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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.
Understanding the interaction between climate variability and ice sheet behavior is critical due to scenarios of future climate warming and the consequent contribution of Greenland ice sheet melting to sea-level rise and its potential to influence thermohaline circulation. This thesis investigates the role of ocean forcing by the West Greenland Current (WGC) on the dynamics of West Greenland ice sheet behavior, with focus on Jakobshavn Isbræ, in the Disko Bugt area of central West Greenland. High-resolution sediment cores, obtained during a cruise of the RV ‘Maria S. Merian’ in 2007, provide a long-term Holocene perspective on climate variability off West Greenland. These records cover the last 8000 years with increasing resolution through to periods of historical and instrumental data series. Paleoenvironmental reconstructions, based on the calcareous and agglutinated benthic foraminiferal assemblage, reveal significant variations in the water mass properties (e.g. temperature and salinity) of the WGC. From 8 to 6 cal. ka BP, a relatively warm WGC enhances meltwater production (ice retreat) in Disko Bugt. Holocene ‘thermal optimum-like’ conditions prevailed from 5.5 to 3.5 cal. ka BP, associated with minimum ice sheet extent in eastern Disko Bugt. Long-term cooling of oceanographic conditions is recognized from c. 3.5 cal. ka BP towards the present day. Superimposed on this millennial scale cooling trend, centennial scale variability within the WGC is reconstructed: i) the 2.7 cal. ka BP ‘cooling event’; ii) the Roman Warm Period; iii) the Medieval Climate Anomaly; and iv) the Little Ice Age. Over the past 100 years, oceanographic conditions remain relatively cool and multidecadal variability in the WGC’s ocean temperatures show close correlation with the ice marg in position of Jakobshavn Isbræ and phases of the Atlantic Multi-decadal Oscillation (AMO). Cold (warm) phases correlate with stabilization/re-advance (retreat) of Jakobshavn Isbræ and a negative (high) index of the AMO. It has been demonstrated that variations in ocean temperature are an important factor that influence ice sheet behavior on a range of times scales, underlining the close coupling of ice-ocean interactions during the Holocene. Warmer ocean temperatures influence the stability of marine terminating ice sheets and glaciers, causing basal melting and glacier acceleration, whereas ocean cooling supports stabilization and advance of ice margin.
The main objective of this research was to enhance the understanding of the inte¬ractions of bentonite with iron in the near field of a HLW-repository. One target was to investigate natural Fe-rich bentonites as a possible analogue. Another topic was to recognize the mineralogical interaction of bentonite with iron powder simulating the contact of bentonite with steel containers (thermodynamic approach). An additional objective was to explore the idea that bentonites have a specific dissolution potential (kinetic approach). In order to take the thermodynamic approach, compacted MX80 bentonite and Friedland clay were used as starting materials for clay/iron interaction experiments in per¬colation systems (Clay/Iron-ratio = 0.1). The natural processes were studied by examining a tropical wea¬thering profile of serpentiniz¬ed diabase from the Thanh Hoa province of Vietnam. The kinetic approach was taken by investigating a series of well characterized bentonites, 9 from API-standard series, 12 from the BGR-collection and 4 others, all of them saturated with deionized water (liquid/solid-ratio = 10/1) and NaCl 1N solution (liquid/solid-ratio = 4/1) for 30 days, followed by exposing the soft gels to mechanical agitation by overhead shaking corresponding to two energy levels (20 rpm and 60 rpm). XRD and TEM – EDX measurement were the major analytical techniques applied in this research, with FT-IR and XRF analyses as additional tools to characterizing the structure and composition of the smectites. Thermodynamic Approach MX80 bentonite and Friedland Clay clearly show that chemical and mineralogical changes have occured in the reaction products. They are exemplified by the neoformation of serpentine and chlorite in certain mixed layer phases. The smectite in the reaction products had also undergone changes especially in the constitution of the octahedral and tetrahedral sheets as well as in the interlayer space. These alterations were evident by the difference in key peak positions and ratios of XRD-patterns, and by TEM-investigations, as well as by different positions and intensities of FT-IR-bands of octahedral and tetrahedral features. The alteration was also seen in the bulk chemical composition data (XRF). MX80 bentonite and Friedland clay show various types and stages of alteration under different experimental conditions. The alteration can be described as “illitization” in open reaction systems and “smectitization” in closed reaction systems. The degree of alteration was controlled by the degree of chemical activities (ion strength, Fe- & Si-activity, con-centration). Higher reactivities give higher degrees of dissolution and release of Si from clay minerals. The oxidation of native iron (Fe0 → Fe2+) was recognized as the main driving force for dissolution, but also the oxidation of Fe2+ (Fe2+ → Fe3+) appeared to reverse an open to a closed reaction system by increased Si-pre¬cipitation. The thermodynamic modelling of C/I-experiments by Mingliang Xie (GRS mbH) verified identified mineralogical alterations in the reaction products. Generally, the contact with metallic iron caused a strong increase in dissolution potential. The reason for this is the reducing potential of oxidation of iron which raised pH to become alkaline and increase dissolution of Si from clay particles. The mineralogical transformations recognized in the experiments, such as the neoformation of serpentine and chlorite phases, were also observed in the tropical weathering profile of serpentinized diabase. The wellknown fast development of Fe-rich montmorillonite in alteration of ultramafic rocks (e.g., Schnellmann, 1964) was also identified by mineralogical investigation of the weather¬ing profile. This confirms that smectitization is linked with higher Fe-activities also in nature. Fe2+ was present in this system and during oxidation acted as driving force for alteration. The reduction potential of Fe-oxidation caused an increase of pH into alkaline conditions. Kinetic Approach The hypothesis that smectite clays have a specific dissolution potential emanated from the study. This would mean that high amounts of Fe and Mg in the octahedral sheet can accelerate alteration in agreement to what was early proposed by Cicel & Novak (1976). The larger ion diameter of Fe and Mg in comparison with Al may well be responsible for a higher sheet stress, which would facilitate dissolution of smectites. The idea proposed Kaufhold & Dohrmann (2008) concerning a mechanism that makes Ca- and Mg-cations in the interlayer space stabilize quasicrystals is also supported by the present study. The performed investigation indicate which mechanisms that serve to protect smectites from undergoing alteration and which promote alteration. Stable smectites, i.e. those with a low specific dissolution potential, were called here “Sleepers”, while fast reacting bentonites, which have a high specific dissolution potential, were termed “Sprinters”. Smectites react with different rates of reaction in laboratory experiments. As said, each smectite sample has its specific potential for dissolution and this potential is controlled by the composition of both the octahedral sheets and the interlayer space. Increasing amounts of octahedral Fe and Mg compared to octahedral Al increase the specific dissolution potential. This potential is also affected by the ion radius, implying that the larger ion radius of Fe and Mg compared to Al increases the mechanical sheet stresses in the octahedral sheet. In summary, this means that, the investigations have confirmed the initial hypothesis concerning the impact of the composition of the octahedral sheet. It results primarily from the pH during the formation of the smectite clay and therefore serves as a geological fingerprint. The Al-Fe ratio in the octahedral sheet influences the stability of the interlayer: A) Aloct > 1.4 and Feoct > 0.2 (per (OH)2 O10) favour delamination of quasicrystals. The swelling pressure increases by a co-volume process between the delaminated layers wiht higher numbers of quasicrystals for Na-dominant population of the interlayer space (Laird, 2006). The microstructural components including both small and large particles and parts of them have a very small ability to move and undergo free rotation. Such Na-montmorillonites are consider as stable phases and have only a low specific dissolution potential. They are „Sleepers“. B) Aloct > 1.4 and Feoct < 0.2 or Aloct < 1.4 and Feoct > 0.2 (per (OH)2 O10) promote demixing of monovalent and divalent interlayer cations (Laird, 2006). In the case of Ca and Mg-dominant interlayers, quasicrystal can break Na-bearing interlayers and help to maintain the quasicrystal structure. Such Ca and Mg-mont¬morillonites can be also be taken as „Sleepers“ because of their low specific dissolution potential. Depending on the octahedral composition, certain cations in the inter¬layer can stabilize bentonites against mineralogical changes. Montmorillonites stabilized by high concentration of Na-cations were classified as belonging to category A, while montmorillonites stabilized by high Ca, Mg-cations in the interlayer sheet were grouped in category B. The classification of a smec¬tite into the categories A or B defined above can be best achieved by IR analyses that yield useful chemical information concerning the composition of the octahedral sheets. Smectites with Na as stabilizing interlayer cation (group A) have shown δAlAlOH-bands with increasing wavenumbers for increasing octahedral Al in FT-IR spectra. The other reaction type of smectite, with Ca, Mg-cations in the interlayers (group B), is characterized by a decreasing octahedral Al-amount for increasing wavenumbers of δAlAlOH-bands in such spectra. Also the FT-IR δAlFeOH-bands are different in the two reaction types of smectite. Increasing octahedral Fe-amounts were mirrored by decreasing wavenumbers of δAlFeOH-bands. However, smectites of group B do contain higher Fe-amounts for the same wavenumber than smectites of group A. Expected alteration of bentonite close and far from a steel canister In the early interaction of smectite-rich clay – the “buffer” - and steel, the system behaves as being chemically closed. Within the clay barrier, Si will be dissolved from clay mineral particles in accordance with its specific dis¬solution potential. The dissolved Si can stay by contributing neoformation of mont¬morillonite layers in mixed layer phases. The interlayer charge decreases by substitution of Mg by Al, which leads to an increase in the swelling pressure. Also minor Si-precipitation may occur if not all the dissolved Si is used up by the neoformed montmorillonite layers. Such precipitation of Si will cause cementation of some quasicrystals and lead to a reduction in porosity. Enhanced temperature and additional Fe-activity, representing an increased reduction potential, increases notably the amount of dissolved Si at the interface between bentonite and steel canister, and as a consequence there will be significant precipitation of Si. The resulting cementation of quasicrystals is ac¬com¬panied also by their collapse which induces broadening of pores. This caused the channel-like migration of infiltrating solutions and switches the system into an open one. Thermodynamic predictions indicate that “illite” will be generated close to the steel canister (via “illitization”) and kaolinite or pyrophyllite to be formed farther away (via smectitization). The “illitization” process results in higher interlayer charges and lower swelling pressures. In contrast, the formation of smectite reduces interlayer charges and promotes higher swelling pressures. At the end of the thermodynamic evolution, the swelling pressure will drop also far from the canister because kaolinite and pyrophyllite are non-swelling minerals. In both cases, the applications of so-called “Sleeper”-bentonites are required to slow the reaction progress. For designers of the engineered barriers in a repository, i.e. the canister and the “buffer” clay, some basic rules are recommend on the basis of the present study. Thus, the presence of native Fe or Fe2+-cations in the clay or in accessory minerals in it, or emanating from the canisters, will speed up the reaction process and make it extensive. Likewise, use of Fe-poor “buffer” clay, representing “Sleepers”-type are suitable for slowing down the reaction. Copper as canister material, and very dense Na-rich montmorillonite of group A as “buffer” seem to be ideal rather than steel/iron and less dense Ca-saturated clay.
Die vorliegende Arbeit behandelt die holozäne Küstenentwicklung im Raum Darss-Zingst-Hiddensee, die eng an die Interaktion von eustatischen Meeresspiegelschwankungen, neotektonischen Bewegungen der Erdkruste und dem zugeführten Sedimentvolumen gebunden ist. Es sind mehrere Ziele der Untersuchungen zu nennen: Zunächst relevant ist die Kartierung der holozänen Sedimentabfolge und der liegenden pleistozänen Deckschichten im Untersuchungsgebiet, das neben den Nehrungen auch das angrenzende Seegebiet der Ostsee und die rückseitigen Lagunen umfasst. Anschließend ist die Modellierung der Transgressionsbasisfläche notwendig, um das im Holozän unter marinen Bedingungen umgelagerte Sedimentvolumen abschätzen zu können. Eine Kernfragestellung bildet die Sedimentbilanz. Vor allem für das Teilgebiet Zingst mit östlich angrenzendem Windwatt und Barriere-Inseln sind die Sedimentquellen, die zur Aufschüttung dieses Nehrungskörpers geführt haben, unklar. Die potentielle Materialbereitstellung umliegender Kliffe (Fischland, Altdarss) ist im Verhältnis zum Nehrungsvolumen relativ gering. In Kombination mit geochronologischen Untersuchungen der Sedimentsequenz ergeben sich im Gesamtraum Schlussfolgerungen über die Ablagerungsdynamik, die zur Ausbildung der gegenwärtigen Küstenlandschaft geführt hat. Anhand der Befunde wurde ein paläogeographisches Modell der Küstenentwicklung für das Gebiet abgeleitet. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage zur Entwicklung zukünftiger Szenarien der Küstengenese mit Hilfe von morphodynamischen Prozessmodellen, die weiterführende Aufgabenstellungen bieten. Aus Sichtweise des Küstenschutzes und vor dem Hintergrund beschleunigter Anstiegsprognosen des Meeresspiegels sind die gewonnenen Erkenntnisse von hoher Bedeutung.