Gasmassenspektrometer für stabile Isotopenverhältnisse mit anwendungsspezifischen Probenaufbereitungs- und Einlasssystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit dem Gas-IRMS wurden bisher 1) Isotopenverhältnisse 12C/13C und 16O/18O in Karbonaten, 2) H/D und 16O/18O in Wasserproben, sowie 3) hochpräzise 16O-17O-18O Verhältnisse an O2 aus fluorinierten Wasser, Eis, und Kristallwasserproben untersucht. Die Analysen zu 1) wurden zur paläoklimatischen Rekonstruktion des Klimas holozänen-pleistozänen Klimas überwiegend an U-Th datierten Speleothemen (hier: Stalagmiten) gemacht. Dazu kamen einige Dienstleistungsanalysen. Eine der spezifischen Fragestellungen zur Klimageschichte war die Klärung der paläoklimatischen Aussage der O-Isotopenverhältnisse in Stalagmiten im Allgemeinen, sowie in regionalspezifischen marinen Archiven. Mithilfe von unabhängigen Temperaturrekonstruktionen aus Pollendaten konnte der theoretische Temperaturanteil des δ18O Verlaufs der Stalagmiten berechnet werden und durch den Vergleich mit dem gemessenen δ18O Verlauf die Temperaturschwankungen sowie hydrologische Faktoren als Entscheidende Parameter der Klimaveränderungen des Holozäns herausgearbeitet werden. Dabei zeigte sich, dass Schwankungen im δ18O in Stalagmiten des westlichen Mittelmeerraums weitestgehend auf Temperaturänderungen des Jahresmittels zurückzuführen sind, während im östlichen Mittelmeerraum eine deutliche Änderung der Niederschlagsverteilung und regionalen Herkunft des Wasserdampfes hinzukam. Ferner zeigt es sich, dass eine Veränderung der Saisonalität des Niederschlags (hier ein höheres Verhältnis von Sommer- zu Winterniederschlag) das vermutlich hemisphärenweite 8,2 ka Kälteereignis im Mittelmeerraum geprägt hat, mit sich gegenseitig aufhebender Wirkung im δ18O der Stalagmiten. Ein weiteres Klimaereignis, welches durch überwiegend hydrologische Veränderungen geprägt war, zeigt sich um 3,2 ka in einem südrumänischen Stalagmiten, dessen Responz des δ18O Verlaufs auf Klimaschwankungen in die oben genannte Domäne des östlichen Mittelmeerraums fällt. Dieses Ereignis fällt zeitlich mit den kulturellen Umwälzungen im östlichen Mittelmeerraum am Ende der Bronzezeit zusammen. Die Analysen zu 2) und 3) wurden nach einer zweijährigen Aufbau-,Test- und Kalibrationsphase ab Frühjahr 2013 an Wasserproben aus Wüsten (Ostiran: Sistan, Chile: Atacama), Verdunstungsexperimenten, strukturell gebundenem Wasser in Gips, sowie experimentellen Eisproben durchgeführt. Die Kalibration der δ17O und δ18O Analyse an O2 aus fluoriniertem Wasser ist in Surma et al. (2015) beschrieben. Für diese Art der Analyse ist eine Präzision von weniger als 0,01 ‰ notwendig, eine Größenordnung besser als die vom Hersteller garantierte Präzision. Als erstes wissenschaftliches Ergebnis konnte die Prognose aus experimentellen und theoretischen Studien, die eine systematische Abweichung des 17O-excess (berechnet aus δ17O und δ18O) vom globalen Mittelwert bei steigendem Verdunstungsgrad prognostiziert haben, zum ersten Mal an natürlichen Proben bestätigt werden. Weiterhin konnten wir zeigen, dass sich dominierend mithilfe der Luftfeuchte allein der Verlauf im 17O-excess während der Verdunstung aus nicht erneuerten Wasserkörpern im Arbeitsgebiet mit einem einfachen hydrologischen Modell modellieren lässt. Temperaturschwankungen wirken sich im Gegensatz zu dem üblicherweise verwendeten δD und δ18O nur minimal auf das 17O-excess aus. Somit scheint 17O-excess ein recht zuverlässiger Indikator für die relative Luftfeuchte zu sein. Auch die Unsicherheit durch unterschiedliche Herkunftsgebiete des atmosphärischen Wasserdampfs und einhergehende Unterschiede im δ18O ist verhältnismäßig gering. Der Verlauf der natürlichen Verdunstung in trockener Luft (h = 0%) erfolgt mit einer charakteristischen Steigung λ im Drei-Isotopendiagramm. Unter natürlichen Bedingungen mit einer realen Luftfeuchte folgt der Verlauf charakteristisch gekrümmten Kurven bis zu einem Endpunkt, an dem der Isotopenaustausch zwischen Wasser und Dampfphase bei der Verdunstung einen dynamischen Gleichgewichtszustand erreicht. Mit dem Ziel, die Anwendung des Parameter 17O-excess in geologischen Archiven zur Rekonstruktion der Vergangenheit zu erforschen, haben wir die Extraktion von strukturellem Wasser in Gips und anschließende Analyse aufgebaut. Wir konnten in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Cambridge demonstrieren, dass 17O-excess in strukturell gebundenes Wasser in Gips mit ausreichender Präzision sowohl massenspektrometrisch, als auch mithilfe der neuen „Laser-Cavity-Ringdown Spectrometry“-Technik, einer optischen Methode, analysiert werden kann. Allerdings ist letztere Methode mitunter anfällig für Interferenzen aufgrund noch nicht vollständig geklärter Ursachen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Late Holocene Drought Pattern Over West Asia. Climates, Landscapes, and Civilizations, (eds: Giosan et al.), Geophysical Monograph Series 198, 89-96. 2012
Staubwasser, Michael
- Constraining Holocene hydrological changes in the Carpathian–Balkan region using speleothem 18O and pollen-based temperature reconstructions. Clim. Past, 10, 1363–1380, 2014
Dragusin, Staubwasser et al.
(Siehe online unter https://doi.org/10.5194/cp-10-1363-2014) - Simultaneous analysis of 17O/16O, 18O/16O and 2H/1H of gypsum hydration water by cavity ring-down laser spectroscopy. Rapid Commun. Mass Spectrom., 29, 1997–2006, 2015
Gazques, Mather, Rolfe, Evans, Herwartz, Staubwasser, Hodell
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/rcm.7312) - Triple oxygen isotope signatures in evaporated water bodies from the Sistan Oasis, Iran. Geophys. Res. Lett., 42, 2015
Surma, Assonov, Bolourchi, Staubwasser
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/2015GL066475)
