Grain size percentiles and Mk values of coastal sediments from Schleswig Holstein, western Baltic Sea

In einer Fülle sedimentpetrographischer Arbeiten wird versucht, aus der Korngrößenverteilung und der Mineralzusammensetzung von Sanden Schlüsse auf ihre Herkunft, ihre Transportrichtung oder ihr Ablagerungsmilieu abzuleiten, die für die Lösung geologischer und ebenso auch wasserbaulicher Probleme nötig sind. Diese Literatur steckt noch voller Widersprüche und Fehlschlüsse. In der vorliegenden Arbeit wird daher versucht, den Mechanismus des Sandtransports vom Grundsätzlichen her besser verständlich zu machen. Das geschieht anhand zweier ausgewählter und eingehend untersuchter Beispiele aus dem Küstenbereich der westlichen Ostsee unter Einbeziehung der Erfahrungen an vielen Vergleichsproben aus verschiedensten Sedimentationsräumen. Unentbehrlich für das Verständnis der transportbedingten Veränderungen an den Sanden ist das sog. 'Äquivalenzprinzip' (Abschnitt 2). Es stellt fest, daß es in einem von einer Strömung transportierten Sediment immer Körner zwar verschiedener Korngröße, aber auch entsprechend verschiedener Dichte und/oder Kornform gibt, die miteinander transportiert und abgelagert werden, weil unter den herrschenden hydraulischen Bedingungen diese Eigenschaften einander voll kompensieren. In Abschnitt 3 wird kurz die von Rittenhouse angegebene Methode geschildert, mit der man an natürlichen Sedimenten unter der sehr allgemein gehaltenen 'Äquivalenzbedingung' gleicher Transportierbarkeit bestimmen kann, welches Korngrößenverhältnis ein bestimmtes Verhältnis der Dichten kompensieren kann. Die von Rittenhouse am Beispiel von Flußsanden gefundene Funktion zwischen der Dichte der Körner und ihrem Äquivalenzverhältnis gegen Quarzkörner wird hier als erste Näherung auch für die Transportverhältnisse von Strandsanden zugrunde gelegt. In Abschnitt 6 wird gezeigt, daß das auch gerechtfertigt ist. In Abschnitt 4 wird eine allgemein brauchbare Methode abgeleitet, mit der man nicht nur unter stark vereinfachenden Annahmen, sondern auch an Sanden mit realen, stets komplexen Korn-größenverteilungen die Folgen des Äquivalenzprinzips für die Verteilung von Mineralen verschiedener Dichte berechnen kann. Für jede Serie von Sanden, deren Korngrößenverteilungen entlang des Transportweges eine bestimmte, von den Transportbedingungen abhängige Entwicklung durchmachen, ergibt sich damit eine Kurvenschar, die beschreibt, wie sich die Mengen von Mineralien mit verschiedenen Dichten in den einzelnen Korngrößenklassen dabei ändern müßten, vorausgesetzt, daß sie im gesamten Korngrößenbereich gleich verfügbar wären. Diese Kurvenschar ist die 'Charakteristik' des betreffenden Transportfalles. Durch den Vergleich zwischen den nach der Charakteristik in den einzelnen Klassen zu erwartenden Mineralmengen mit den in dem betrachteten Transportfall tatsächlich gefundenen läßt sich deren relative, d. h. auf die Menge des Quarzes bezogene 'Verfügbarkeit' berechnen. Sie wird durch die sog. 'hydraulischen Verhältnisse' (Rittenhouse) ausgedrückt, die im Gegensatz zu den 'Klassenverhältnissen' von der Korngrößensonderung beim Transport unabhängig und nur von der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials bestimmt sind, solange beim Transport allein das Äquivalenzprinzip wirksam ist. In den untersuchten Fällen von Sandtransport an zwei Strandabschnitten der westlichen Ostsee (Abschnitt 5) zeigte dieser Vergleich (Abschnitt 6), daß die beobachtete Verteilung von Schwermineralen nicht allein durch Transportsonderung unter Gültigkeit des Äquivalenzprinzips erklärt werden kann, sondern daß dabei offenbar auch mechanische Zerkleinerung der Körner während des Transports mitgewirkt haben muß. Nur ein solcher, von der Transportsonderung unabhängiger Effekt kann als Transportrichtungs-Kriterium benutzt werden, wenn die Entwicklung der Korngrößenverteilungen allein keine Entscheidung erlaubt. Wie die Beispiele zeigen, läßt sich Klarheit über die bisher noch sehr umstrittene Frage nach dem Ausmaß der transportbedingten mechanischen Zerkleinerung von Sandkörnern nur gewannen, wenn in Zukunft versucht wird, bei der Bearbeitung natürlicher Beispiele den Einfluß der stets vorhandenen Transportsonderung auf Veränderungen des Mineralbestandes unter Anwendung des Äquivalenzprinzips rechnerisch auszuschalten. Über dieses wesentlichste Ergebnis hinaus erlauben die dargestellten Zusammenhänge auch eine kritische Stellungnahme zu den oben erwähnten allgemeinen Problemen und führen zu methodischen und sachlichen Verbesserungsvorschlägen für weitere Untersuchungen an klastischen Sedimenten.

Geochemistry and geomicrobiology profiles of ferruginous sediment, Lake Towuti, Indonesia

Lake Towuti is a tectonic basin, surrounded by ultramafic rocks. Lateritic soils form through weathering and deliver abundant iron (oxy)hydroxides but very little sulfate to the lake and its sediment. To characterize the sediment biogeochemistry, we collected cores at three sites with increasing water depth and decreasing bottom water oxygen concentrations. Microbial cell densities were highest at the shallow site - a feature we attribute to the availability of labile organic matter and the higher abundance of electron acceptors due to oxic bottom water conditions. At the two other sites, OM degradation and reduction processes below the oxycline led to partial electron acceptor depletion. Genetic information preserved in the sediment as extracellular DNA provides information on aerobic and anaerobic heterotrophs related to Actinobacteria, Nitrospirae, Chloroflexi and Thermoplasmatales. These taxa apparently played a significant role in the degradation of sinking organic matter. However, extracellular DNA concentrations rapidly decrease with core depth. Despite very low sulfate concentrations, sulfate-reducing bacteria were present and viable in sediments at all three sites, as confirmed by measurement of potential sulfate reduction rates. Microbial community fingerprinting supported the presence of taxa related to Deltaproteobacteria and Firmicutes with demonstrated capacity for iron and sulfate reduction. Concomitantly, sequences of Ruminococcaceae, Clostridiales and Methanomicrobiales indicated potential for fermentative hydrogen and methane production. Such first insights into ferruginous sediments show that microbial populations perform successive metabolisms related to sulfur, iron and methane. In theory, iron reduction could reoxidize reduced sulfur compounds and desorb OM from iron minerals to allow remineralization to methane. Overall, we found that biogeochemical processes in the sediments can be linked to redox differences in the bottom waters of the three sites, like oxidant concentrations and the supply of labile OM. At the scale of the lacustrine record, our geomicrobiological study should provide a means to link the extant subsurface biosphere to past environments.