Geochemical focusing of manganese and iron in lakes and its impact on vivianite occurrence

Scholtysik, Grzegorz; Littke, Ralf (Thesis advisor); Arz, Helge Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Seen sind sehr empfindlich gegenüber natürlichen und anthropogenen Einflüssen. Insbesondere seit den letzten zwei Jahrhunderten hat sich die Umwelt drastisch geändert, wegen klimatischer Veränderungen und anthropogener Aktivitäten, die mit der Industriellen Revolution zusammenhängen. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit sind Seesedimente exzellente Archive, die jene Umweltveränderungen aufzeichnen. Um diese Archive zu entschlüsseln, nutzt die Paläolimnologie sedimentäre Proxies wie z.B. die elementare Zusammensetzung, das Massen-Verhältnis verschiedener chemischer Elemente, oder das Auftreten bestimmter Organismen. In dieser Studie wurden Sedimentprofile, sedimentierendes Material (Seston), Wasserproben und Porenwasserprofile gesammelt und analysiert; diese neuen Daten wurden mit Monitoringdaten und historischen Aufzeichnungen verglichen. Das Ziel war es, neue Proxies zu entwickeln oder für bereits existierende bessere Interpretationen zu finden. Es wurde insbesondere der noch nicht ausreichend verstandene Effekt der geochemischen Fokussierung studiert, der einen Resedimentationsprozess von Redox-sensitiven Elementen beschreibt. Zwei Seen, die in ihrer jüngsten Geschichte Eutrophierung erfahren haben, sind in dieser Studie dargestellt: der Stechlinsee und der Arendsee. In beiden Seen wurden ausgeprägte Anreicherungen von reaktivem und Redox-sensitivem Mangan (Mn), Eisen (Fe) und Phosphor (P) beobachtet. Im Stechlinsee wurde vor allem eine Anreicherung von Fe in Sedimenten beobachtet, die unter oligotrophen Verhältnissen abgelagert wurden. Seitdem der See anfing, mesotroph zu werden, wurden hingegen Mn-Gehalte von bis zu 18 Gew.-% abgelagert. Im Arendsee wurden sowohl Mn und Fe in Sedimenten angereichert, die unter mesotrophen Verhältnissen abgelagert wurden. Die Anreicherungen werden als Folge von geochemischer Fokussierung betrachtet, eines Prozesses, der durch eine vermehrte Sedimentation von organischem Material, dessen Zersetzung und zunehmend reduzierender Bedingungen begünstigt wurde. Anhand von Untersuchungen von sedimentierendem Material ist es gelungen zu zeigen, dass Sedimente in flachen Wassertiefen höchstwahrscheinlich die Quelle von gelöstem Mn und Fe sind, die nach einer Diffusion aus dem Sediment in der Wassersäule oxidiert werden, sodass sie als Partikel bis zum tiefsten Punkt nahe an der Sediment-Wasseroberfläche transportiert werden können. Mineralogische Methoden (nasschemische Fraktionierung, Röntgendiffraktometrie, Mikroskopie) gestützt durch Porenwasserprofile haben gezeigt, dass diagenetische Transformationen zu einer Bildung von Vivianit (Fe2[PO4]2×8H2O), Kalzium-reichem Rhodochrosit (Mn(Ca)CO3), und wahrscheinlich anderen Mn-Fe-Karbonaten ähnlich dem Ankerit (CaFe[CO3]2) geführt haben. Ungefähr seitdem der Stechlinsee mesotroph und der Arendsee eutroph geworden ist, hat die geochemische Fokussierung und Anreicherung von Fe (bis zu 8 Gew.-%) aufgehört. Diese Tatsache wird durch Fixierung von Fe in flachen Sedimenten als FeS2 erklärt, die seine Mobilität einschränkt. Zusammenfassend tritt die geochemische Fokussierung von Fe, Mn und P in tiefen und gut-gemischten sauerstoffreichen Seen verstärkt auf, wie sie in dieser Studie untersucht wurden. Es wurde gezeigt, dass die elementare Zusammensetzung sehr von der Wassertiefe der Probenahmestellen abhängig ist; diese Erkenntnis kann das Verständnis über sedimentäre Redox-Proxies verändern. Es wurde ferner gezeigt, dass Mobilität und Anreicherung von Redox-sensitiven Elementen nicht nur von Redoxbedingungen abhängen, sondern auch von diagenetischen Transformationen, die entweder bestimmte Elemente in Sedimenten als authigene Minerale in flachen Wassertiefen fixieren, oder ihre Auflösung und ihren Weitertransport zu den tiefsten Stellen des Sees bedingen. Es wurde auch gezeigt, dass das Vorkommen von Vivianit von der Wassertiefe und Fe-Anreicherung abhängig ist. Zudem ergeben erste Abschätzungen, dass das Vivianit-Vorkommen für einen signifikanten Anteil der P-Sequestrierung verantwortlich sein kann.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehrstuhl für Geologie, Geochemie und Lagerstätten des Erdöls und der Kohle [532410]