Frontiers in Earth Science

Introduction

Derzeit wurden fast 400 einzelne Seen unter den antarktischen Eisschilden dokumentiert, wobei sowohl „statische“ als auch hydrologisch aktive, durchfließende Seetypen definiert wurden (Smith et al., 2009; Wright und Siegert, 2012). Der Vostok-See liegt zwischen 76 ° und 79 ° S und 100 ° bis 107 ° E und ist seit der Dokumentation seiner Tiefe durch Kapitsa et al. (1996). Der Vostok-See ist mit ~ 260 km Länge und 50 km Breite der größte der subglazialen Seen. Der See hat eine Wassertiefe von mehr als 500 m und liegt unter ~4 km Eis (Siegert et al., 2011). Die Schätzungen für das Alter des Sees deuten darauf hin, dass es für ~ 14 Ma existiert haben könnte, während das Alter des Wassers auf ~ 1 Ma geschätzt wird (Siegert et al., 2011). Bei den Bohrungen des Vostok-Eiskerns wurden über 200 m akkretiertes Seewasser unter Gletschereis meteorischen Ursprungs geborgen (Jouzel et al., 1999). Weitere Arbeiten ergaben, dass es zwei verschiedene Arten von Akkretionseis (Typ 1 und Typ 2) gibt, wobei Typ 1 reichlich Partikel oder „Einschlüsse“ (3539-3609 m Tiefe) enthält und das tiefere Eis vom Typ 2 näher am heutigen Seespiegel (3610-3623 m Tiefe) keine Partikel enthält (De Angelis et al., 2004). In: De Angelis et al. (2004) argumentierten, dass sich das Eis vom Typ 1 aus Seewasser in einer flachen Einbettung mit erodierbaren Seesedimenten bildete, während das Eis vom Typ 2 in tieferen Teilen des Sees erzeugt wurde, wo der Sedimentzugang minimal war.

Es wurden nur wenige Versuche unternommen, subglaziale Umgebungen in der Antarktis direkt zu untersuchen, und Akkretionseis aus dem Wostok-See bietet einen Einblick in biogeochemische Prozesse, die unter dem antarktischen Eisschild ablaufen (Wadham et al., 2010). Seit der ersten Entdeckung des Seeakkretionseises haben zahlreiche Forscher Stücke / Abschnitte dieses Akkretionseises auf seine biologischen, biogeochemischen, geochemischen und mineralogischen Eigenschaften analysiert (z. B. Priscu et al., 1999; Souchez et al., 2000; Simones et al., 2002; Royston-Bishop et al., 2005; Bulat et al., 2009; Leitchenkov et al., 2015). Neuere Arbeiten umfassen auch die Analyse von wiedergefrorenem Seewasser und den damit verbundenen Partikeln (Leitchenkov et al., 2015; Lipenkov et al., 2015). Da das Seewasser noch nicht direkt beprobt wurde, Die Chemie des Sees, und die Prozesse, die es steuern, müssen noch aus der Analyse von Akkretionseis abgeleitet werden. Um dies zu erreichen, müssen jedoch Annahmen bezüglich der Salzabstoßung / -verteilung während der Eisbildung, der Art der zugrunde liegenden Geochemie und der sie steuernden Prozesse, der langfristigen Variation der Größe des Sees und anderer Fragen berücksichtigt werden (Siegert et al., 2011). Aufgrund dieser vielen Unbekannten wurden unterschiedliche Interpretationen der geochemischen / mineralogischen Daten des Akkretionseises vorgenommen (Laybourn-Parry und Wadham, 2014). Zum Beispiel gab es eine rigorose Debatte über die Rolle des hydrothermalen Einflusses des Seewassers, der chemischen Verwitterung und Hydrolyse der Materialien des Seebeckens, der In-situ-Partikelverwitterung und der Auflösung von evaporitischen Materialien als Quellen der wichtigsten gelösten Stoffe im Seewasser (Jean-Baptiste et al., 2001; Souchez et al., 2003; De Angelis et al., 2004). Darüber hinaus ist derzeit unklar, ob die im Typ-1-Akkretionseis gefundenen Partikel von Orten innerhalb des Seebeckens oder vom Schmelzen aus dem Gletschereis stammen (Souchez et al., 2000; Royston-Bishop et al., 2005). In: Christner et al. (2006) prognostizierten aus der Analyse des Akkretionseises eine Reihe von insgesamt gelösten Hauptionen (TDS) im Seewasser, die von ~ 50 mM in der flachen Einbuchtung bis zu ~ 2 mM in den tieferen Teilen des Sees reichen. Dies steht im Gegensatz zu früheren Schätzungen von Einbuchtungswasserkonzentrationen von ~ 2 mM von Priscu et al. (1999) und Siegert et al. (2003).

Nach mehr als 15 Jahren seit der Veröffentlichung der Originalarbeiten zu den Akkretionseisanalysen besteht eindeutig kein Konsens über die Zusammensetzung des Seewassers oder die Quelle des Partikelmaterials im Eis. Neben dem Potenzial der Probenahme des Seewassers direkt, Andere Ansätze sind erforderlich, um die Geochemie des Sees zu bewerten. In diesem Artikel präsentieren wir Strontiumisotopendaten aus einer Probe von Typ-1-Akkretionseis, um neue Einblicke in die Quelle der gelösten Stoffe im Seewasser zu erhalten und somit die Prozesse, die die Geochemie / Mineralogie des Systems steuern, besser einzuschränken.

Methoden und Ergebnisse

Eine Probe aus 3548 m Tiefe, die als Akkretionseis vom Typ 1 gilt (De Angelis et al., 2004) wurde unter sauberen Bedingungen an der Montana State University unter Verwendung der von Christner et al. (2006). Nach der Reinigung der Probe wurde sie in einen vorgereinigten Teflonbehälter gegeben und zur Ohio State University transportiert. Die Verarbeitung bei OSU wurde in einer Klasse 100, Überdruck-Reinhaube durchgeführt, wo die geschmolzene Eisprobe durch einen 0,4 µm Nuclepore Membranfilter gefiltert wurde. Ein Aliquot des Filtrats wurde mit einem Dionex-Ionenchromatographen nach den Methoden von Welch et al. (2010), obwohl eine große ~ 350 µl Probenschleife verwendet wurde, um die Methodenempfindlichkeit zu verbessern. Die Genauigkeit der durch Differenz der Dublettenanalyse ermittelten Hauptionenmessungen betrug < 1% für alle Analyten mit Ausnahme von Ca2+, das 2% betrug. Ein weiteres Aliquot wurde in einem Reinraum der Klasse 100 verarbeitet, in dem Teilproben mit 84Sr für Sr-Isotopenverhältnismessungen versetzt wurden. Sr wurde chromatographisch mit Gesamtblankgehalten von < 1% isoliert. Die Subaliquots (5 mit unterschiedlichem Volumen) ergaben analytisch nicht unterscheidbare Ergebnisse, wobei der Mittelwert der beiden zuverlässigsten Analysen ein 87Sr / 86Sr-Verhältnis von 0,71655 ± 0,00011 und eine gelöste Sr-Gesamtkonzentration von 1,036 ± 0 ergab.005 µg kg-1. Alle Daten sind in den Tabellen 1, 2 dargestellt.

TABELLE 1
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Tabelle 1. Vergleich von 87Sr / 86Sr- und Sr- und Ca-Konzentrationen von Wostok-Typ-1-Akkretionseis (diese Arbeit) mit ausgewählten Materialien, die aus dem Text zusammengefasst sind.

TABELLE 2
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Tabelle 2. Kationen− und Cl- Konzentrationen gemessen in Vostok Akkretion Eisprobe 3548 m.

Diskussion und Schlussfolgerungen

Das 87Sr / 86Sr-Verhältnis im Typ-1-Akkretionseis wird so interpretiert, dass es die Sr-Isotopensignatur des Seewassers darstellt, aus dem es gefroren ist. Das gemessene Ca/Sr-Massenverhältnis im gefilterten Akkretionseis beträgt 219 (Tabelle 1). Gelöste Ionenkonzentrationen im Eis können durch Unterschiede in ihren jeweiligen Verteilungskoeffizienten stark beeinflusst werden. Zum Beispiel haben Experimente in gelösten Lösungen gezeigt, dass die Verteilung von zweiwertigen Ionen in das Eis mit der Ionengröße zusammenhängt, wobei Ca2 + ~ 3x > Sr2 + ist (Killawee et al., 1998) mit einem Bereich von 1,5 bis 5 basierend auf der Unsicherheit in den experimentellen Ergebnissen. Angesichts dieses Unterschieds in den experimentellen Segregationskoeffizienten von Killawee et al. (1998) Das Ca / Sr-Massenverhältnis im Seewasser wird auf ~ 70 mit einem Bereich von ~ 44 bis 146 geschätzt, basierend auf der Unsicherheit der Verteilungskoeffizienten. Unter Verwendung der Ca-Daten von De Angelis et al. (2004) und die Sr-Daten von Gabrielli et al. (2005) aus den niedrigsten meteorischen Abschnitten des Vostok-Eiskerns wird ein mittleres Ca / Sr-Massenverhältnis von ~ 190 erhalten. Der Vergleich dieser Daten deutet auf einen Zustrom von Sr aus einer anderen Quelle als nur dem Schmelzen des Gletschereises in den See hin.

Die Analyse des äolischen „Staubs“ aus dem Vostok–Eiskern selbst ergab 87Sr / 86Sr-Werte im Bereich von 0,708047-0.711254 (Basile et al., 1997; Delmonte et al., 2004), der deutlich weniger radiogen ist als der Wert aus dem Typ-1-Akkretionseis. Daher kann die In-situ-Verwitterung von Partikeln im Gletschereis selbst nicht die einzige fehlende Quelle von Sr im Akkretionseis und damit im Seewasser sein. In: Gabrielli et al. (2005) zeigten, dass zwischen 20 und 40% der Sr im Vostok-Eis von einem marinen Aerosolbeitrag stammen, wobei der höhere Prozentsatz während der Zwischeneiszeit stammt. Wenn wir davon ausgehen, dass 40% des gelösten Sr im Seewasser aus der Meeresquelle stammen, die ein maximales 87Sr / 86Sr-Verhältnis von 0,7092 aufweist, müssten die anderen 60% des Sr ein Verhältnis von ≈ 0,72150 aufweisen. Dieser Wert wäre weniger radiogen, wenn der Beitrag der Meeresquelle geringer wäre; d.h. bei 20% hätte die fehlende Sr-Quelle ein Verhältnis von ≈ 0,718. Es wird angenommen, dass der Vostok-See existiert, seit der Eisschild mindestens 14 Millionen Jahre auf kontinentaler Ebene war (Siegert et al., 2001). Das marine 87Sr / 86Sr-Isotopenverhältnis hat sich in dieser Zeit verändert und reicht von ~ 0.708 bis ~ 0,709 (McArthur und Howarth, 2004), war jedoch nie höher als der moderne Wert. Daher basiert unsere Berechnung auf dem Maximalwert für die 87Sr / 86Sr-Zusammensetzung des Meerwassers. Eine radiogenere Quelle von Sr ist erforderlich, um das aus dem Akkretionseis erhaltene Sr-Isotopenverhältnis zu erklären. Diese radiogenere Quelle muss aus der chemischen Verwitterung der geologischen Materialien im Seebecken selbst stammen.

Kontinentale Krustengesteine können eine breite Palette unterschiedlicher Isotopenzusammensetzung aufweisen (Faure und Powell, 1972). Als Referenz reichen die 87Sr / 86Sr-Verhältnisse für verschiedene Gesteinsarten, die in den McMurdo Dry Valleys in der Antarktis gefunden wurden, von etwa 0,705 bis 0,750, wobei einige Mineralabscheidungen viel höher sind (Lyons et al., 2002). Im Allgemeinen sind felsische Gesteine mit K + und Rb + angereichert und weisen daher mehr radiogenes 87Sr aus dem Zerfall von 87Rb auf. Die Sr-Isotopenzusammensetzung der Seebettlithologie ist nicht bekannt.

Die wichtigsten Ionendaten unterstützen auch die Idee eines chemischen Bewitterungsbeitrags für Kationen aus dem Seebecken. Wenn wir davon ausgehen, dass das gesamte vorhandene Cl− aus einer marinen Quelle / einem marinen Aerosol stammt, können wir das Kation−zu-Cl-Verhältnis von Meerwasser verwenden, um den Beitrag der chemischen Verwitterung für Kationen in der Probe zu berechnen. Dies führt zu Konzentrationen durch chemische Verwitterung von 5,2 µM Na+, 0,7 µM K+, 3,5 µM Mg2+ und 5,3 µM Ca2+. Die Mg / Na- und Ca / Na-Molverhältnisse stellen diese Zusammensetzung in die Mitte von Werten, die globale große Flüsse darstellen (Gaillardet et al., 1999).

Die Ostantarktis gilt als ziemlich stabiler Kraton, der ursprünglich im Präkambrium gebildet wurde. Neuere Arbeiten von Leitchenkov et al. (2015) unterstützt diese Vorstellung, da Zirkone und Monazite in Sedimentgesteinshaufen aus Seeeis ein Alter von 0,6 bis 2,0 Ga mit zwei unterschiedlichen Clustern von 0,8 bis 1,15 und 1,6 bis 1,8 Ga ergaben. Geophysikalische Untersuchungen zeigen, dass es einen Mangel an Sedimenten gibt, die die Kellergesteine überlagern, was die Idee negiert, dass das Becken ein mesozoischer Riss ist, wie ursprünglich vorgeschlagen (Leitchenkov et al., 2015). Geophysikalische Daten deuten auch darauf hin, dass kein aktueller Vulkanismus oder andere magmatische Aktivitäten mit dem See verbunden sind, und ein geringer Wärmefluss steht im Einklang mit einem Krustenalter von 800 Ma oder älter (Studinger et al., 2003). Unsere 87Sr / 86Sr-Daten deuten darauf hin, dass eine primäre Quelle von Sr und möglicherweise anderen gelösten Stoffen für den See die chemische Verwitterung von Alumosilikatmineralien im Seebecken ist.

Im Vergleich zur Wassergeochemie, die den alten Kontinentalkraton entwässert, ergeben Daten von Flüssen, die die kanadischen Schildwasserscheiden entwässern, 87Sr / 86Sr-Verhältnisse zwischen 0,7346 und 0.7517 und Ca/Sr-Massenverhältnissen von ≈ 430 bis ≈ 480 (Millot et al., 2003). Blum und Erel (1997) haben jedoch die bevorzugte Solubilisierung von 87Sr in den frühesten Stadien der Verwitterung von Gletscherablagerungen gezeigt. Daher interpretieren wir die Zwischenwerte, die wir gemessen haben (zwischen diesem kanadischen Schild und Meerwasser), um die längere Dauer des Wasserkontakts mit diesen sehr alten Beckenmaterialien widerzuspiegeln. Dieses Argument wird auch teilweise durch die Arten von Mineralien unterstützt, die als „Einschlüsse“ innerhalb des Typs gefunden werden 1 Akkretionseis. In: Christner et al. (2006) haben Biotit, Kaliumfeldspat, Plagioklas und Quarz im Akkretionseis berichtet, und ein Teil des Biotits schien glazial zerkleinert zu sein (Priscu et al., 1999). Die aus der Auflösung von Mineralien wie Glimmer abgeleitete Sr-Isotopensignatur könnte für die 87Sr / 86Sr-Werte im Typ verantwortlich sein 1 Akkretionseis. In: Anderson et al. (1997) hat deutlich gezeigt, dass vergletscherte Wassereinzugsgebiete aufgrund der Vermahlung und bevorzugten Auflösung von Calcit und Biotit tendenziell relativ höher gelöstes Ca2 + und K + in ihren Entwässerungsgewässern aufweisen. Der 87Sr / 86Sr-Wert unterstützt eindeutig die Vorstellung, dass felsischere Mineralbestandteile, die mit der kontinentalen Kruste assoziiert sind, eine Hauptquelle für Sr und wahrscheinlich andere gelöste Kationen im Seewasser sind. Diese Daten stützen die Idee, dass die Verwitterung von Alumosilikatmineralen eine Hauptquelle für gelöste Stoffe im Wasser des Wostoksees darstellt, wie ursprünglich von Wadham et al. (2010). Es ist noch unklar, ob diese Verwitterung hauptsächlich auftritt, während Partikel im See suspendiert sind, oder als Sedimente auf dem Seeboden, oder von Verwitterung von Kellergesteinen. Zukünftige Arbeiten sollten eine Untersuchung der Geochemie der Partikel im Akkretionseis sowie die Analyse der Sr-Isotope im Typ umfassen 2 Akkretionseis, um die Quelle der Kationen für den See weiter einzuschränken.

Autorenbeiträge

WL ist federführend an dieser Studie beteiligt. WL, JP und MT. konzipiert für die Forschung und grundlegende Ideen dahinter. GR und KW halfen bei der Probenbearbeitung. KW führte eine Ionenanalyse durch. Alle Autoren trugen Ideen bei und halfen beim Schreiben und Bearbeiten des Manuskripts.

Interessenkonflikterklärung

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde von US National Science Foundation Grants NSF 0085400 und NSF 0237335 an JP und UK NERC Studentship NER / S/A/2002/10332 an GR. Darüber hinaus wurden die Sr-Isotopenanalysen im Labor von Dr. K. A. Foland an der OSU durchgeführt, unterstützt durch NSF Grant EAR-0127546. Wir danken K. A. Foland und J. S. Linder zur Durchführung der Isotopenanalyse. Wir danken allen, die an der Eiskernverarbeitung, Reinigung usw. beteiligt waren. besonders Dr. Brent Christner. Wir danken drei Rezensenten dieses Manuskripts, deren Kommentare und Anleitungen unsere Prosa erheblich geklärt und verbessert haben.

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