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    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    δDPr = [(D/1HPr)/(D/1HSt) – 1] x 1000

    Internationaler Standard: V-SMOW – Standard Mean Ocean Water

    (14N + n 3T + 12C Datierung von Grundwasser: entspricht letzte Berührung des Wassers mit der Atmosphäre)

    Verschiedene Präparationsverfahren zur Herstellung von H2

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    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    (aus Stosch, 1999)

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    Fraktionierungsmechanismen 1. Transportkinetische

    - Verdampfung/ Kondensierung da unterschiedlicher Dampfdruck: HDO hat kleineren Dampfdruck als H2O

    - leicht unterschiedliche Gefrierpunkte

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    2. Gleichgewichtsreaktionen

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    komplizierte Fraktionierungskurven: haben oft Umkehrungen

    H oft in verschiedenen Strukturpositionen der Minerale (= verschiedene Bindungsstärken)

    Fast unmöglich Isotopen- Thermometrie zu betreiben, aber dafür Überprägungs- prozesse oft gut sichtbar (Fluideinwirkung)

    Zwischen Mineralen

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    3. Weitere Fraktionierungen

    - an Tonen: „Ultrafiltrierung“ Tone wirken als Membrane und adsorbieren schwere Isotope (D, 18O) Formationswässer sind an schweren Isotopen angereichert, filtrierte Wässer an leichten Isotopen

    - bei biochemischen Prozessen: z.B. bakterielle Erzeugung von H2 und CH4 erzeugt wesentlich größere Fraktionierung als Gleichgewichtsprozesse

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    1. Hydrosphäre

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    Meteorischer Wasserkreislauf

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    δD = 8 δ18O + 9 Niederschlag

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    Mittlere δD-Werte des Niederschlags im Sommer Für Nord-Amerika

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    Verdünnungseffekt: Zumischung salzärmerer Wässer (aus Zuflüssen), die mit „leichteren“ Isotopen durch Verdampfung (vom ozeanischen Oberflächenwasser) angereichert sind

    Antarktisches Bodenwasser (hohe Dichte) entsteht durch Entzug von Wasser durch Treibeisbildung im Winter bei geringer Isotopenfraktio- nierung (2 ‰) Durch Strömung im Pazifik und Indik: Mischung mit nordatlantischem Tiefenwasser Pazifisches Tiefenwasser muss noch weitere Komponente haben (liegt nicht auf der Mischungslinie)

    Ozeanwasser

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    2. Formationswässer – salinare Wässer (brines)

    werden von meteorischen Wässern abgeleitet (Trends zur MWL)

    Punkte in Nähe MWL haben geringste Salz- Gehalte

    Mischwässer aus meteorischen Wässern und marinen Porenwässern (ehemalige marine Sedimente)

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    3. Sedimentgesteine

    Bildung von Tonmineralen Isotopenzusammensetzung hängt ab: - von Isotopenzusammensetzung des Wassers, das bei der Bildung vorhanden ist - Fraktionierungsfaktoren Wasser – Tonmineral - Bildungstemperatur

    Detritisch – Isotopenzusammensetzung entsprechend der Ausgangsgesteine, kann heterogen sein Chemische Verwitterung

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    Chemische Verwitterung (Sedimentgesteine)

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    4. Magmatische Gesteine

    a) Biotite, Hornblenden in Graniten: -90 bis – 50 ‰ b) Tholeite und Alkalibasalte (siehe Mantelgesteine)

    bei Wechselwirkung mit Wässern (hier meteorische Wässer) verschiebt sich zuerst der δD-Wert

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    Mantelgesteine

    a) Untersuchung von Mantelgesteinen: Basalte, Glas aus Basalten: δD = -90 bis -20‰ Probleme: Entgasung,Wechselwirkung mit Meerwasser, Niedrigtemperatur-Hydrierung am wenigsten veränderter Wert: -80 ± 5 ‰

    b) OH-führende Mantelminerale (Glimmer, Amphibole)

    (Hoefs, 2009)

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    Anwendungen

    - meteorischer Wasserkreislauf: Klimastudien (einschließlich Paläoklima) an Grundwasser, Ozeanwasser – Zirkulation, Seen, Niederschlag, Eis (z.B. Gletscher)

    - Herkunft hydrothermaler und metamorpher Wässer (z.B. Lager- stättenbildung)

    - Identifizierung von Überprägungsprozessen

    - Lebensmittelkontrolle (Herkunfts- identifizierung)

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  • δ13C

    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    δ13CPr = [(13C/12CPr)/(13C/12CSt) – 1] x 1000

    14N (n, p) 14C Datierung von organischem Material (z.B. Knochen)

    Internationaler Standard: PDB – Belemnite of the formation PD

    Verschiedene Präparationsverfahren zur Herstellung von CO2

  • δ13C

    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    - Fraktionierung zwischen CO2 und org. C (Photosynthese)

    Tichomirowa, 1992

    - Fraktionierung zwischen Karbonaten und Bikarbonat des Ozeans

    - magmatischer C

  • δ13C

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    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    1. Organischer Kohlenstoff

    Fraktionierung in Abhängigkeit von der Art der Photosynthese (C3-, C4- , CAM-Mechanismus)

  • δ13C

    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    Photosynthese in Pflanzen:

    - läuft im Stroma der Chloroplasten ab - vereinfacht: CO2 + H2O org. Stoffe (Kohlenhydrate, Fette, Proteine u.a.) + O2 - 1. Lichtreaktion (Primärreaktion): Umwandlung von Lichtenergie zur chemischen Energie (in Form von ATP)

    und Schaffung eines Reduktionsmittels (NADP) - 2. Dunkelreaktion (Sekundärreaktion): Calvinzyklus

    3 Schritte im Calvin-Zyklus: a) CO2 -Fixierung: mit Hilfe des Schlüssel-

    enzyms Rubisco entsteht 3 Phospho- glycerat (3-PG), hat 3 C-Atome, daher C3 = erstes stabiles C-Produkt

    b) Reduktion von C unter Bildung von Glykose

    c) Regenerierung

    Lichtreaktion

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    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    C3 - Pflanzen C4 –Pflanzen CAM – Pflanzen Weizen, Gerste, Roggen, Kartoffel, Hirse, Mais, Zuckerrohr, Chinaschilf Ananas, Kakteen Zuckerrübe, Reis, Sojabohne Gräser, Seggen

    haben Photorespiration, da Enzym Rubisco auch O2 (an Stelle CO2) binden kann (z.B. bei hohen O2-Konzentrationen). Dabei Bildung von CO2 und Verlust von ca 1/3 CO2 (Abgabe). Erste Photosynthese der Erdgeschichte als noch geringe O2-Konzentrationen der Atmosphäre.

    nicht effektive „fehlhafte“ Photosynthese

    Enzym PEP-Carboxylase erlaubt Photo- Synthese auch bei geringen CO2-Konzentrationen, erstes stabiles C-Produkt mit 4 C-Atomen: C4 Chloroplasten bilden Bündel, dadurch weniger Photorespiration, Vermeidung von Energieverlust, effektivere und schnellere Photosynthese oftmals in heißen Standorten, wenn Stoma (Spalt- Öffnungen) geschlossen bleiben entstanden später als C3 Pflanzen

  • δ13C

    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    C3 - Pflanzen C4 –Pflanzen CAM – Pflanzen Weizen, Gerste, Kartoffel, Zuckerrübe, Hirse, Mais, Zuckerrohr, Chinaschilf Ananas, Kakteen Reis, Sojabohne Gräser, Seggen

    C3

    Spaltöffnungen nur nachts geöffnet

    nachts: Aufnahme von CO2 und Speicherung

    tags darauf: Calvinzyklus mit Lichtreaktion mittels ATP

    zeitlich getrennte Licht- und Dunkelreaktion

    PEP + Rubisco

  • δ13C

    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    Veränderung des Verhältnisses Landpflanzen/Meerespflanzen als Funktion zum Küstenabstand durch unterschiedliche CO2-Konzentrationen

  • δ13C

    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    2. Karbonate

    Säkuläre Schwankungen der δ13C-Werte mariner Karbonate

  • δ13C

    Isotopengeochemie und Geochronologie M. TichomirowaVeizer et al. (1999)

  • δ13C

    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    Tikhomirova & Makarikhin (1993) „Possible reasons for the 13C anomaly of Lower Proterozoic sedimentary carbonates“

  • δ13C

    Isotopengeochemie und Geochronologie M. Tichomirowa

    - Increased burial of organic carbon.

    - plus increase in riverine P s