PALEOLIMNOLÓGIA Geokémiai archívumok

Átírás

1 PALEOLIMNOLÓGIA ok

2 Az üledék geokémiája függ: a vízgyűjtőről származó bemosódástól felszínalatti víz hatásától vegetációtól légköri viszonyoktól a tavak belső viszonyaitól

3 A belső és külső erőkre jelentős hatással bír a klíma, és az utóbbi ezer évet számítva az emberi tevékenység egyaránt. A geokémiai eredmények nagyban függnek a különböző hatásoktól. A kémiai adatok interpretálása során más archívumok pl. üledékföldtani, paleontológiai eredményekre is figyelemmel kell lenni.

4 Nem szabad a kémiai sztratigráfiai eredményeket közvetlenül a a vízgyűjtőre, vagy a légköri környezetre vonatkoztatni, mivel sok minden elfedi a tényleges viszonyokat. Ilyen filterek: Hidroklíma filter: tartózkodási idő, üledék áthalmozódása, az üledékszemcsék és a redox fókuszálása, élőlények felvétele, bioturbáció. A tavi üledék integrálja a lokális változásokat, az üledékképződés sebességét, lejátszódó folyamat geokémiai fókuszálását.

5 A tavi heterogenitás szintén befolyásolja a geokémiai eredményeket, ezért az általános tavi történet leírásához ezeket is figyelembe kell venni. Különösen igaz ez a paleotavi üledékekre.

6 Milyen hatások érhetik az üledéket a kiülepedés során: diagenezis: kezdete: rétegterhelés hatására tömörödés (kompakció) lép fel Vízvesztés Keményedés (konszolidáció) Kőzetesedés (litifikáció) valamely cementáló anyag hatására, vagy egyszerűen a nyomás miatt összetapadó szemcsék miatt. Bioturbáció kis időléptékben (pl. 20. századi szennyezések felismerése), lassú ülepedési ráta esetén olyan nagy probléma, hogy lehetetlenné válik a geokémiai anyagáramok paleolimnológiai rekostrukciója nagy időlépték esetén (ezer éves távlatok) a bioturbáció hatása a tendenciák, ciklusok megállapításához elhanyagolható

7 Ilyen értelemben: Főelemek: >1% nagyobb tömegarányt képviselnek (száraz anyagra vonatkoztatva) kis jelentőségű (minor) elemek: 0,1 1% Nyomelemek: < 0,1% Az üledék akkumulációs vagy ülepedési sebességének ismeretében meg lehet adni a kémai elemek anyagáramát: pl. mg cm-2 yr-1 előnye az input áramok közvetlen összevetése az üledékoszlop mentén Növekedő akkumulációs ráta az erózió miatt stb. precíz kormeghatározást igényel Téves interpretáláshoz vezet, ha az akkumulációs folyamatok nincsenek összefüggésben az input rátával Ezért szükséges a koncentrációkat és az anyagáramot egyaránt figyelembe venni az adatok összevetésében

8 A kémiai eredmények elemarányban vagy molekula arányban összevethetők.

9 Fő és nyomelemek: Kovasav és Alumínium Relatíve nem-reaktív és oldhatatlanok a leggyakoribb redox és ph viszonyok között ásványi Si és az Al a mállási folyamatokból származnak intenzívebb mállás miatt, a meleg és/vagy csapadékos időszak indikátorai redox viszonyok változása befolyásolja mennyiségüket, ezért az Fe, Mn változást is figyelni kell az autogen Si koncentráció származhat, a biogén Si és a magas ph-jú környezetben történő kicsapódásból Nagyon fontos az ásványi és a biogén Si elkülönítése, mérése

10 Fő és nyomelemek: Szilícium és Alumínium Az Al mennyiségére hatással van a tavi környezet ph viszonya: Savas környezetben oldékony Gyenge pufferkapacitású tavakban a savasodás jelezheti, de Az üledékben való viselkedése komplex, gyakran ellentétes folyamatokat jelez Modern tavak savasodásának vizsgálata azt mutatta, hogy az Al és a ph kapcsolatot nem lehet egyszerűen leírni Al csökkenés a gyors export számlájára is írható Néhány mesterséges savasodásnak kitett tóban Al koncentráció növekedést tapasztaltak, a savas kezelés után, amikor a ph megnőtt. Azonban, ha nagy oldott Al terhelés érkezik a tóba, a víz szezonálisan túltelített lehet magas ph-n, ahol az Al kiválik. Sekvenciális extrakcióval elkülöníthető a vízgyűjtől származó Al csapadék, a vízoszlopból kiválótól. Ezek ellenére az Al tartalom a vízgyűjtó ph viszonyait jelző jó indikátor.

11 Bigén kova (SiO2) Az üledék kova tartalma nagyobb részt biogén eredetű főként kovaalgák vázából származik, de Chrysophyta, magasabb rendű növények leveléből, de szivacsokból is Sokkal reaktívabb, gyorsabban oldódik, mint az ásványi forma, ezért a nedves roncsolás során könnyebben oldatba vihető Sokan a produktivitás indikátorának tartják De: az üledék biogén Si tartalma a kiülepedő kova tartalom és az visszaoldódás eredője

12 Bigén kova (SiO2) Ha a visszaoldódás aránya jelentős akkor a produktivitás becsléséhez két feltétel marad: A BSi akkumulációja a kovaalgák produkciójának függvénye (az algák elpusztulása után a visszaoldódás konstans) tavi elsődleges termelését a kovaalgák produktivitása jelenti Ezt megerősítheti más indikátorok is, pl. a Bsi és a TOC tartalom közötti korreláció Vagy a ellentétes kapcsolat a fenti két paraméter és az oldott kationok között. Ugyanis meleg és/vagy csapadékos klímán a nő a tavak produktivitása, míg a mállatlan (Na, K ionokban gazdag) ásványi input csökken A diatóma produktivitás másrészt függ a rendelkezésre álló növényi tápanyagoktól, a vízhőmérséklettől, turbiditástól, különösen a nagy szélességi övezetben fekvő tavak esetén a jégmentes időszak hosszától

13 Bigén kova (SiO2) Évtizedes-évszázados időskálán a BSi akkumulációja alapvetően a tápanyagok mennyiségétől, a diatómák növekedésétől (szaporodásától) és akkumulációjától függ. Az észak-amerikai Nagy-tavakban kimutatták, hogy a humán tevékenység következtében megnőtt foszforterhelés okozta a BSi koncentráció növekedést. Nagyobb időskálán ( év) a BSi koncentráció változása a klíma változására utalhat A 250 ezer éves üledékmagon a Bajkál tóban azt tapasztalták, hogy a melegebb interglaciálisokban nagyobb volt BSi koncentráció, míg a hideg glaciálisokban pedig alacsonyabb

14 Bigén kova (SiO2) A sikeres paleoproduktivitás indikátor szerep ellenére a BSi/produktivitás összefüggés csak korlátozottan igaz Vannak esetek, amikor nincs kapcsolat a BSi és más produktivitás jelző paraméter között A diatómákat gyakran kiszorítják egyéb algafajok a tápanyagokért folyó versenyben Változások a tartózkodási BSi idejében vagy a kínálati rátában jelentősen elfedi a produktivitással való kapcsolatot Johnsson et al, 1998 Viktória-tó, Nílus eredete Ezek ellenére, a BSi változása interpretálható produktivitási és klimatikus viszonyokkal

15 Kálium, Nátrium és Titán Na és a K: Ezen konzervatív ionok elsősorban a magas szalinitási körülmények között halmozódnak fel az üledékben Édesvizek üledékébe a vízgyűjtő talajának mállása során jutnak (Üledékes kőzetekből, agyagásványokhoz kötve) É-európai, É-amerikai tavakban jól jelezték a mállás intenzitásának, az eróziónak a növekedését, ami elsősorban a klimatikus okokra volt visszavezethető A glaciális időszakot követő nagyfokú eróziót és szárazföldi üledék bemosódást jelzi mennyiségük Jelzik az erdőírtások során fellépő eróziót Ugyanakkor mennyiségük csökken amikor a vegetáció sűrűsödik, a talaj stabilizálódik Azonban egyéb input elfedheti ezeket a kapcsolatokat

16 Titán Mennyiségi változásai a K, Na-hoz hasonlóan az eróziós folyamatokat jelzi Sós tavakban: Ásványok kiválása során jelenik meg az üledékben Az ásványok kialakulását egyéb tényezők határozzák meg A sós tavak történelmében geokémiai jelentősége így az ásványok alakulásának, semmint az elemk változásának van

17 Kalcium, Magnézium és Stroncium Az üledékes kőzetek fő alkotórésze Mennyiségük néha hasonló módon interpretálható, mint a kova tartalom és a szerves anyag mennyiség Lebegő-anyag tartalomban hasonló módon jelentekeznek, mint a Na és a K, jelzik a intenzívebb eróziót Jelentőségük a autogén karbonátásványok, az gerinctelenek vázának karbonáttartalmának alakulásában van

18 Kalcium, Magnézium és Stroncium Kemény, karbonátos vizekben a növekvő szalinitással nő a Mg/Cavíz aránya: alacsony Mg-tartalmú calcit nagy Mg-tartalmú kalcit aragonit dolomit sor szerint A különböző karbonát ásványok azonban nem egyformán fogadják be a Sr és Mg atomokat a kristályrácsba Sr aragonit Mg kalcit Ebből következik, hogy az autogén karbonátok a Sr/Ca és a Mg/Ca aránya jó információt ad a párolgásban bekövetkező változásokról

19 Kalcium, Magnézium és Stroncium A karbonát ásványok komplikált mineralógiája miatt, az Ostracoda héjak vizsgálata kerülte ez előtérbe, mivel a héjak ásványi összetétele az alacsony Mg-tartalmú kalcitnak felel meg Az Ostracodák vedlés során képzik héjukat, amely nagyon gyors folyamat; ez alatt veszik fel a Ca, Mg, Sr ionokat A héjban a Ca és a Mg található a meg a legnagyobb (0,1 1 mol%), míg a Sr jóval kisebb mennyiségben 0,03 0,5 %-ban

20 Kalcium, Magnézium és Stroncium Számolható egy részesedési koefficiens: Kp(Me)=(Me/Ca)v/(Me/Ca)w ahol Kp = az adott (Me) ion részesedési koefficiense, Me = vagy a Mg2+, vagy a Sr2+ v = héj w = környező víz

21 Kalcium, Magnézium és Stroncium Számolható egy részesedési koefficiens: Kp(Me)=(Me/Ca)v/(Me/Ca)w ahol Kp = az adott (Me) ion részesedési koefficiense, Me = vagy a Mg2+, vagy a Sr2+ v = héj w = környező víz

22 Kalcium, Magnézium és Stroncium A koefficiens fajfüggő, a rokonfajoknak hasonló a részesedési koefficiense A korai munkák alapján a Ca-Mg-Sr rendszert paleosalinometernek és paleotermométernek javasolták használni, de később komplikációk léptek fel a használatuk során A Sr/Ca arány mérések eredménye kimutatta, hogy a Sr/Cavíz sok tóban a szalinintással mutat összefüggést Azonban az autogén Sr-tartalmazó ásványok befolyásolják az Ostracodák által felvehető Sr mennyiségét Szikes vizekben víz Ca tartalma gyakran lecsökken a víz telített sósviz kialakulása közben, és gyakran Sr ásványok is lerakódnak A Sr/Ca aránnyal ellentétben a Mg/Ca arány hőmérséklet függő A héj Mg/Ca aránya inkább a környezet hőmérsékletétől függ, mint a környező víz Mg/Ca arányától, amit a metabolikus Mg felvételi sebesség határoz meg

23 Vas és Mangán Az üledék Fe és Mn tartalma az ásványi szemcsékből, oxidokból, kolloidokból és szerves komplexekből származik A talajok savassága és reduktív viszonyai határozzák mobilitásukat pl. tűlevelű erdővel borított talajú vízgyűjtőről nagyobb a Fe és Mn bemosódás Mivel a redox befolyásolja az oldhatóságukat ezért kézenfekvő használatuk a redox viszonyok változásának rekonstrukciójára Ezen rekonstrukciók azonban sokszor ellentmondásosak A Mn kissé magasabb oldhatósága alacsony oxigén tartalmú környezetben kézenfekvő magyarázat ilyen interpretációra A növekvő Fe/Mn arány redukáló környezet erősödésére utalhat, különösen kevés Fe tartalmazó vízben A Fe/Mnsediment arány csökkenése azt mutatta, hogy az anoxia permanensé vált A növekvő Fe/Mn arány a elmocsarasodott talajok alacsony oxigéntartalmát jelzi a vízgyűjtőn. Ekkor a Fe és Mn másodlagosan jut a tóba a talajvízen vagy a mocsara terülten keresztül

24 Vas és Mangán Az üledék Fe és Mn tartalma az ásványi szemcsékből, oxidokból, kolloidokból és szerves komplexekből származik A talajok savassága és reduktív viszonyai határozzák mobilitásukat pl. tűlevelű erdővel borított talajú vízgyűjtőről nagyobb a Fe és Mn bemosódás Mivel a redox befolyásolja az oldhatóságukat ezért kézenfekvő használatuk a redox viszonyok változásának rekonstrukciójára Ezen rekonstrukciók azonban sokszor ellentmondásosak A Mn kissé magasabb oldhatósága alacsony oxigén tartalmú környezetben kézenfekvő magyarázat ilyen interpretációra A növekvő Fe/Mn arány redukáló környezet erősödésére utalhat, különösen kevés Fe tartalmazó vízben A Fe/Mnsediment arány csökkenése azt mutatta, hogy az anoxia permanensé vált A növekvő Fe/Mn arány a elmocsarasodott talajok alacsony oxigéntartalmát jelzi a vízgyűjtőn. Ekkor a Fe és Mn másodlagosan jut a tóba a talajvízen vagy a mocsara terülten keresztül

25 Vas és Mangán Az Fe/Mn arány a paleotavak esetében a vízszint változások rekonstrukciójára is alkalmazható Egyéb faktorok is befolyásolják az üledék Fe és Mn tartalmát ezért óvatossággal kell az interpretációt elvégezni: Nem minden tó mutatja a fenti Fe/Mn mintázatot Az ásványosodási folyamatok néhány hét alatt a frissen homogenizálódott üledékben is határozott mélységi rétegződést hoznak létre, a Fe mobilitásának változásának megfelelően az üledékfelszíni és az felszínközeli rétegekben Karbonátos üledékben az Fe Mn arány az ásványosodástól függ Mint a Mg az Fe és a Mn is a kalcitba kötődik, míg az aragonitból kiszorul A kén tartalom is nagyban befolyásolja a Fe/Mn interpretációját

26 Foszfor Az eutrofizációs folyamatok miatt a foszfor paleolimnológiai vizsgálata nagyon fontos Megnehezíti a vizsgálatot és az interpretációt az foszfor diagenetikai mobilitása és a biológiai hozzáférhetőssége az üledék víz határon A foszfor akkumuláció ritkán tükrözi a foszforterhelés mértékét A P kapcsolata a karbonátokhoz és a Fe-kolloidokhoz, előrevetíti, hogy az üledék foszfortartalmát inkább az víz-üledék határ redox folyamatai határozzák meg, mint a P koncentráció, vagy terhelés A kovaalgák mennyiségét is a P határozza meg, ezért a a diatómák inkább az epilimnion P tartalmát jelzik, függetlenül az üledék P tartalmától Az üledék P tartalmát elemző tanulmányok gyakran nem találtak összefüggést egyéb tápanyagterhelést jelző paleoindikátorokkal

27 Foszfor Ahol van összefüggés az üledék foszfortartalma és a víz foszfor koncentrációja között annak két oka volt: Különösen magas volt a P terhelés, amely már nem korlátozta az elsődleges termelést Mély meromiktikus tavak esetében, ahol a mély vízrétegek P akkumulációja független a felső rétegben a P felvételtől és a tápanyag körforgástól

28 Kén Az üledékben a S atmoszférikus eredet, felszíni befolyásból és a felszín alatti vizekből származik Inorganikus formában, ill. szerves S tartalmú vegyületek formájában Paleolimnológi jelentőssége: Nagyon öreg üledékekben ahol a szerves eredet már megállapíthatatlan, a tavi vagy tengeri eredetének meghatározására Nagyon recens üledékekben a savasodás kimutatására a kis pufferkapacitású tavakban A antropogén hatás kimutatására

29 Kén Tavi környezetben a S eredete nagyrészt szerves eredetű, különösen oligotróf tavakban Tengeri környezetben a szulfát játszik lényeges szerepet a S ciklusban A szeszton C/S tartalma tükrözi a C és S kapcsolatát Az oceánok összes-s és SO4tartalma jóval magasabb mint a tavaké A C/S arány a tavakban jóval magasabb (40-102), mint a tengerek, óceánok esetében (0,5-5)

30 Kén A tavak üledékének S tartalma szintén szoros kapcsolatot mutat a C, Fe és P tartalommal A sulfid tartalom a lényeges indikátor, mivel a erről van a legbővebb ismeretünk A SO4 baktériumok redukálják H2S-dá, vagy a vízoszlopban a rétegzett tavak, vagy az üledék bioturbált zónája alatt a jól átkevert tavak esetében Ehhez a folyamathoz egyaránt kell szervesanyag és SO4, A tavak esetében, szemben az óceánokkal, gyakran az

31 Kén SO4 rendelkezésre állást kénizotóp 34S/32S vizsgálatokkal lehet nyomon követni: A H2S 34S tartalma alacsonyabb, ha sok a szulfát A H2S 34S tartalma magasabb, ha kevés a szulfát A H2S keletkezése után a vízoszlopban és az üledékben egyaránt sokféle folyamaton megy keresztül: Reakcióba lép a Fe-sal Fe-diszulfid keletkezik Reakcióba lép más szervesanyagokkal Eltávozik az üledékből diffúzióval, vagy másodlagos oxidációval újra szulfáttá, vagy elemi kénné alakul

32 Kén SO4 rendelkezésre állást kénizotóp 34S/32S vizsgálatokkal lehet nyomon követni: A H2S 34S tartalma alacsonyabb, ha sok a szulfát A H2S 34S tartalma magasabb, ha kevés a szulfát A H2S keletkezése után a vízoszlopban és az üledékben egyaránt sokféle folyamaton megy keresztül: Reakcióba lép a Fe-sal Fe-diszulfid keletkezik Reakcióba lép más szervesanyagokkal Eltávozik az üledékből diffúzióval, vagy másodlagos oxidációval újra szulfáttá, vagy elemi kénné alakul

33 Kén A Fe-S interakciót meghatározza, hogy mennyi áll rendelkezésre, és hogy a Fe milyen formában van jelen A S-hez hasonlóan az Fe is ritkán van korlátozott menyiségben jelen A Fe mennyiségét meghatározza a diszulfid tartalmú ásványok (pirit) keletkezésének rátája,valamint, hogy a Fe-oxidok reaktívabbak, mint a Fe-szilikátok Nem-rétegzett tavakban a Fe-szulfidok a szulfát redukció helyéhez közel jönnek létre, míg rétegzett tavakban a H2S az advekciós áramlás miatt az egész vízoszlopban eloszlik Az FeS2 gyakorlatilag nem oldódik anoxikus körülmények között, így felgyűlik az üledékben ezáltal ebben az esetben a paleoredox folyamatok indikátora lehet, kivéve a másodlagos redoxidációs folyamati megléte esetén

34 Kén A számos ásványosodási folyamat miatta paleolimnológiai interpretációja a S koncentrációnak nagyon összetett, ezért kiegészítésként egyéb vizsgálatok is kellenek: S izotópok A szerves anyagok mikroszkópos analízise Mindezek felhasználásával a S felhasználható: Vízszint változás Vegetációs történet Változások a mikrobiális közösségekben Savasodás nyomonkövetésében

35 Nyomelemek Nagyon kis mennyiségben fordulnak elő indikátorai az üledék forrásának, vagy a szennyezésnek alapkőzet eróziója felszíni, felszínalatti hozzáfolyás bányák derítőjéből kommunális és ipari szennyvíz atmoszferikus emisszió

36 Kerfoot, W. C., G. Lauster & J. A. Robbins, Paleolimnological Study of Copper Mining Around Lake Superior : Artificial Varves from Portage Lake Provide a High Resolution Record. Limnology and Oceanography 39: Portage Lake

37 Marótzugi-Holt-Tisza Zalavári-víz

38 Pb

39 Szerves anyag a tavi és terresztris ökoszisztémák változásáról szolgáltat információt autochton allochton az allochton és autochton eredet nehezen elkülöníthető az összes szerves anyag egyszerűen, könnyen meghatározható

40 Szerves anyag

41 C/N arány a fitoplankton eredetű szerves anyagnak kisebb a C/N aránya mint a szárazföldinek az allochton, autochton eredet megkülönböztethető de az N diagenezise (denitrifikáció) csökkenti növeli az arányt, erősödik a szárazföldi szignál

42 Szerves hidrokarbon analízis különböző eredetű szerves anyagok H tartalma is eltérő H nagyobb számban van a lipidekben, amiben az alga sejtek gazdagabbak a cellulóz, lignin kevesebb H tartalmaznak H meghatározható Rock Eval pirolízissel

43 Pigmentek SPDU (Sedimentary Pigment Degradation Unit)

44 Pigmentek Az algatörzseknek jellemző pigmentjeik vannak, amik HPLC-vel elválaszthatók

45 Pigmentek Az algatörzseknek jellemző pigmentjeik vannak, amik HPLC-vel elválaszthatók P:planktonikus L: litorális t: terresztris s: bomlástermék