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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001806-9

Zum Einfluss von benthischen und pelagischen Prozessen auf das Karbonatsystem des Wattenmeeres der Nordsee

  • Durch den CO2-Anstieg in der Atmosphäre kann es zu einer zunehmenden Veränderung im gelösten Karbonatsystem sowie des pH-Wertes der Oberflächenwässer der Ozeane kom-men (IPCC, 1996). Die potenziellen Auswirkungen dieser so genannten Ozeanversauerung auf die Ökosysteme der Meere gewinnen zunehmend an Bedeutung (Buck und Folger, 2009). Beispielsweise verursacht eine Versauerung der Meere eine Verschiebung der Kar-bonatsättigungswerte im Wasser, welches Auswirkungen auf die Schalenbildung von Or-ganismen aber auch auf die Remineralisierung von organischem Material und auf die Lö-sung von Karbonaten im Meeresboden hat (Guinotte und Fabry, 2008). Im Rahmen des Projektes BIOACID wurde die vorliegende Arbeit durchgeführt. Ziel der Arbeit war, die aktuelle Pufferwirkung des Wattenmeeres für das gesamte Karbonatsystem der Nordsee zu bestimmen. Um das Karbonatsystem der Wassersäule und deren Interakti-on mit dem Sediment zu verstehen, war es notwendig, vorher die biogeo- und physiko-chemischen Grundlagen der Auflösung von biogenen und abiogenen Karbonaten im Sedi-ment zu untersuchen. Hierfür wurden zum einen Laborexperimente und zum anderen in-situ Feldexperimente durchgeführt, um das Reaktionsverhalten von Karbonaten aus dem Wattenmeer zu bestimmen. Für die Untersuchung des aktuellen pelagischen Karbonatsys-tems und der benthisch-pelagischen Kopplung wurden umfangreiche Beprobungen der Wassersäule (tidal, räumlich, saisonal) und zusätzlich von kleinen Prielen und vom Poren-wasser durchgeführt. Aus den Daten wurde ein auf delta13C(DIC) und DIC basierendes Modell entwickelt, welches zur Interpretation von Karbonatsystemen benutzt werden kann. Für alle Probennahmen und Experimente wurde verschiedene Parameter bestimmt, wie die Struktur und Zusammensetzung der Karbonate, die Temperatur, der pH-Wert, die Haupt- und Spurenelemente, TA, delta13C (DIC), DIC. Zusätzlich wurden im Porenwasser die Sulfid- und Sulfatkonzentrationen gemessen. Das Sediment wurde auf Fe*, Mn* und Ca* sowie TC, TN, TS, TIC und TOC untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die untersuchten biogenen Karbonate (Mytilus edulis, Ce-rastoderma edule, Crassostrea spp., Ensis americanus, Spisula spp.) bis zu 0,1 logarithmi-sche Einheiten instabiler als die jeweiligen abiogenen Karbonate (Aragonit, Kalzit) waren. Dies war durch den Aufbau des Kristallgitter und deren eingebaute Organik erklärbar. Die Auflösungsraten wurden vom PCO2, der Temperatur, dem Salzgehalt, der Karbonatzusam-mensetzung, der Karbonatstruktur, der Korngröße und der Anwesenheit von Fremdionen beeinflusst. Es wurde eine Reaktionsordnung der biogenen und abiogenen Karbonate von 1 bis 2 bestimmt. Durch den Zusatz von Mn bzw. PO4 erhöhte sich die Reaktionsordnung auf 2,5 bis 3. Bei einer theoretischen Reaktionsordnung von 1 wurden Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten von lg (-4) bis lg (-3) bestimmt diese änderten dich durch die Zugabe von Fremdionen nur leicht zu negativeren Werten. Es konnte gezeigt werden, dass die Oberfläche durch Abschätzung über die Reaktionsrate am genausten war. Im Sediment konnten bei den in-situ Feldexperimenten eindeutige Lösungsvorgänge der Karbonate beobachtet werden. Es zeigten sich deutlich stärkere Lösungserscheinungen, wie Löcher und abgerundete Kanten, in den obersten Zentimetern als in tieferen Schichten. Dies ist durch die oxische bzw. suboxische Bedingungen erklärbar, die die besten Vorraus-setzungen für die Karbonatlösung gegeben. Durch die oxischen bzw. suboxischen Bedin-gungen sind die Fremdionen in Oxidiertem Zustand im Sediment vorhanden, dadurch sind diese inaktiv in Bezug auf inhibitorische Wirkungen auf die Karbonatlösung. Zusätzlich ist durch die Remineralisierungsprozesse (Manganreduktion, Eisenreduktion, Sulfatreduktion) das Porenwasser leicht an Karbonat untersättigt. Es konnte als vorherrschender Prozess eine Karbonatlösung festgestellt werden, die während der Jahreszeiten unterschiedlich stark ausgeprägt war. Das Karbonatsystem in der Wassersäule zeigte deutliche tidale, räumliche und saisonale Änderungen. Diese zeigten Mischungsprozesse mit der Nordsee und Süßwasser an, aber auch Einflüsse von benthischen (Remineralisierung) und pelagischen (Primärproduktion) Prozessen. Die Einflüsse waren über die Jahreszeiten unterschiedlich stark ausgeprägt. Während abfließenden Wassers trat Porenwasser aus dem Sediment und beeinflusste das Karbonatsystem des Wattemeers. delta13C (DIC) zeigte im Winter eine Korrelation mit dem Salzgehalt, was deutlich auf einen Mischungsprozess mit der Nordsee und den anderen Faktoren (Porenwasser, Süßwasser) schließen ließ. Dabei war die Nordsee der deutlich größere Einflussfaktor im Vergleich zu Porenwasser. Der Einfluss von Süßwasser direkt im Wattenmeer war sehr gering und auf Grund stark schwankender Abflussraten unregel-mäßig. Im Sommer konnten auf Grund einer Überlagerung des Mischungssignals durch biologische Aktivität in der Wassersäule keine Mischungsprozesse direkt gezeigt werden. Beim Vergleich von ostfriesischen und nordfriesischen Wattenmeer konnte gezeigt werden, dass dieselben Einflussfaktoren eine Rolle spielen. Die Variationsbereiche in diesen Gebieten waren wegen verschiedener Wasservolumina und Sedimente im Untergrund der einzelnen Tidebecken unterschiedlich hoch. Die Sedimenttypen hatten durch ihre unter-schiedlichen Transportmechanismen des Porenwassers einen Einfluss auf das Karbonatsys-tem der Wassersäule. Basierend auf diesen Daten konnte ein Modell zur Abschätzung der Quellen und Senken der Variablen des CO2-Systems entwickelt werden. Zur Modellierung werden lediglich die Werte von delta13C (DIC) und DIC benötigt, um alle Prozesse, welche das Karbonatsystem in der Wassersäule beeinflussen können, zu identifizieren. Das Modell kann tidale, saisonale und räumliche Prozesse trennen, welche zur Identifizierung der Quellen und Senken in Küstengebiete notwendig sind. Das Modell kann für alle Küstengebiete und Ästuare ange-wendet werden, aber auch für den offenen Ozean. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Wattenmeer eine Quelle von Karbonat sein kann. Um dies quantitativ abzuschätzen zu können, werden die hier erhobenen Daten in prognostische Modelle (Pätsch und Kühn, 2008; Kühn et al., 2010) einfließen, um abzu-grenzen in welchen Jahreszeiten das Watt als Quelle und wann als Senke für das Karbonat-system fungiert. In weiteren Arbeiten sollte der Einfluss der Fremdionen auf die Karbonatauflösung näher untersucht werden. In dieser Arbeit konnte der Einfluss in Laborexperimenten nachgewie-sen werden, in den in-situ Feldexperimenten aber nicht. Es sollte geklärt werden, auf wel-che Weise die Inhibition funktioniert und welche minimalen und möglicherweise maxima-len Konzentrationen inhibierend wirken. In diesem Zusammenhang wäre auch eine Unter-suchung sinnvoll, die auch oxidiertes Mangan in Form von Manganoxiden einsetzten bzw. Mangankrustenbildung in Zusammenhang mit Karbonatlösung und –fällung betrachten. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Einfluss der Mikroorganismen auf die Karbonatauflö-sung im Sediment zu untersuchen, bereits Knauth-Köhler, K. (1995) hat in ihrer Diplomar-beit in Miesmuschelbänken gezeigt, dass Mikrooganismen die Karbonatschalen beeinflus-sen.
  • In the frame of the German BIOACID project, we aim for an understanding of the impact of benthic processes on production of alkalinity and its subsequent export to the open North Sea, as well as the role of the interaction of surface pore waters with sedimentary calcium carbonate. We hypothesize that carbonates in the surface of tidal sediments may interact with shallow pore waters. This in turn has the potential to modify the bottom water composition that exchanges with the North Sea. Enhanced benthic microbial activity, on the other hand, may temporarily favour authigenic carbonate formation. The benthic processes and element fluxes at the sediment-water interface may change in the future facing a modified carbonate system. We investigated the spatial gradients and temporal dynamics of the dissolved inorganic carbonate system in tidal areas of the North Sea. We aim for an understanding of the impact of benthic processes on the production of alkalinity and its subsequent export to the open North Sea. These processes in turn have the potential to modify the pore water and the bottom water composition that exchanges with the North Sea. The processes may change in the future as the North Sea is facing increasing atmospheric CO2 pressures. Before and after the in-situ field experiments determination of the weight of each carbonates sample were carried out. The In-situ incubations were for up to 6 months periods. Before and after the experiments geochemical analysis of pore water and carbonate were realised. Also the texture and structure were analysed with SEM-EDX and powder XRD. Incubation time of the lances in the sediment was 6 months in different redox regimes of the sediment. We employ laboratory experiments with constant pCO2 in a pH-drift mode in order to investigate the influence of different biogenic calcium carbonate mineralogies, organism and geochemical composition on the physico-chemical stability when compared to abiogenic calcite or aragonite, and the relative dissolution behaviour and reaction rates. Major and trace elements, and pH are analysed besides parameters from the carbonate system to evaluate reaction paths of mixed phases. Experimental results will be compared to seasonal field in-situ incubation experiments. Changes in solid phase surface textures and composition are characterized by SEM-EDX techniques and will be subject to a thermodynamic reaction path analyses. The potential influence of catalysts and inhibitors expected in the sediments are considered, as well. The experimental data on stability and reactivity of biogenic carbonates provide important boundary conditions for the integration of solubilities and rates into modelling environments. Water column and pore water samples were taken at different seasons, during tidal cycles and on transects through different tidal basins of the German Wadden Sea. Each mollusc species have different shell phase compositions and surface structures. Dissolution structures of the shell surface after the experiment are seen. The saturation state by CO2 saturated water and 25 °C is reached after 2-3 days dependent of the mineral to solution relationship and the grain size of the carbonate. Dissolution behaviour of trace elements compared to calcium allows the relative definition of dissolving phases (Ar vs. Cc) and a mechanistic evaluation of congruent versus possible incongruent dissolution progress. Biogenic carbonate show different thermodynamic stabilities when compared to abiotic calcite and aragonite. The carbonate system demonstrates significant tidal, and spatial, as well as seasonal variations in the water column. Such variabilities reflect mixing processes with freshwater via coastal tributaries and ground water (?) and the influence of benthic (re-mineralization) and pelagic (e.g. primary production) processes, changing with season. Results from the East Frisian Wadden Sea are compared to measurements in the North Frisian Wadden Sea system, because of different ratios between water volume and sediment area. Seep type escape of pore waters in sandy sediment, influenced by upward methane fluxes and methan oxidation, reveal steep physico-chemical gradients. Low-tide drainage of these anoxic pore waters leads to the liberation of 12C-enriched DIC, TA, nutrients and (H2S, CH4).

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Metadaten
Author: Vera Winde
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001806-9
Title Additional (English):To the influence of benthic and pelagic processes of the carbonate system of the Wadden Sea, North Sea
Advisor:Prof. Dr. Michael E. Böttcher
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2014/04/30
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2013/10/24
Release Date:2014/04/30
Tag:Karbonat, Lösungskinetik, Ozeanversauerung, Transportprozesse
GND Keyword:Karbonatsystem, Nordsee, Wattenmeer
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geographie und Geologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 550 Geowissenschaften, Geologie