Met-Proxies - Metal isotopes as environmental proxies

Unser Verständnis über die Entwicklung des Erdklimas in der Vergangenheit beruht auf den chemischen und isotopischen Signalen, die in geologischen Archiven aufgezeichnet sind. Tatsächlich werden Umweltparameter, wie z.B. Temperatur, pH-Wert, atmosphärischer CO2-Gehalt und biologische Aktivität, durch die chemische und isotopische Zusammensetzung von Kalziumkarbonatmineralen, die sich in Seen oder im Ozean gebildet haben, wiedergespiegelt. Um diese chemischen Signale zu "lesen", sind jedoch geeignete Methoden und spezielle Werkzeuge erforderlich, die die Zusammensetzung des geologischen Archivs mit den vorherrschenden Umweltbedingungen korrelieren. Solche Methoden werden im Projekt Met-Proxies entwickelt. Um präzise Informationen über den pH- Wert und die biologische Aktivität während der Zeit der Karbonatmineralbildung in der geologischen Vergangenheit zu erhalten, wird eine hochmoderne Mineralsynthese im Labor mit neuartigen Isotopen-Techniken kombiniert. Insbesondere wird in diesem Projekt sowohl der Einbau als auch die Isotopenfraktionierung von Kupfer und Zink während der Bildung von Karbonatmineralen untersucht. Um die Ergebnisse der experimentellen Arbeiten zu validieren, wird außerdem eine Feldstudie durchgeführt, welche isotopenchemische Analysen in den Höhlensystemen des Katerlochs beinhaltet. Ziel des Met-Proxies-Projekt ist es, der wissenschaftlichen Gemeinschaft neue und präzisere Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, mit denen der pH-Wert, der CO2-Partialdruck der Atmosphäre und die biologische Aktivität in natürlichen Gewässern abgeschätzt werden können. Darüber hinaus ist es möglich im Zuge dieses Projekts eine(n) Doktoranden/Doktorandin und zwei Masterstudierende in geochemischen Techniken und in der Durchführung von Feldarbeiten auszubilden.

Bei der Bildung von Karbonatminerale in natürlichen Systemen wie Seen, Höhlen oder Meeresumgebungen kann eine Reihe von Spurenmetallen in der Kristallstruktur eingeschlossen werden. Eine genaue Quantifizierung dieser Fremdelemente in diesen Karbonatminerale kann wertvolle Hinweise auf die zum Zeitpunkt der Mineralbildung herrschenden Umweltbedingungen wie Temperatur, pH-Wert oder organischer Kohlenstoffgehalt liefern. Die Ergebnisse dieses Projekts haben experimentell gezeigt, dass der Einbau von Fremdelementen in Karbonatmineralien abhängig ist von (1) der Struktur des betreffenden Minerals (Organisation der Elemente innerhalb des Minerals), (2) den physikalischen Eigenschaften des Fremdelements (z. B. der Größe des Elements) und (3) den Bildungsbedingungen (z. B. Wachstumsrate des Minerals, Temperatur). Die im Rahmen dieses Projekts durchgeführten Arbeiten unterstützten auch die Hypothese, dass Fremdelemente, die mit der Struktur des Minerals, in das sie eingebaut werden, höchst inkompatible Eigenschaften aufweisen, sich wahrscheinlich an Stellen befinden, an denen die Struktur des Minerals unvollkommen ist (so genannte Defektstellen). Darüber hinaus ermöglichte die Gewinnung neuer experimenteller Daten einen Vergleich mit den in der Literatur vorhandenen theoretischen Berechnungen zum Elementeinbau. Es zeigt sich, dass unsere Ergebnisse sehr unterschiedliche Werte für Elemente zeigen, die mit der Mineralstruktur höchst inkompatibel sind, was die Notwendigkeit unterstreicht, neue theoretische Inkorporationsmodelle für diese Elemente zu entwickeln. Das Verständnis der Parameter, die das Vorhandensein eines Elements in einem bestimmten Karbonatmineral beeinflussen, wird es uns ermöglichen, die Merkmale der Umgebung, in der dieses Mineral gebildet wurde, und somit die in der Vergangenheit vorherrschenden Umweltbedingungen zu verstehen. Diese Arbeit hat auch die grundlegenden Unterschiede deutlich gemacht, die zwischen dem Einbau von Spurenelementen in Karbonatmineralien bestehen können, wenn diese von Organismen ausgefällt werden oder nicht. So ist beispielsweise das Li/Mg-Verhältnis in Karbonatmineralien, die von Korallen und/oder Foraminiferen gebildet werden, einer der zuverlässigsten Marker für die Meerwassertemperatur. Interessanterweise zeigen die Ergebnisse dieses Projekts, dass das Li/Mg-Verhältnis im Vergleich zu anderen Parametern wie der Wachstumsrate der Mineralien nur geringfügig von der Temperatur beeinflusst wird. Diese Ergebnisse werfen Fragen zu den Prozessen auf, durch die Organismen bei der Bildung von biogenem Karbonat bestimmte Elemente auswählen. Schließlich eröffnet der Einbau von Übergangsmetallen (die in der Regel für lebende Organismen gefährlich sind, wenn sie in zu hohen Konzentrationen in der Umwelt vorkommen) in Karbonatmineralien und die Zunahme der Speicherung mit der Wachstumsrate des Minerals neue Anwendungsbereiche für die Sanierung von verschmutztem Wasser/Boden.