Systematische Untersuchung der Isotopenfraktionierung in Speläothemen mit neuartigen Laborexperimenten

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Dreybrodt; Professor Dr. Denis Scholz
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242129757

Die grundlegenden Prozesse bei der Bildung von Speläothemen, die die stabilen Isotopensignale (d13C und d18O) beeinflussen, sind trotz intensiver Forschung in den letzten Jahren noch nicht umfassend verstanden. Insbesondere der Einfluss von kinetischer Isotopenfraktionierung kann noch nicht quantifiziert werden. Derzeit gibt es zwei verschiedene Modelle, die von den beiden Antragstellern entwickelt wurden. Die größten Unsicherheiten resultieren derzeit jedoch aus den in den Modellen verwendeten Isotopenfraktionierungsfaktoren, die mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Kinetische Isotopenfraktionierungsfaktoren für das System Ca2+-CO2-H2O wurden bisher noch nicht bestimmt.Wir haben einen neuartigen experimentellen Aufbau entwickelt, um die grundlegenden Prozesse bei der Abscheidung von CaCO3 aus dünnen Wasserfilmen und die resultierenden Effekte auf die stabile Isotopenfraktionierung zu untersuchen. Die natürlichen Bedingungen in Höhlen werden sehr naturgetreu simuliert, und alle Parameter, wie z.B. die Dicke des Wasserfilms, pH-Wert und Ca2+-Konzentration der Lösung, können während des Experiments genau eingestellt und kontrolliert werden. Unser Ansatz ermöglicht, die zeitliche Entwicklung der d18O- und d13C-Werte des gelösten HCO3- und des ausgefällten CaCO3 zu untersuchen. Dies sind entscheidende Weiterentwicklungen im Vergleich zu früheren Laborexperimenten. Weiterhin kann der Aufbau ohne weitere Modifikationen auch zur Untersuchung der Fraktionierung von clumped isotopes und zur Bestimmung von Verteilungskoeffizienten von Spurenelementen zwischen der Lösung und dem abgeschiedenen CaCO3 verwendet werden.Wir werden den experimentellen Aufbau nutzen, um auf der theoretischen Basis unserer Modelle verschiedene Experimente zum grundlegenden Verständnis der stabilen Isotopenfraktionierung in Speläothemen durchzuführen. Wir werden die entsprechenden Isotopenfraktionierungsfaktoren und Zeitkonstanten der isotopen-geochemischen (Austausch-)Prozesse quantitativ bestimmen und die bestehenden Modelle überprüfen und gegebenenfalls erweitern.Außerdem werden wir vergleichbare Experimente zur Untersuchung der Fraktionierung von clumped isotopes und zur Bestimmung von Verteilungskoeffizienten von Spurenelementen (z.B. Mg, Sr, Ba, P, U) zwischen der Lösung und dem abgeschiedenen CaCO3 durchführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen