Zirkon Liefergebiets-Analyse als Klimaarchiv

Antragsteller: Maximilian Dröllner
Fachbereich, Studienrichtung: FB 14, Institut für Geologie und Paläontologie, Geowissenschaften
Projekttitel: Zirkon Liefergebiets-Analyse als Klimaarchiv: Dynamik der Interaktion zwischen Strömung und Sedimentation anhand von klastischem Detritus des argentinischen/uruguayischen Kontinentalhangs (~37-39 °S)
Fördersumme: 3.902,00 Euro
Kontakt: Maximilian Dröllner

Projektbeschreibung

Einleitung und Motivation:
Der Mar del Plata Canyon ist eine submarine Schlucht und befindet sich ca. 250 km östlich der Rio de la Plata Mündung im westlichen Südatlantik (ca. 37-39 °S). Hier endet der kontinentale Schelf Südamerikas. Dieses Gebiet ist von wissenschaftlichem Interesse, da es eine zentrale Rolle für das Verständnis der thermohalinen Zirkulation einnimmt. Als Resultat der ozeanischen Strömungsverhältnisse hat sich entlang des Schelfs eine durch Bodenströmungen kontrollierte Abfolge von Terrassen gebildet (Kontourit-Ablagerungen). Besonders prominent ist dieses Forschungsgebiet aufgrund des Zusammenflusses von nord- und südwärts-fließenden Strömungen. Aus dem Norden kommen die tropisch-warmen salzhaltigen und nährstoffreichen brasilianischen Wässer. Aus dem Süden hingegen kommen kühle und weniger salzhaltige Strömungen mit antarktischem Einfluss. Der Zusammenfluss dieser Strömungen wird als „Brazil-Malvinas Confluence“ (BMC) betitelt. Dieses Forschungsprojekt widmete sich der Interaktion von Transport und Deposition von Sedimenten (Gesteinsbruchstücke variabler Größe) dieses Gebietes. Sedimente sind das Produkt ihrer Umwelt und Abfolgen von Sedimenten dienen somit als geologisches Archiv, das heißt, sie erlauben uns einen Blick in die Vergangenheit. Das Ziel des Forschungsprojektes war eine Rekonstruktion der Herkunft (Provenanzanalyse) der klastischen Sedimente des Kontinentalhangs sowie ein verbessertes Verständnis der Beziehung der verschiedenen sedimentären Ablagerungsräume innerhalb dieses hochdynamischen Systems. Dieses Wissen liefert Rückschlüsse auf Variationen von gegenwärtigen und vergangenen ozeanischen Strömungsmustern und auf die damit verbundene klimatische Entwicklung des Forschungsgebietes.

Durchführung:
Das Probenmaterial wurde während der Forschungsexpedition SO260 auf dem Forschungsschiff FS Sonne im Jahr 2018 genommen und anschließend in Münster bearbeitet. Um ein möglichst variables Abbild zu generieren wurden mehrere Proben entlang eines N-S Profils durch das Forschungsgebiet ausgewählt. Des Weiteren wurden für jeweils einen Bohrkern im Süden und Norden mehrere Proben in verschiedenen Tiefen (für zeitliche Variationen) ausgesucht. Die analytische Methode dieses Projektes war Laser-Ablation mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS). Diese ist eine in der Geochronologie (der Teil der Geologie, der sich der Altersbestimmung von geologischen Ereignissen widmet) weit verbreitete Datierungsmethode, die häufig in der Erforschung von sedimentären Systemen Anwendung findet. In diesem Forschungsprojekt lag der Fokus auf Altersbestimmung von Zirkon-Mineralen. Diese sind ein akzessorischer Bestandteil (meist <1 % und ca. 0,1-0,3 mm groß) der meisten klastischen Sedimente (z. B. Sand). Für die Analyse dieser Minerale müssen sie zunächst aus der Probe separiert werden. Hierfür wurde das Sediment nass gesiebt und im Ultraschallbad gereinigt. Anschließend wurden mithilfe einer Flüssigkeit mit hoher Dichte (2,95 g/cm³) die leichten Minerale (z. B. Quarz) von den schwereren Mineralen (z. B. Zirkon) getrennt. Danach wurden magnetische Minerale (z. B. Magnetit) abgetrennt und so konnten letztendlich für alle relevanten Proben genügend Zirkon-Minerale separiert werden. Diese wurden vor der Analyse in einem Harz fixiert, angeschliffen und poliert. Vereinfacht gesagt wird bei der Altersbestimmung mit einem Laserstrahl auf die Zirkon-Minerale „geschossen“. Dabei wird ein Aerosol erzeugt, welches ionisiert wird und dessen Bestandteile letztendlich in einem Massenspektrometer nach ihrer jeweiligen Masse separiert und gemessen werden. Aus den gemessenen Isotopenverhältnissen können radiometrische Alter (häufig Kristallisationsalter der Minerale) berechnet werden. Es wurden insgesamt ca. 1200 Zirkon-Minerale analysiert, von denen ca. 800 analytisch gute Ergebnisse geliefert haben. Dies ist eine zu erwartende Quote und ist mit der Beschaffenheit einiger Zirkon-Minerale begründet (Metamiktisierung = Verlust der Kristallinität durch Akkumulation von Strahlenschäden). Nichtsdestotrotz, bei der hohen Anzahl von „brauchbaren“ Messungen war der analytische Teil des Projektes sehr erfolgreich.

Ergebnisse und Ausblick:
Eine wissenschaftliche Publikation war zunächst kein geplanter Teil des Forschungsprojektes. Dennoch beinhaltet der in diesem Projekt entstandene Datensatz wissenschaftlich interessante sowie neue Erkenntnisse über die räumlichen Beziehungen und die zeitliche Entwicklung des Forschungsgebietes. Diese Ergebnisse werden zurzeit zu einer wissenschaftlichen Publikation umgesetzt. Da der Prozess der Publikation etwas langwieriger ist, sowie üblicherweise detaillierte Ergebnisse von Publikationen nicht vorab veröffentlicht werden, ist dieser Abschlussbericht momentan (mit dankenswertem Einverständnis von Frau Dieks) eine verallgemeinerte Version der Ergebnisse. Mithilfe der neuen Daten konnte anhand der Altersverteilung der einzelnen Zirkon-Minerale im Abgleich mit der Literatur die Herkunft festgestellt werden. Zur Erläuterung: Für jedes Zirkon-Mineral ergibt die Messung ein Alter (vereinfacht gesagt, wann dieses Mineral aus einer Schmelze kristallisiert ist). Der jüngste Zirkon ist „nur“ wenige hunderttausende Jahre alt, wohingegen das älteste knapp über 3 Milliarden Jahre alt ist. Die ca. 800 Einzelkornanalysen haben ein sehr variables Altersspektrum. Anhand der Häufigkeiten von gewissen Altern konnten dennoch Rückschlüsse auf die primären Quellen (also die jeweiligen Gesteine auf dem Kontinent) und auch auf die sekundären Quellen (intermediäre Sedimentreservoire mit kurz bis langfristigen Aufenthaltszeiten, z. B. Flüsse) getroffen werden. Somit konnten für jede Probe qualitative (Herkunft) sowie quantitative (Anteile der verschiedenen Quellen) Aussagen getroffen werden. Auf dieser Grundlage kann dann eine Rekonstruktion des Sedimenteintrags erfolgen, welcher letztendlich Rückschlüsse auf die Bedingungen und Prozesse (z. B. Strömungsverhältnisse) während der Ablagerung lieferte. Für mich persönlich war bzw. ist das Projekt erfolgreich, es hat mir einen vertieften Einblick in die analytischen Arbeitsmethoden der Sedimentologie und Geochronologie sowie wertvolle Erfahrung in der Auswertung und Interpretation großer Datensätze geliefert. Ich hoffe, dass ich an dieser Stelle (sobald wie möglich) den Verweis auf eine erfolgreiche Publikation nachreichen kann.