Charakterisierung antiker Keramik und ihrer Herstellungstechniken mit mineralogischen Methoden am Beispiel Mayener Gebrauchskeramik

Mehr als hundert Jahre archäologischer Forschung haben gezeigt, dass in Mayen in römischer und mittelalterlicher Zeit eines der wichtigsten europäischen Produktionszentren für die Herstellung qualitätsvoller Gebrauchskeramik bestand. Im Rahmen dieser Studie wurden vier Befundkomplexe aus Töpfereisiedlungen vom 4. bis in das 14. Jahrhundert untersucht. Genauer handelt es sich um Keramik aus zwei spätantiken Brennanlagen des 4. Jahrhunderts im Bereich der Flur „Auf der Eich“ an den Straßen „Am Sonnenhang“ und „Frankenstraße“. Weiterhin konnte Material aus zwei Töpferofenfüllungen des 5. bis 9. Jahrhunderts analysiert werden, das 1975 auf dem Grundstück 55 an der „Siegfriedstraße“ in Brennanlagen entdeckt wurde. Hinzu kam Brenngut aus elf Töpferöfen des späten 8. bis 14. Jahrhunderts, welches in den so genannten „Burggärten“ der Genovevaburg von Mayen in den Jahren 1986/87 durch die archäologische Denkmalpflege in Koblenz geborgen wurde. Die mineralogischen Untersuchungen zur Charakterisierung der „Mayener Keramik“ wurden systematisch an den Keramikmaterialien aus diesen Fundstellen durchgeführt. Mittelalterliche Keramik aus Bornheim-Walberberg, Brühl-Eckdorf, Höhr-Grenzhausen, Langerwehe, Frechen, Brühl-Pingsdorf, Paffrath, Raeren, Ratingen-Breitscheid, Siegburg-Seehofstraße, Siegburg-Scherbenhügel, Fredelsloh und Brühl-Badorf konnte für diese Arbeit als Referenzmaterialien ebenfalls untersucht werden. Provenienzanalysen wurden an Keramikproben aus 27 Fundorten, die makroskopisch nach Mayener Ware aussehen, mit mineralogischen Methoden durchgeführt, um sie der Fundregion Mayen eindeutig zuordnen zu können.rnPhasenanalyse, chemische Analyse und thermische Analyse wurden an Keramik sowie Ton durchgeführt. Die Phasenanalyse wurde zur Bestimmung der mineralischen Zusammensetzung von Grundmasse und Magerungsmittel (Röntgendiffraktometrie (XRD), Polarisationsmikroskop, Mikro-Raman-Spektroskopie) verwendet. Die chemische Zusammensetzung wurde durch Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ermittelt. Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) und Laser-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (LA-ICP-MS) wurden bei den Proben, bei denen weniger als 2g Material zur Verfügung standen, eingesetzt. Brennexperimente wurden am originalen Rohstoff der Keramik aus den „Burggärten“ der Genovevaburg durchgeführt. Gebrannter Ton wurde durch Röntgendiffraktometrie (XRD), Infrarotspektroskopie (IR) und Differential-Thermoanalyse (DTA) analysiert. rnAnhand der Messergebnisse lässt sich die Mayener Keramik aus den vier Fundplätzen in zwei Typen zusammenzufassen: der mit Feldspat-reichem Sand gemagerte römische Typ und der mit Quarz-reichem Sand gemagerte mittelalterliche Typ. Die Änderung des Magerungsmittels von Feldspat- zu Quarzsand weist eine technische Entwicklung zu höheren Brenntemperaturen von der Römerzeit bis in das Mittelalter nach. Nach der Untersuchung und dem Vergleich mit den Referenzkeramikgruppen ist festzustellen, dass durch multivariate Statistikanalysen der chemischen Komponenten die Charakterisierung der Keramik und eine Differenzierung zwischen den Keramikgruppen gelingt. Diese Erkenntnisse bildeten die Basis für Provenienzanalysen. 16 Fundorte können durch Provenienzanalyse sicher als Exportregionen der Mayener Ware festgestellt werden. Gemäß den Brennexperimenten lassen sich die chemischen Reaktionen während des Brandprozesses nachvollziehen. Zwei Methoden wurden mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und Differential-Thermoanalyse (DTA) zur Bestimmung der Brenntemperaturen der Keramik modelliert. Die Töpferöfen der „Burggärten“ können nach der Brenntemperatur in zwei Typen zusammengefasst werden: solche mit einer Brenntemperatur unter 1050°C und solche mit einer Brenntemperatur über 1050°C.rn

Highly accurate quantum chemistry : spin-orbit splittings via multireference coupled-cluster methods and applications in heavy-atom main-group chemistry

Diese Dissertation demonstriert und verbessert die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie im Hinblick auf die hochgenaue Berechnung von Moleküleigenschaften. Die Demonstration erfolgt mittels Extrapolations- und Additivitätstechniken in der Single-Referenz-Coupled-Cluster-Theorie, mit deren Hilfe die Existenz und Struktur von bisher unbekannten Molekülen mit schweren Hauptgruppenelementen vorhergesagt wird. Vor allem am Beispiel von cyclischem SiS_2, einem dreiatomigen Molekül mit 16 Valenzelektronen, wird deutlich, dass die Vorhersagekraft der Theorie sich heutzutage auf Augenhöhe mit dem Experiment befindet: Theoretische Überlegungen initiierten eine experimentelle Suche nach diesem Molekül, was schließlich zu dessen Detektion und Charakterisierung mittels Rotationsspektroskopie führte. Die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie wird verbessert, indem eine Multireferenz-Coupled-Cluster-Methode für die Berechnung von Spin-Bahn-Aufspaltungen erster Ordnung in 2^Pi-Zuständen entwickelt wird. Der Fokus hierbei liegt auf Mukherjee's Variante der Multireferenz-Coupled-Cluster-Theorie, aber prinzipiell ist das vorgeschlagene Berechnungsschema auf alle Varianten anwendbar. Die erwünschte Genauigkeit beträgt 10 cm^-1. Sie wird mit der neuen Methode erreicht, wenn Ein- und Zweielektroneneffekte und bei schweren Elementen auch skalarrelativistische Effekte berücksichtigt werden. Die Methode eignet sich daher in Kombination mit Coupled-Cluster-basierten Extrapolations-und Additivitätsschemata dafür, hochgenaue thermochemische Daten zu berechnen.

Internally contracted multireference coupled-cluster methods

This thesis details the development of quantum chemical methods for the accurate theoretical description of molecular systems with a complicated electronic structure. In simple cases, a single Slater determinant, in which the electrons occupy a number of energetically lowest molecular orbitals, offers a qualitatively correct model. The widely used coupled-cluster method CCSD(T) efficiently includes electron correlation effects starting from this determinant and provides reaction energies in error by only a few kJ/mol. However, the method often fails when several electronic configurations are important, as, for instance, in the course of many chemical reactions or in transition metal compounds. Internally contracted multireference coupled-cluster methods (ic-MRCC methods) cure this deficiency by using a linear combination of determinants as a reference function. Despite their theoretical elegance, the ic-MRCC equations involve thousands of terms and are therefore derived by the computer. Calculations of energy surfaces of BeH2, HF, LiF, H2O, N2 and Be3 unveil the theory's high accuracy compared to other approaches and the quality of various hierarchies of approximations. New theoretical advances include size-extensive techniques for removing linear dependencies in the ic-MRCC equations and a multireference analog of CCSD(T). Applications of the latter method to O3, Ni2O2, benzynes, C6H7NO and Cr2 underscore its potential to become a new standard method in quantum chemistry.

Modelling, diagnostics and experimental analysis of plasma assisted processes for material treatment

This work presents results from experimental investigations of several different atmospheric pressure plasmas applications, such as Metal Inert Gas (MIG) welding and Plasma Arc Cutting (PAC) and Welding (PAW) sources, as well as Inductively Coupled Plasma (ICP) torches. The main diagnostic tool that has been used is High Speed Imaging (HSI), often assisted by Schlieren imaging to analyse non-visible phenomena. Furthermore, starting from thermo-fluid-dynamic models developed by the University of Bologna group, such plasma processes have been studied also with new advanced models, focusing for instance on the interaction between a melting metal wire and a plasma, or considering non-equilibrium phenomena for diagnostics of plasma arcs. Additionally, the experimental diagnostic tools that have been developed for industrial thermal plasmas have been used also for the characterization of innovative low temperature atmospheric pressure non equilibrium plasmas, such as dielectric barrier discharges (DBD) and Plasma Jets. These sources are controlled by few kV voltage pulses with pulse rise time of few nanoseconds to avoid the formation of a plasma arc, with interesting applications in surface functionalization of thermosensitive materials. In order to investigate also bio-medical applications of thermal plasma, a self-developed quenching device has been connected to an ICP torch. Such device has allowed inactivation of several kinds of bacteria spread on petri dishes, by keeping the substrate temperature lower than 40 degrees, which is a strict requirement in order to allow the treatment of living tissues.

Elementspeziation von Neptunium im Ultraspurenbereich

In der vorliegenden Arbeit wurde der Nachweis des Isotops Np-237 mit Resonanzionisations-Massenspektrometrie (RIMS) entwickelt und optimiert. Bei RIMS werden Probenatome mehrstufig-resonant mit Laserstrahlung angeregt, ionisiert und anschließend massenspektrometrisch nachgewiesen. Die Bestimmung geeigneter Energiezustände für die Anregung und Ionisation von Np-237 erfolgte durch Resonanzionisationsspektroskopie (RIS), wobei über 300 bisher unbekannte Energieniveaus und autoionisierende Zustände von Np-237 identifiziert wurden. Mit in-source-RIMS wird für das Isotop eine Nachweisgrenze von 9E+5 Atome erreicht. rnrnDie Mobilität von Np in der Umwelt hängt stark von seiner Elementspeziation ab. Für Sicherheitsanalysen potentieller Endlagerstandorte werden daher Methoden benötigt, die Aussagen über die unter verschiedenen Bedingungen vorliegenden Neptuniumspezies ermöglichen. Hierzu wurde eine online-Kopplung aus Kapillarelektrophorese (CE) und ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometry) genutzt, mit der die Np-Redoxspezies Np(IV) und Np(V) noch bei einer Konzentrationen von 1E-9 mol/L selektiv nachgewiesen werden können. Das Verfahren wurde eingesetzt, um die Wechselwirkung des Elements mit Opalinuston unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei Gegenwart von Fe(II) Np(V) zu Np(IV) reduziert wird und dieses am Tongestein sorbiert. Dies führt insgesamt zu einer deutlich erhöhten Sorption des Np am Ton.

Entwicklung eines Pikoliter-Tropfengenerators für die Massenspektrometrische Spuren- und Speziesanalytik

Die Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung einer alternativen Probenzuführungstechnik für flüssige Proben in der Massenspektrometrie. Obwohl bereits einige Anstrengungen zur Verbesserung unternommen wurden, weisen konventionelle pneumatische Zerstäuber- und Sprühkammersysteme, die in der Elementspurenanalytik mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) standardmäßig verwendet werden, eine geringe Gesamteffizienz auf. Pneumatisch erzeugtes Aerosol ist durch eine breite Tropfengrößenverteilung gekennzeichnet, was den Einsatz einer Sprühkammer bedingt, um die Aerosolcharakteristik an die Betriebsbedingungen des ICPs anzupassen.. Die Erzeugung von Tropfen mit einer sehr engen Tropfengrößenverteilung oder sogar monodispersen Tropfen könnte die Effizienz des Probeneintrags verbessern. Ein Ziel dieser Arbeit ist daher, Tropfen, die mittels des thermischen Tintenstrahldruckverfahrens erzeugt werden, zum Probeneintrag in der Elementmassenspektrometrie einzusetzen. Das thermische Tintenstrahldruckverfahren konnte in der analytischen Chemie im Bereich der Oberflächenanalytik mittels TXRF oder Laserablation bisher zur gezielten, reproduzierbaren Deposition von Tropfen auf Oberflächen eingesetzt werden. Um eine kontinuierliche Tropfenerzeugung zu ermöglichen, wurde ein elektronischer Mikrokontroller entwickelt, der eine Dosiereinheit unabhängig von der Hard- und Software des Druckers steuern kann. Dabei sind alle zur Tropfenerzeugung relevanten Parameter (Frequenz, Heizpulsenergie) unabhängig voneinander einstellbar. Die Dosiereinheit, der "drop-on-demand" Aerosolgenerator (DOD), wurde auf eine Aerosoltransportkammer montiert, welche die erzeugten Tropfen in die Ionisationsquelle befördert. Im Bereich der anorganischen Spurenanalytik konnten durch die Kombination des DOD mit einem automatischen Probengeber 53 Elemente untersucht und die erzielbare Empfindlichkeiten sowie exemplarisch für 15 Elemente die Nachweisgrenzen und die Untergrundäquivalentkonzentrationen ermittelt werden. Damit die Vorteile komfortabel genutzt werden können, wurde eine Kopplung des DOD-Systems mit der miniaturisierten Fließinjektionsanalyse (FIA) sowie miniaturisierten Trenntechniken wie der µHPLC entwickelt. Die Fließinjektionsmethode wurde mit einem zertifizierten Referenzmaterial validiert, wobei für Vanadium und Cadmium die zertifizierten Werte gut reproduziert werden konnten. Transiente Signale konnten bei der Kopplung des Dosiersystems in Verbindung mit der ICP-MS an eine µHPLC abgebildet werden. Die Modifikation der Dosiereinheit zum Ankoppeln an einen kontinuierlichen Probenfluss bedarf noch einer weiteren Reduzierung des verbleibenden Totvolumens. Dazu ist die Unabhängigkeit von den bisher verwendeten, kommerziell erhältlichen Druckerpatronen anzustreben, indem die Dosiereinheit selbst gefertigt wird. Die Vielseitigkeit des Dosiersystems wurde mit der Kopplung an eine kürzlich neu entwickelte Atmosphärendruck-Ionisationsmethode, die "flowing atmospheric-pressure afterglow" Desorptions/Ionisations Ionenquelle (FAPA), aufgezeigt. Ein direkter Eintrag von flüssigen Proben in diese Quelle war bislang nicht möglich, es konnte lediglich eine Desorption von eingetrockneten Rückständen oder direkt von der Flüssigkeitsoberfläche erfolgen. Die Präzision der Analyse ist dabei durch die variable Probenposition eingeschränkt. Mit dem Einsatz des DOD-Systems können flüssige Proben nun direkt in die FAPA eingetragen, was ebenfalls das Kalibrieren bei quantitativen Analysen organischer Verbindungen ermöglicht. Neben illegalen Drogen und deren Metaboliten konnten auch frei verkäufliche Medikamente und ein Sprengstoffanalogon in entsprechend präpariertem reinem Lösungsmittel nachgewiesen werden. Ebenso gelang dies in Urinproben, die mit Drogen und Drogenmetaboliten versetzt wurden. Dabei ist hervorzuheben, dass keinerlei Probenvorbereitung notwendig war und zur Ermittlung der NWG der einzelnen Spezies keine interne oder isotopenmarkierte Standards verwendet wurden. Dennoch sind die ermittelten NWG deutlich niedriger, als die mit der bisherigen Prozedur zur Analyse flüssiger Proben erreichbaren. Um im Vergleich zu der bisher verwendeten "pin-to-plate" Geometrie der FAPA die Lösungsmittelverdampfung zu beschleunigen, wurde eine alternative Elektrodenanordnung entwickelt, bei der die Probe länger in Kontakt mit der "afterglow"-Zone steht. Diese Glimmentladungsquelle ist ringförmig und erlaubt einen Probeneintrag mittels eines zentralen Gasflusses. Wegen der ringförmigen Entladung wird der Name "halo-FAPA" (h-FAPA) für diese Entladungsgeometrie verwendet. Eine grundlegende physikalische und spektroskopische Charakterisierung zeigte, dass es sich tatsächlich um eine FAPA Desorptions/Ionisationsquelle handelt.

Homeopathic Preparations of Quartz, Sulfur and Copper Sulfate Assessed by UV-Spectroscopy

Homeopathic preparations are used in homeopathy and anthroposophic medicine. Although there is evidence of effectiveness in several clinical studies, including double-blinded randomized controlled trials, their nature and mode of action could not be explained with current scientific approaches yet. Several physical methods have already been applied to investigate homeopathic preparations but it is yet unclear which methods are best suited to identify characteristic physicochemical properties of homeopathic preparations. The aim of this study was to investigate homeopathic preparations with UV-spectroscopy. In a blinded, randomized, controlled experiment homeopathic preparations of copper sulfate (CuSO(4); 11c-30c), quartz (SiO(2); 10c-30c, i.e., centesimal dilution steps) and sulfur (S; 11×-30×, i.e., decimal dilution steps) and controls (one-time succussed diluent) were investigated using UV-spectroscopy and tested for contamination by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). The UV transmission for homeopathic preparations of CuSO(4) preparations was significantly lower than in controls. The transmission seemed to be also lower for both SiO(2) and S, but not significant. The mean effect size (95% confidence interval) was similar for the homeopathic preparations: CuSO(4) (pooled data) 0.0544% (0.0260-0.0827%), SiO(2) 0.0323% (-0.0064% to 0.0710%) and S 0.0281% (-0.0520% to 0.1082%). UV transmission values of homeopathic preparations had a significantly higher variability compared to controls. In none of the samples the concentration of any element analyzed by ICP-MS exceeded 100 ppb. Lower transmission of UV light may indicate that homeopathic preparations are less structured or more dynamic than their succussed pure solvent.

Contamination of Alpine snow and ice at Colle Gnifetti, Swiss/Italian Alps, from nuclear weapons tests

Plutonium is present in the environment as a consequence of atmospheric nuclear tests, nuclear weapons production and industrial releases over the past 50 years. To study temporal trends, a high resolution Pu record was obtained by analyzing 52 discrete samples of an alpine firn/ice core from Colle Gnifetti (Monte Rosa, 4450 m a.s.l.), dating from 1945 to 1990. The 239Pu signal was recorded directly, without decontamination or preconcentration steps, using an Inductively Coupled Plasma - Sector Field Mass Spectrometer (ICP-SFMS) equipped with an high efficiency sample introduction system, thus requiring much less sample preparation than previously reported methods. The 239Pu profile reflects the three main periods of atmospheric nuclear weapons testing: the earliest peak lasted from 1954/55 to 1958 and was caused by the first testing period reaching a maximum in 1958. Despite a temporary halt of testing in 1959/60, the Pu concentration decreased only by half with respect to the 1958 peak due to long atmospheric residence times. In 1961/62 Pu concentrations rapidly increased reaching a maximum in 1963, which was about 40% more intense than the 1958 peak. After the signing of the "Limited Test Ban Treaty" between USA and USSR in 1964, Pu deposition decreased very sharply reaching a minimum in 1967. The third period (1967-1975) is characterized by irregular Pu concentrations with smaller peaks (about 20-30% of the 1964 peak) which might be related to the deposition of Saharan dust contaminated by the French nuclear tests of the 1960s. The data presented are in very good agreement with Pu profiles previously obtained from the Col du Dome ice core (by multi-collector ICP-MS) and Belukha ice core (by Accelerator Mass Spectrometry, AMS). Although a semi-quantitative method was employed here, the results are quantitatively comparable to previously published results.

EFFETS DE L’INCORPORATION D’ADJUVANTS MINÉRAUX SUR LES PROPRIÉTÉS DE CIMENTS GÉOPOLYMÈRES A BASE DE SCORIES VOLCANIQUES

Volcanic ashes are raw materials from geological deposits with a range of chemical compositions. When combined with suitable alkali activators they can be converted to geopolymers cement at ambient temperature. In this work we have investigated the possibility of use bauxite and oyster shells as mineral admixture in volcanic ashes, to enhance the properties of geopolymers synthesized. Different methods of analyses such as Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffractometry (XRD), and Scanning Electron Microscopy (SEM) were used to assess the variation of setting time, linear shrinkage and 28 days compressive strength of geopolymers paste. The bauxite and the oyster shells were characterized using inductively coupled plasma (ICP-AES), thermal analyses (DSC/ATG), FTIR and X-ray diffractometry. The results of these analyses has showed that bauxite and oyster shells are respectively source of Al2O3 and of CaO, and can compensate the deficiencies of these oxides in volcanic ashes. Adding mineral admixture dissolve slowly in high alkaline medium. Addition of about 20% of bauxite or 10% of oyster shells is seen to decrease the setting time respectively from 415 to 275 min and 195 min. Linear shrinkage decrease with percentage of bauxite or of oyster shells added. Efflorescence is reduced by adding 10% of bauxite. 28 days compressive strength of geopolymeric materials increase respectively for 4.77 and 7.52% for 10% of bauxite or 20% of oyster shells added. More than these percentage additive has a deleterious effect on compressive strength due to crystalized mineralogical phases of the admixture.

Magnetic anisotropy in natural amphibole crystals

Anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) is often used as a proxy for mineral fabric in deformed rocks. To do so quantitatively, it is necessary to quantify the intrinsic magnetic anisotropy of single crystals of rock-forming minerals. Amphiboles are common in mafic igneous and metamorphic rocks and often define rock texture due to their general prismatic crystal habits. Amphiboles may dominate the magnetic anisotropy in intermediate to felsic igneous rocks and in some metamorphic rock types, because they have a high Fe concentration and they can develop a strong crystallographic preferred orientation. In this study, the AMS is characterized in 28 single crystals and I crystal aggregate of compositionally diverse clino- and ortho-amphiboles. High-field methods were used to isolate the paramagnetic component of the anisotropy, which is unaffected by ferromagnetic inclusions that often occur in amphibole crystals. Laue imaging, laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry, and Mossbauer spectroscopy were performed to relate the magnetic anisotropy to crystal structure and Fe concentration. The minimum susceptibility is parallel to the crystallographic a*-axis and the maximum susceptibility is generally parallel to the crystallographic b-axis in tremolite, actinolite, and hornblende. Gedrite has its minimum susceptibility along the a-axis, and maximum susceptibility aligned with c. In richterite, however, the intermediate susceptibility is parallel to the b-axis and the minimum and maximum susceptibility directions are distributed in the a-c plane. The degree of anisotropy, k', increases generally with Fe concentration, following a linear trend: k' = 1.61 x 10(-9) Fe - 1.17 x 10(-9) m(3)/kg. Additionally, it may depend on the Fe2+/Fe3+ ratio. For most samples, the degree of anisotropy increases by a factor of approximately 8 upon cooling from room temperature to 77 K. Fen-oactinolite, one pargasite crystal and riebeckite show a larger increase, which is related to the onset of local ferromagnetic (s.l.) interactions below about 100 K. This comprehensive data set increases our understanding of the magnetic structure of amphiboles, and it is central to interpreting magnetic fabrics of rocks whose AMS is controlled by amphibole minerals.

Aeolian dust and chemistry records from the EDML and EDC ice cores

To improve quantitative interpretation of ice core aeolian dust records a systematic methodical comparison has been made involving methods of water-insoluble particle counting (Coulter Counter and laser-sensing particle detector), soluble ions (ion chromatography, IC, and continuous flow analysis, CFA), elemental analysis (inductively coupled plasma mass spectroscopy, ICP-MS, at pH 1 and after full acid digestion), and water-insoluble elemental analysis (proton induced X-ray emission, PIXE). Ice core samples covering the last deglaciation have been used from the EPICA Dome C (EDC) and the EPICA Dronning Maud Land (EDML) ice cores. All methods correlate very well amongst each other. The ratios of glacial age concentrations to Holocene concentrations, which are typically a factor ~100, differ significantly between the methods, but differences are limited to a factor < 2 for most methods with insoluble particles showing the largest change. The recovery of ICP-MS measurements depends on the digestion method and is different for different elements and during different climatic periods. EDC and EDML samples have similar dust composition, which suggests a common dust source or a common mixture of sources for the two sites. The analysed samples further reveal a change of dust composition during the last deglaciation.

Composition of soil samples from injection location

CO2 leakage from subsurface storage sites is one of the main concerns connected with the CCS technology. As CO2 leakages into near surface formations appear to be very unlikely within pilot CCS projects, the aim of this work is to emulate a leakage by injecting CO2 into a near surface aquifer. The two main questions pursued by the injection test are (1) to investigate the impact of CO2 on the hydrogeochemistry of the groundwater as a base for groundwater risk assessment and (2) to develop and apply monitoring methods and monitoring concepts for detecting CO2 leakages in shallow aquifers. The presented injection test is planned within the second half of 2010, as a joint project of the University of Kiel (Germany), the Helmholtz-Centre for Environmental Research (Leipzig, Germany) and the Engineering Company GICON (Dresden, Germany). The test site has been investigated in detail using geophysical methods as well as direct-push soundings, groundwater well installation and soil and groundwater analyses. The present paper presents briefly the geological and hydrogeological conditions at the test site as well as the planned injection test design and monitoring concept.

Chemical composition of ferromanganese manifestations from the Sea of Okhotsk

New data on microstructures and mineral and chemical compositions of ferromanganese crusts sampled from the western slope of the Kuril Island Arc in the Sea of Okhotsk during cruises of R/V Vulkanolog are discussed. The study of the crusts using analytical electron microscopy methods revealed that their manganese phase is represented by vernadite, Fe-vernadite, todorokite, asbolane, and asbolane-buserite, while iron phase consists of hematite, hydrohematite, ferroxyhite, and magnetite. Lithic mineral assemblage includes apatite, quartz, epidote, and montmorillonite. According to chemical analysis most of the crusts contain significant part of volcanogenic and hydrothermal material. It is evident from elevated values of Mn/Fe and (Mn+Fe)/Ti ratios, low concentrations of some trace elements, and positive Eu anomaly.

Geochemistry of continental slope and deep sea basin sediments off Uruguay

Pore water and solid phase from surface sediments of the continental slope off Uruguay and from the Argentine Basin (southwestern Atlantic) were investigated geochemically to ascribe characteristic early diagenetic reactions of iron and manganese. Solid-phase iron speciation was determined by extractions as well as by Mössbauer spectroscopy. Both methods showed good agreement (<6% deviation) for total-Fe speciation. The proportion of easy reducible iron oxyhydroxide relative to total-Fe oxides decreased from the continental slope to the deep sea which is attributed to an increase in crystallinity during transport as well as to a general decrease of iron mobilization. The product of iron reoxidation is Fe oxyhydroxide which made up less than 5% of total Fe. In addition to this fraction, a proportion of smectite bound iron was found to be redox reactive. This fraction made up to 10% of total Fe in sediments of the Argentine Basin and was quantitatively extracted by 1 N HCl. The redox reactive Fe(+II) fraction of smectite was almost completely reoxidized within 24 h under air atmosphere and may therefore considerably contribute to iron redox cycling if bioturbation occurs. In the case of the slope sediments we found concurrent iron and manganese release to pore water. It is not clear whether this is caused by dissimilatory iron and manganese reduction at the same depth or dissimilatory iron reduction alone inducing Mn(+IV) reduction by (abiotic) reaction with released Fe2+. The Argentine Basin sediment showed a significant manganese solid-phase enrichment above the denitrification depth despite the absence of a distinct pore-water gradient of Mn. This implies a recent termination of manganese mobilization and thus a non-steady-state situation with respect to sedimentation or to organic carbon burial rate.

Geochemical processes and rare earth element analysis in cold-seep pore waters of Hydrate Ridge, northeast Pacific Ocean

The concentrations of rare earth elements (REEs), sulphate, hydrogen sulphide, total alkalinity, calcium, magnesium and phosphate were measured in shallow (<12 cm below seafloor) pore waters from cold-seep sediments on the northern and southern summits of Hydrate Ridge, offshore Oregon. Downward-decreasing sulphate and coevally increasing sulphide concentrations reveal sulphate reductionas dominant early diagenetic process from ~2 cm depth downwards. A strong increase of total dissolved REE concentrations is evident immediately below the sediment-water interface, which can be related to early diagenetic release of REEs into pore water resulting from the remineralization of particulate organic matter. The highest pore water REE concentrations were measured close to the sediment-water interface at ~2 cm depth. Distinct shale normalized REE patterns point to particulate organic matter and iron oxides as main REE sources in the upper ~2-cm depth interval. In general, the pore waters have shalenormalized patterns reflecting heavy REE (HREE) enrichment, which suggests preferential complexation of HREEs with carbonate ions. Below ~2 cm depth, a downward decrease in REE correlates with a decrease in pore water calcium concentrations. At this depth, the anaerobic oxidation of methane (AOM) coupled to sulphate reduction increases carbonate alkalinity through the production of bicarbonate, which results in the precipitation of carbonate minerals. It seems therefore likely that the REEs and calcium are consumed during vast AOM-induced precipitation of carbonate in shallow Hydrate Ridge sediments. The analysis of pore waters from Hydrate Ridge shed new light on early diagenetic processes at cold seeps, corroborating the great potential of REEs to identify geochemical processes and to constrain environmental conditions.