Fronteiras em Ciências da Terra

Introdução

Atualmente cerca de 400 individuais lagos têm sido documentados sob o gelo Antártico folhas, com “estático” e hidrologicamente ativo, escoamento, lago tipos de terem sido definidos (Smith et al., 2009; Wright and Siegert, 2012). O lago Vostok situa-se entre 76° e 79°s e 100° a 107°E e tem sido uma fonte de grande interesse desde a documentação de sua profundidade por Kapitsa et al. (1996). O lago Vostok com cerca de 260 km de comprimento e 50 km de largura é o maior dos Lagos subglaciais. O lago tem uma profundidade de água superior a 500 m e encontra-se abaixo de ~4 km de gelo (Siegert et al., 2011). As estimativas para a idade do lago sugerem que ele pode ter existido por ~14 Ma, enquanto a idade da água é estimada em ~1 Ma (Siegert et al., 2011). A perfuração do núcleo de gelo de Vostok recuperou mais de 200 m de água do lago acrecentada sob gelo glaciar de origem meteórica (Jouzel et al., 1999). Mais trabalho constatou-se que existem dois tipos distintos de acumulação de gelo (Tipo 1 e Tipo 2, Tipo 1, contendo abundante material particulado, ou “inclusões” (3539-3609 m de profundidade), e o mais profundo, o Tipo 2 de gelo, mais para o atual nível do lago (3610-3623 m de profundidade), estando ausente das partículas (De Angelis et al., 2004). De Angelis et al. (2004) argued that the Type 1 ice formed from lake water in a shallow embayment with erodish lake sediments, while the Type 2 ice was produced in deeper portions of the lake where sediment access was minimal.

poucas tentativas foram feitas para amostrar diretamente ambientes subglaciais na Antártica e gelo de acreção do Lago Vostok oferece um vislumbre de processos biogeoquímicos que ocorrem sob o manto de gelo antártico (Wadham et al., 2010). Desde a descoberta inicial do Gelo de acreção do lago, numerosos investigadores analisaram partes/seções deste gelo de acreção para suas características biológicas, biogeoquímicas, geoquímicas e mineralógicas (por exemplo, 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). Trabalhos recentes também incluem a análise da água do lago de refrozen e as partículas associadas a ele (Leitchenkov et al., 2015; Lipenkov et al., 2015). Como as águas do lago ainda não foram amostradas diretamente, a química do lago, e os processos que o controlam, ainda têm de ser inferidos a partir da análise do Gelo de acreção. Porém, para conseguir isso, os pressupostos relativos sal rejeição/particionamento durante a formação de gelo, a natureza da subjacente geoquímica e processos de controlá-lo, a longo prazo, a variação no tamanho do lago, e outras questões devem ser consideradas (Siegert et al., 2011). Devido a essas muitas incógnitas, diferentes interpretações dos dados geoquímicos/mineralógicos de acreção foram feitas (Laybourn-Parry e Wadham, 2014). Por exemplo, tem havido um rigoroso debate sobre os papéis da influência hidrotermal das águas do lago, a meteorologia química e a hidrólise dos materiais da bacia do lago, a meteorologia de partículas in-situ, e a dissolução dos materiais evapóricos como fontes de solutos principais para as águas do lago (Jean-Baptiste et al., 2001; Souchez et al., 2003; De Angelis et al., 2004). Além disso, não é ainda claro se as partículas encontradas no gelo de acreção tipo 1 são de locais dentro da bacia do lago ou de derretimento do gelo glaciar (Souchez et al., 2000; Royston-Bishop et al., 2005). Christner et al. (2006) previu a partir da análise do Gelo de acreção, uma gama de íons totais dissolvidos maiores (TDS) na água do lago, variando de ~50 mM no embayment raso até cerca de ~2 mM para as porções mais profundas do lago. Isto contrasta com estimativas anteriores de concentrações de água de embayment de ~2 mM por Priscu et al. (1999) and Siegert et al. (2003).Claramente após mais de 15 anos a partir do momento em que os artigos originais sobre as análises de gelo de acreção foram publicados, não há consenso sobre a composição das águas do lago ou a fonte do material particulado no gelo. Além do potencial de amostragem direta da água do lago, outras abordagens são necessárias para avaliar a geoquímica do lago. Neste artigo, apresentamos dados de isótopos de estrôncio a partir de uma amostra de gelo de acreção tipo 1, a fim de fornecer uma nova visão sobre a fonte dos solutos nas águas do lago, e, portanto, restringir melhor os processos que controlam a geoquímica/Mineralogia do sistema.

métodos e resultados

uma amostra de 3548 m de profundidade, que é considerado gelo de acreção tipo 1 (De Angelis et al., 2004) foi processado em condições limpas na Universidade Estadual de Montana usando as técnicas descritas por Christner et al. (2006). Depois de limpar a amostra, ela foi colocada em um recipiente Teflon pré-limpo e transportado para a Universidade do Estado de Ohio. O processamento na OSU foi feito em uma camada limpa de pressão de classe 100, onde a amostra de gelo derretido foi filtrada através de um filtro de membrana Nuclepore de 0,4 µm. Uma alíquota do filtrado foi analisada para catiões e aniões principais usando um cromatógrafo de iões Dionex seguindo os métodos de Welch et al. (2010), although a large ~350 µl sample loop was used to improve the method sensitivity. A precisão das principais medições iônicas determinadas pela diferença da análise duplicada foi < 1% para todos os analitos, exceto para Ca2+, que foi 2%. Outra alíquota foi processada em uma sala limpa classe 100 onde sub-amostras foram enriquecidas com 84Sr para medições da razão isotópica Sr. A Sr foi isolada por cromatografia com níveis totais em branco < 1%. As sub-alíquotas (5 de volume variável) deram resultados analiticamente indistinguíveis, com a média das duas análises mais fiáveis produzindo uma razão 87Sr/86Sr de 0, 71655 ± 0, 00011, e uma concentração total dissolvida Sr de 1, 036 ± 0.005 µg kg-1. Todos os dados são apresentados nas Tabelas 1, 2.

posição numa tabela 1
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Quadro 1. Comparação das concentrações 87Sr / 86Sr e Sr e Ca De Gelo de acreção tipo 1 do Lago Vostok (este trabalho) com materiais seleccionados resumidos a partir do texto.

posição numa tabela 2
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Quadro 2. Cátions e Cl− concentrações medidos em Vostok acumulação de gelo exemplo 3548 m.

Discussão e Conclusões

O 87Sr/86Sr relação do Tipo 1 acreção de gelo é interpretado para representar o Sr assinatura isotópica da água do lago a partir do qual ele congelou. A razão de massa Ca/Sr medida no gelo de acreção filtrado é de 219 (Quadro 1). As concentrações de íons dissolvidos no gelo podem ser muito influenciadas pelas diferenças em seus respectivos coeficientes de partição. Por exemplo, experimentos em soluções soluto-pobres demonstraram que particionamento de íons divalentes no gelo está relacionado ao tamanho iônico com Ca2+ sendo ~3x > Sr2+ (Killawee et al.(1998) com uma variação de 1.5 a 5 com base na incerteza dos resultados experimentais. Dada esta diferença nos coeficientes experimentais de segregação de Killawee et al. (1998) a razão de massa Ca/Sr na água do lago é estimada em ~70, com um intervalo de ~44 a 146 com base na incerteza dos coeficientes de partição. Usando os dados do Ca De Angelis et al. (2004) and the Sr data from Gabrielli et al. (2005) from the lowest meteoric sections of the Vostok ice core, a mean Ca/Sr mass ratio of ~190 is obtained. A comparação destes dados sugere um influxo de Sr para o lago a partir de outra fonte do que simplesmente o derretimento do gelo glaciar.

Analysis of aeolian “dust” from the Vostok ice core itself yielded 87Sr / 86Sr values in the range of 0.708047-0.711254 (Basile et al., 1997; Delmonte et al., 2004), que é claramente muito menos radiogênico do que o valor do Gelo de acreção tipo 1. Portanto, a meteorização in-situ de partículas dentro do gelo glacial em si não pode ser a única fonte faltante de Sr no gelo de acreção, e, portanto, a água do lago. Gabrielli et al. (2005) demonstrou que entre 20% e 40% da Sr no gelo de Vostok provém de uma contribuição de aerossóis marinhos, sendo a percentagem mais elevada proveniente dos tempos interglaciais. Se assumirmos que 40% da Sr dissolvida na água do lago é derivada da fonte marinha, que tem uma razão máxima de 87Sr/86Sr de 0,7092, os outros 60% da Sr teriam que ter uma razão de ≈ 0,72150. Este valor seria menos radiogênico, se a contribuição da fonte marinha fosse menor; ou seja, a 20%, a fonte Sr faltante teria uma razão de ≈ 0,718. Pensa-se que o lago Vostok existe desde que o manto de gelo se encontra a uma escala continental, pelo menos 14 milhões de anos (Siegert et al., 2001). A razão isotópica 87Sr/86Sr Marinha tem variado ao longo deste tempo, variando de ~0.708 a ~0.709 (McArthur e Howarth, 2004), no entanto, nunca foi maior do que o valor moderno. Por conseguinte, o nosso cálculo baseia-se no valor máximo para a composição 87Sr/86Sr da água do mar. É necessária uma fonte mais radiogénica de Sr para explicar a razão isotópica Sr obtida a partir do Gelo de acreção. Esta fonte mais radiogênica deve provir da intempérie química dos materiais geológicos dentro da própria bacia do lago.

as rochas da crosta Continental podem ter uma vasta gama de composição isotópica Sr (Faure e Powell, 1972). Para referência, as razões 87Sr/86Sr para vários tipos de rochas encontradas nos vales secos de McMurdo, Antártica, variam de cerca de 0,705 a 0,750, com algumas separações minerais sendo muito mais altas (Lyons et al., 2002). Em geral, as rochas félsicas são enriquecidas em K+ e Rb+, e, portanto, têm 87Sr mais radiogênicos do decaimento de 87Rb. A composição isotópica Sr da litologia do leito do lago não é conhecida.

os principais dados iónicos também apoiam a ideia de uma contribuição química para a meteorologia das catiões da bacia do lago. Se assumirmos que todo o Cl− present é de uma fonte marinha/aerossol, podemos usar a razão cation para Cl− da água do mar para calcular a contribuição de weathering químico para catiões na amostra. Isto leva a concentrações de meteorização química de 5,2 µM na+, 0,7 µM K+, 3,5 µM Mg2+ e 5,3 µM Ca2+. As razões Mg/Na e Ca / Na molar colocam esta composição no meio de valores que representam grandes rios globais (Gaillardet et al., 1999).A Antártida Oriental é considerada um cratão bastante estável que foi inicialmente formado no Pré-Cambriano. Recent work of Leitchenkov et al. (2015) supports this notion as zircons and monazites in sedimentary rock clusters from lake ice yielded ages from 0.6 to 2.0 Ga, with two distinct clusters of 0.8–1.15 and 1.6–1.8 Ga. Investigações geofísicas indicam que há uma falta de sedimentos sobre as rochas basais negando a ideia de que a bacia é uma fenda Mesozoica como originalmente proposto (Leitchenkov et al., 2015). Dados geofísicos também sugerem que não há vulcanismo atual ou outra atividade magmática associada ao lago, e o baixo fluxo de calor é consistente com uma idade crusta de 800 Ma ou mais (Studinger et al., 2003). Nossos dados 87Sr / 86Sr indicam que uma fonte primária de Sr, e talvez outros solutos para o lago, é a meteorização química de minerais aluminossilicatos dentro da bacia do lago.

como comparação com a geoquímica da água que drena o velho cratão continental, dados de rios que drenam bacias hidrográficas canadenses do Escudo produzem razões 87Sr/86Sr entre 0,7346 e 0.7517 and Ca / Sr mass ratios of ≈ 430 to ≈ 480 (Millot et al., 2003). No entanto, Blum e Erel (1997) demonstraram a solubilização preferencial de 87Sr nas primeiras fases da meteorização de depósitos glaciais. Assim, interpretamos os valores intermediários que medimos (entre estes escudos canadenses e a água do mar) para refletir a maior duração do contato de água com estes materiais muito antigos da bacia. Este argumento também é apoiado em parte pelos tipos de minerais encontrados como “inclusões” dentro do Gelo de acreção tipo 1. Christner et al. (2006) relataram biotita, feldspato potássico, plagioclase e quartzo na acumulação de gelo e alguns dos biotita parecia ser glacially esmagado (Priscu et al., 1999). A assinatura isotópica Sr derivada da dissolução de minerais como a mica pode ser responsável pelos valores 87Sr/86Sr no gelo de acreção tipo 1. Anderson et al. (1997) demonstrou claramente que as bacias hidrográficas que foram glacial tendem a ter relativamente maior dissolvidos Ca2+ e K+ no drenagem de águas devido à moagem e preferenciais de dissolução de calcita e biotita. O valor 87Sr / 86Sr suporta claramente a noção de que mais componentes minerais félsicos, aqueles associados com a crosta continental, são uma grande fonte de Sr e, provavelmente, outras cações dissolvidas para as águas do lago. Estes dados suportam a ideia de que o aluminossilicato mineral weathering é uma importante fonte de solutos para as águas do Lago Vostok, como sugerido inicialmente por Wadham et al. (2010). Ainda não é claro se esta intempérie ocorre principalmente enquanto as partículas são suspensas no lago, ou como sedimentos no fundo do lago, ou de weathering das rochas do porão. O trabalho futuro deve incluir um estudo da geoquímica das partículas no gelo de acreção e também a análise dos isótopos Sr no gelo de acreção tipo 2 para restringir ainda mais a fonte de catiões para o lago.

contribuições dos autores

WL é a liderança neste estudo. WL, JP e MT. concebido da investigação e das ideias fundamentais que lhe estão subjacentes. GR e KW assistiram no processamento de amostras. KW realizou a análise iónica. Todos os autores contribuíram com ideias e ajudaram a escrever e editar o manuscrito.

Declaração de conflito de interesses

os autores declaram que a investigação foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que possam ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.Este trabalho foi apoiado pela US National Science Foundation grants NSF 0085400 e NSF 0237335 A JP, e UK NERC Studentship NER/s/a / 2002 / 10332 a GR. In addition, the Sr isotope analyses were performed in Dr. K. A. Foland’s laboratory at OSU supported through NSF grant EAR-0127546. Estamos gratos a K. A. Foland e J. S. Linder para realizar a análise isotópica. Agradecemos a todos os envolvidos com o processamento do núcleo de gelo, limpeza, etc. especialmente o Dr. Brent Christner. Agradecemos a três revisores deste manuscrito cujos comentários e orientação esclareceram e melhoraram a nossa prosa.Anderson, S. P., Drever, J. I., and Humphrey, N. F. (1997). Meteorologia química em ambientes glaciares. Geology 25, 399-402.

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