. The diatom frustules were separated from the bulk sediment by SPLITT fractionation and the oxygen bound in the silica extracted quantitatively applying a completely new method (developed in the Institute of Chemistry and Dynamics of the Geosphere V: Sedimentary Systems at the Research Centre Jülich) which is based on the disintegration of the siliceous material and its reduction by carbon under high vacuum at temperatures of about 1530 °C. At this temperature the biogenic silica decomposes quantitatively, whereby the liberated oxygen is converted to carbon monoxide (CO). The CO, whose oxygen isotope composition remains equivalent to that of the biogenic silica, is afterwards analysed in an isotope ratio mass spectrometer. Each sample was analysed up to 4 times and the achieved reproducibility is basically better than ±0.15 ‰. Based on the obtained data, a strong linear correlation between fractionation and the respective water temperature was found within the seasonal cycle. This leads to an overall temperature coefficient of ≈ -0.2 ‰ per °C for water temperatures between 3 and 22 °C. No evidence could be found to justify the application of different temperature coefficients for different temperature intervals. Therefore, the functional relationship between the water temperature which prevailed during valve formation and the fractionation results in T(°C) = 190.07 - 5.26 (oxygen isotope ratio Opal - oxygen isotope ratio Water). In order to investigate a possible species-dependent fractionation effect, all samples were separated into three size classes, i.e. 20-80 µm, 10-20 µm and 5-10 µm respectively, before oxygen isotope measurements. However, separation did not lead to monospecies samples but the different size classes merely represent an enrichment of different sized genera in respective classes. Calculating the fractionation for the three size classes separately resulted in fractionation values of -0.21 ‰, -0.19 ‰ and -0.19 ‰ per °C respectively. This negligibly differences between the fractionation values are within the methodologycal uncertainties. Thus, no species-specific differences occur during oxygen isotope fractionation of freshwater diatoms in Lake Holz-maar under recent ecological conditions. This indicates that the fractionation between biogenic silica produced by freshwater diatoms and water is a purely physical process independent of diatom species. Therefore the relationship between the oxygen isotope fractionation and the lake water temperature offers the possibility to use the oxygen isotopes from biogenic silica deposited in lake sediments as a temperature-proxy in order to reconstruct changes in water temperature of the past. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Moschen, Robert r.moschen@fz-juelich.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-12873
Date:	2003
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Geographisches Institut
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language biogener Opal, Sauerstoffisotope, Paläothermometer, lakustrine Sedimente German diatomaceous silica, oxygen isotopes, palaeothermometry, lake sediments English
Date of oral exam:	3 February 2004
Referee:	Name Academic Title Radtke, Ulrich Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1287