Constraints on mantle melting from major and trace element systematics in residual abyssal peridotites

ZusammenfassungDie Bildung von mittelozeanischen Rückenbasalten (MORB) ist einer der wichtigsten Stoffflüsse der Erde. Jährlich wird entlang der 75.000 km langen mittelozeanischen Rücken mehr als 20 km3 neue magmatische Kruste gebildet, das sind etwa 90 Prozent der globalen Magmenproduktion. Obwohl ozeanische Rücken und MORB zu den am meisten untersuchten geologischen Themenbereichen gehören, existieren weiterhin einige Streit-fragen. Zu den wichtigsten zählt die Rolle von geodynamischen Rahmenbedingungen, wie etwa Divergenzrate oder die Nähe zu Hotspots oder Transformstörungen, sowie der absolute Aufschmelzgrad, oder die Tiefe, in der die Aufschmelzung unter den Rücken beginnt. Diese Dissertation widmet sich diesen Themen auf der Basis von Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen in Mineralen ozeanischer Mantelgesteine.Geochemische Charakteristika von MORB deuten darauf hin, dass der ozeanische Mantel im Stabilitätsfeld von Granatperidotit zu schmelzen beginnt. Neuere Experimente zeigen jedoch, dass die schweren Seltenerdelemente (SEE) kompatibel im Klinopyroxen (Cpx) sind. Aufgrund dieser granatähnlichen Eigenschaft von Cpx wird Granat nicht mehr zur Erklärung der MORB Daten benötigt, wodurch sich der Beginn der Aufschmelzung zu geringeren Drucken verschiebt. Aus diesem Grund ist es wichtig zu überprüfen, ob diese Hypothese mit Daten von abyssalen Peridotiten in Einklang zu bringen ist. Diese am Ozeanboden aufgeschlossenen Mantelfragmente stellen die Residuen des Aufschmelz-prozesses dar, und ihr Mineralchemismus enthält Information über die Bildungs-bedingungen der Magmen. Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen von Peridotit-proben des Zentralindischen Rückens (CIR) wurden mit Mikrosonde und Ionensonde bestimmt, und mit veröffentlichten Daten verglichen. Cpx der CIR Peridotite weisen niedrige Verhältnisse von mittleren zu schweren SEE und hohe absolute Konzentrationen der schweren SEE auf. Aufschmelzmodelle eines Spinellperidotits unter Anwendung von üblichen, inkompatiblen Verteilungskoeffizienten (Kd's) können die gemessenen Fraktionierungen von mittleren zu schweren SEE nicht reproduzieren. Die Anwendung der neuen Kd's, die kompatibles Verhalten der schweren SEE im Cpx vorhersagen, ergibt zwar bessere Resultate, kann jedoch nicht die am stärksten fraktionierten Proben erklären. Darüber hinaus werden sehr hohe Aufschmelzgrade benötigt, was nicht mit Hauptelementdaten in Einklang zu bringen ist. Niedrige (~3-5%) Aufschmelzgrade im Stabilitätsfeld von Granatperidotit, gefolgt von weiterer Aufschmelzung von Spinellperidotit kann jedoch die Beobachtungen weitgehend erklären. Aus diesem Grund muss Granat weiterhin als wichtige Phase bei der Genese von MORB betrachtet werden (Kapitel 1).Eine weitere Hürde zum quantitativen Verständnis von Aufschmelzprozessen unter mittelozeanischen Rücken ist die fehlende Korrelation zwischen Haupt- und Spuren-elementen in residuellen abyssalen Peridotiten. Das Cr/(Cr+Al) Verhältnis (Cr#) in Spinell wird im Allgemeinen als guter qualitativer Indikator für den Aufschmelzgrad betrachtet. Die Mineralchemie der CIR Peridotite und publizierte Daten von anderen abyssalen Peridotiten zeigen, dass die schweren SEE sehr gut (r2 ~ 0.9) mit Cr# der koexistierenden Spinelle korreliert. Die Auswertung dieser Korrelation ergibt einen quantitativen Aufschmelz-indikator für Residuen, welcher auf dem Spinellchemismus basiert. Damit kann der Schmelzgrad als Funktion von Cr# in Spinell ausgedrückt werden: F = 0.10×ln(Cr#) + 0.24 (Hellebrand et al., Nature, in review; Kapitel 2). Die Anwendung dieses Indikators auf Mantelproben, für die keine Ionensondendaten verfügbar sind, ermöglicht es, geochemische und geophysikalischen Daten zu verbinden. Aus geodynamischer Perspektive ist der Gakkel Rücken im Arktischen Ozean von großer Bedeutung für das Verständnis von Aufschmelzprozessen, da er weltweit die niedrigste Divergenzrate aufweist und große Transformstörungen fehlen. Publizierte Basaltdaten deuten auf einen extrem niedrigen Aufschmelzgrad hin, was mit globalen Korrelationen im Einklang steht. Stark alterierte Mantelperidotite einer Lokalität entlang des kaum beprobten Gakkel Rückens wurden deshalb auf Primärminerale untersucht. Nur in einer Probe sind oxidierte Spinellpseudomorphosen mit Spuren primärer Spinelle erhalten geblieben. Ihre Cr# ist signifikant höher als die einiger Peridotite von schneller divergierenden Rücken und ihr Schmelzgrad ist damit höher als aufgrund der Basaltzusammensetzungen vermutet. Der unter Anwendung des oben erwähnten Indikators ermittelte Schmelzgrad ermöglicht die Berechnung der Krustenmächtigkeit am Gakkel Rücken. Diese ist wesentlich größer als die aus Schweredaten ermittelte Mächtigkeit, oder die aus der globalen Korrelation zwischen Divergenzrate und mittels Seismik erhaltene Krustendicke. Dieses unerwartete Ergebnis kann möglicherweise auf kompositionelle Heterogenitäten bei niedrigen Schmelzgraden, oder auf eine insgesamt größere Verarmung des Mantels unter dem Gakkel Rücken zurückgeführt werden (Hellebrand et al., Chem.Geol., in review; Kapitel 3).Zusätzliche Informationen zur Modellierung und Analytik sind im Anhang A-C aufgeführt

Changes in the microbial community based on seawater pH variations

Ocean acidification is an effect of the rise in atmospheric CO2, which causes a reduction in the pH of the ocean and generates a number of changes in seawater chemistry and consequently potentially impacts seawater life. The effect of ocean acidification on metabolic processes (such as net community production and community respiration and on particulate organic carbon (POC) concentrations was investigated in summer 2012 at Cap de la Revellata in Corsica (Calvi, France). Coastal surface water was enclosed in 9 mesocosms and subjected to 6 pCO2 levels (3 replicated controls and 6 perturbations) for approximately one month. No trend was found in response to increasing pCO2 in any of the biological and particulate analyses. Community respiration was relatively stable throughout the experiment in all mesocosms, and net community production was most of the time close to zero. Similarly, POC concentrations were not affected by acidification during the whole experimental period. Such as the global ocean, the Mediterranean Sea has an oligotrophic nature. Based on present results, it seems likely that seawater acidification will not have significant effects on photosynthetic rates, microbial metabolism and carbon transport.

Variation of stable silicon isotopes: Analytical developments and applications in Precambrian geochemistry

Die vorliegende Dissertation behandelt die Gesamtgesteinsanalyse stabiler Siliziumisotope mit Hilfe einer „Multi Collector-ICP-MS“. Die Analysen fanden in Kooperation mit dem „Royal Museum for Central Africa“ in Belgien statt. Einer der Schwerpunkte des ersten Kapitels ist die erstmalige Analyse des δ30Si –Wertes an einem konventionellen Nu PlasmaTM „Multi-Collector ICP-MS“ Instrument, durch die Eliminierung der den 30Si “peak” überlagernden 14N16O Interferenz. Die Analyse von δ30Si wurde durch technische Modifikationen der Anlage erreicht, welche eine höherer Massenauflösung ermöglichten. Die sorgsame Charakterisierung eines adäquaten Referenzmaterials ist unabdingbar für die Abschätzung der Genauigkeit einer Messung. Die Bestimmung der „U.S. Geological Survey“ Referenzmaterialien bildet den zweiten Schwerpunkt dieses Kapitales. Die Analyse zweier hawaiianischer Standards (BHVO-1 and BHVO-2), belegt die präzise und genaue δ30Si Bestimmung und bietet Vergleichsdaten als Qualitätskontrolle für andere Labore. Das zweite Kapitel befasst sich mit kombinierter Silizium-/Sauerstoffisotope zur Untersuchung der Entstehung der Silizifizierung vulkanischer Gesteine des „Barberton Greenstone Belt“, Südafrika. Im Gegensatz zu heute, war die Silizifizierung der Oberflächennahen Schichten, einschließlich der „Chert“ Bildung, weitverbreitete Prozesse am präkambrischen Ozeanboden. Diese Horizonte sind Zeugen einer extremen Siliziummobilisierung in der Frühzeit der Erde. Dieses Kapitel behandelt die Analyse von Silizium- und Sauerstoffisotopen an drei unterschiedlichen Gesteinsprofilen mit unterschiedlich stark silizifizierten Basalten und überlagernden geschichteten „Cherts“ der 3.54, 3.45 und 3.33 Mill. Jr. alten Theespruit, Kromberg und Hooggenoeg Formationen. Siliziumisotope, Sauerstoffisotope und die SiO2-Gehalte demonstrieren in allen drei Gesteinsprofilen eine positive Korrelation mit dem Silizifizierungsgrad, jedoch mit unterschiedlichen Steigungen der δ30Si-δ18O-Verhältnisse. Meerwasser wird als Quelle des Siliziums für den Silizifizierungsprozess betrachtet. Berechnungen haben gezeigt, dass eine klassische Wasser-Gestein Wechselwirkung die Siliziumisotopenvariation nicht beeinflussen kann, da die Konzentration von Si im Meerwasser zu gering ist (49 ppm). Die Daten stimmen mit einer Zwei-Endglieder-Komponentenmischung überein, mit Basalt und „Chert“ als jeweilige Endglieder. Unsere gegenwärtigen Daten an den „Cherts“ bestätigen einen Anstieg der Isotopenzusammensetzung über der Zeit. Mögliche Faktoren, die für unterschiedliche Steigungen der δ30Si-δ18O Verhältnisse verantwortlich sein könnten sind Veränderungen in der Meerwasserisotopie, der Wassertemperatur oder sekundäre Alterationseffekte. Das letzte Kapitel beinhaltet potentielle Variationen in der Quellregion archaischer Granitoide: die Si-Isotopen Perspektive. Natriumhaltige Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit (TTG) Intrusiva repräsentieren große Anteile der archaischen Kruste. Im Gegensatz dazu ist die heutige Kruste kaliumhaltiger (GMS-Gruppe: Granit-Monzonite-Syenite). Prozesse, die zu dem Wechsel von natriumhaltiger zu kaliumhaltiger Kruste führten sind die Thematik diesen Kapitels. Siliziumisotopenmessungen wurden hier kombiniert mit Haupt- und Spurenelementanalysen an unterschiedlichen Generationen der 3.55 bis 3.10 Mill. Yr. alten TTG und GMS Intrusiva aus dem Arbeitsgebiet. Die δ30Si-Werte in den unterschiedlichen Plutonit Generationen zeigen einen leichten Anstieg der Isotopie mit der Zeit, wobei natriumhaltige Intrusiva die niedrigste Si-Isotopenzusammensetzung aufweisen. Der leichte Anstieg in der Siliziumisotopenzusammensetzung über die Zeit könnte auf unterschiedliche Temperaturbedingungen in der Quellregion der Granitoide hinweisen. Die Entstehung von Na-reichen, leichten d30Si Granitoiden würde demnach bei höheren Temperaturen erfolgen. Die Ähnlichkeit der δ30Si-Werte in archaischen K-reichen Plutoniten und phanerozoischen K-reichen Plutoniten wird ebenfalls deutlich.

Copper and zinc stable isotope ratios as tracers of biogeochemical processes, sources and transport of Cu and Zn in soils

Copper and Zn are essential micronutrients for plants, animals, and humans; however, they may also be pollutants if they occur at high concentrations in soil. Therefore, knowledge of Cu and Zn cycling in soils is required both for guaranteeing proper nutrition and to control possible risks arising from pollution.rnThe overall objective of my study was to test if Cu and Zn stable isotope ratios can be used to investigate into the biogeochemistry, source and transport of these metals in soils. The use of stable isotope ratios might be especially suitable to trace long-term processes occurring during soil genesis and transport of pollutants through the soil. In detail, I aimed to answer the questions, whether (1) Cu stable isotopes are fractionated during complexation with humic acid, (2) 65Cu values can be a tracer for soil genetic processes in redoximorphic soils (3) 65Cu values can help to understand soil genetic processes under oxic weathering conditions, and (4) 65Cu and 66Zn values can act as tracers of sources and transport of Cu and Zn in polluted soils.rnTo answer these questions, I ran adsorption experiments at different pH values in the laboratory and modelled Cu adsorption to humic acid. Furthermore, eight soils were sampled representing different redox and weathering regimes of which two were influenced by stagnic water, two by groundwater, two by oxic weathering (Cambisols), and two by podzolation. In all horizons of these soils, I determined selected basic soil properties, partitioned Cu into seven operationally defined fractions and determined Cu concentrations and Cu isotope ratios (65Cu values). Finally, three additional soils were sampled along a deposition gradient at different distances to a Cu smelter in Slovakia and analyzed together with bedrock and waste material from the smelter for selected basic soil properties, Cu and Zn concentrations and 65Cu and 66Zn values.rnMy results demonstrated that (1) Copper was fractionated during adsorption on humic acid resulting in an isotope fractionation between the immobilized humic acid and the solution (65CuIHA-solution) of 0.26 ± 0.11‰ (2SD) and that the extent of fractionation was independent of pH and involved functional groups of the humic acid. (2) Soil genesis and plant cycling causes measurable Cu isotope fractionation in hydromorphic soils. The results suggested that an increasing number of redox cycles depleted 63Cu with increasing depth resulting in heavier 65Cu values. (3) Organic horizons usually had isotopically lighter Cu than mineral soils presumably because of the preferred uptake and recycling of 63Cu by plants. (4) In a strongly developed Podzol, eluviation zones had lighter and illuviation zones heavier 65Cu values because of the higher stability of organo-65Cu complexes compared to organo-63Cu complexes. In the Cambisols and a little developed Podzol, oxic weathering caused increasingly lighter 65Cu values with increasing depth, resulting in the opposite depth trend as in redoximorphic soils, because of the preferential vertical transport of 63Cu. (5) The 66Zn values were fractionated during the smelting process and isotopically light Zn was emitted allowing source identification of Zn pollution while 65Cu values were unaffected by the smelting and Cu emissions isotopically indistinguishable from soil. The 65Cu values in polluted soils became lighter down to a depth of 0.4 m indicating isotope fractionation during transport and a transport depth of 0.4 m in 60 years. 66Zn values had an opposite depth trend becoming heavier with depth because of fractionation by plant cycling, speciation changes, and mixing of native and smelter-derived Zn. rnCopper showed measurable isotope fractionation of approximately 1‰ in unpolluted soils, allowing to draw conclusions on plant cycling, transport, and redox processes occurring during soil genesis and 65Cu and 66Zn values in contaminated soils allow for conclusions on sources (in my study only possible for Zn), biogeochemical behavior, and depth of dislocation of Cu and Zn pollution in soil. I conclude that stable Cu and Zn isotope ratios are a suitable novel tool to trace long-term processes in soils which are difficult to assess otherwise.rn

Entwicklung und Anwendung massenspektrometrischer Methoden zur Spurenanalytik iodhaltiger Verbindungen und aliphatischer Amine in der marinen Umwelt

In der marinen Grenzschicht beeinflussen reaktive Iodspezies wie z.B. I2 sowie aliphatische Amine eine Vielzahl atmosphärischer Prozesse, vor allem bei der Partikelneubildung spielen sie eine entscheidende Rolle. Allerdings stellt die Quantifizierung dieser Verbindungen im Spurenbereich immer noch eine große analytische Herausforderung dar. rnAus diesem Grund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit das GTRAP-AMS (Gaseous compound trapping in artificially generated particles – aerosol mass spectrometry) entwickelt, um gasförmiges I2 und aliphatische Amine zu bestimmen. Hierbei wird ein Flugzeit-Aerosolmassenspektrometer (ToF-AMS), das ursprünglich für die on-line Charakterisierung von Aerosolen entwickelt wurde, mit einer GTRAP-Einheit gekoppelt. Im Fall von I2 werden mit Hilfe eines pneumatischen Zerstäubers a-Cyclodextrin/NH4Br-Partikel erzeugt, die mit dem gasförmigen I2 innerhalb der GTRAP-Einheit eine Einschlussverbindung bilden und dieses dadurch selektiv in die Partikelphase aufnehmen. Für die on-line Bestimmung gasförmiger aliphatischer Amine dagegen wurde Phosphorsäure als partikulärer Reaktionspartner eingesetzt. Nach Optimierung des GTRAP-AMS Systems wurde sowohl für I2 als auch für die aliphatischen Amine eine Nachweisgrenze im sub-ppb-Bereich für eine Zeitauflösung zwischen 1 und 30 min erhalten. Als erstes wurde das GTRAP-AMS System zur Charakterisierung von Permanentdenudern eingesetzt, um deren I2-Aufnahmefähigkeit und Wiederverwendbarkeit im Vergleich zu den herkömmlichen einmal verwendbaren a-Cyclodextrin Denudern zu testen.rnIm Anschluss daran wurde das GTRAP-AMS für die Bestimmung zeitlich aufgelöster I2- Emissionsraten ausgewählter Makroalgen unter dem Einfluss von Ozon eingesetzt. Die Kenntnis der Emissionsraten iodhaltiger Verbindungen der wichtigsten weltweit vorkommenden Makroalgen ist für die Modellierung der Iodchemie in der marinen Grenzschicht von besonderer Bedeutung. Die Resultate zeigen, dass verschiedene Makroalgen sowohl unterschiedliche zeitlich aufgelöste I2-Emissionsprofile als auch Gesamtemissionsraten liefern. Im Vergleich zu den iodorganischen Verbindungen ist die Gesamtemissionsrate an I2 allerdings eine bis zwei Größenordnungen größer. Dies und die deutlich kürzere atmosphärische Lebensdauer von I2 im Vergleich zu den iodorganischen Verbindungen führen dazu, dass I2 die dominierende iodhaltige Verbindung für die Bildung reaktiver Iodatome in der marinen Grenzschicht ist. rnDa über dem tropischen Atlantischen Ozean bislang jedoch nur ein geringer Anteil der IO-Konzentration durch die Oxidation von iodorganischen Verbindungen erklärt werden kann, wurden weitere Quellen für I2 erforscht. Deshalb wurden Kammerexperimente mit Mikrolagen durchgeführt, um deren Einfluss auf die I2-Freisetzung in die Atmosphäre zu untersuchen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Anwesenheit von Mikroalgen (z.B. Coscinodiscus Wailesii) im Meerwasser zu einer erhöhten Freisetzung von I2 aus dem Meerwasser in die Atmosphäre führen kann. rnDes Weiteren wurden auch Versuche zu abiotischen Bildungswegen von I2 durchgeführt. Die Ergebnisse der Atmosphärensimulationsexperimente haben gezeigt, dass partikuläre Iodoxide durch organische Verbindungen zu I2 reduziert werden können, welches im Anschluss von der Partikelphase in die Gasphase übergehen kann und dort wieder für Gasphasenprozesse zur Verfügung steht.rn

Entwicklung und Charakterisierung eines Drop-on-Demand-Aerosolgenerators für die Probenzuführung kleinster Flüssigkeitsmengen in der analytischen Atomspektroskopie

Die pneumatische Zerstäubung ist die häufigste Methode der Probenzuführung von Flüssigkeiten in der Plasmaspektrometrie. Trotz der bekannten Limitierungen dieser Systeme, wie die hohen Probenverluste, finden diese Zerstäuber aufgrund ihrer guten Robustheit eine breite Anwendung. Die flussratenabhängige Aerosolcharakteristik und pumpenbasierte Signalschwankungen limitieren bisher Weiterentwicklungen. Diese Probleme werden umso gravierender, je weiter die notwendige Miniaturisierung dieser Systeme fortschreitet. Der neuartige Ansatz dieser Arbeit basiert auf dem Einsatz modifizierter Inkjet-Druckerpatronen für die Dosierung von pL-Tropfen. Ein selbst entwickelter Mikrokontroller ermöglicht den Betrieb von matrixkodierten Patronen des Typs HP45 mit vollem Zugriff auf alle essentiellen Betriebsparameter. Durch die neuartige Aerosoltransportkammer gelang die effiziente Kopplung des Tropfenerzeugungssystems an ein ICP-MS. Das so aufgebaute drop-on-demand-System (DOD) zeigt im Vergleich zu herkömmlichen und miniaturisierten Zerstäubern eine deutlich gesteigerte Empfindlichkeit (8 - 18x, elementabhängig) bei leicht erhöhtem, aber im Grunde vergleichbarem Signalrauschen. Darüber hinaus ist die Flexibilität durch die große Zahl an Freiheitsgraden des Systems überragend. So ist die Flussrate über einen großen Bereich variabel (5 nL - 12,5 µL min-1), ohne dabei die primäre Aerosolcharakteristik zu beeinflussen, welche vom Nutzer durch Wahl der elektrischen Parameter bestimmt wird. Das entwickelte Probenzuführungssystem ist verglichen mit dem pneumatischen Referenzsystem weniger anfällig gegenüber Matrixeffekten beim Einsatz von realen Proben mit hohen Anteilen gelöster Substanzen. So gelingt die richtige Quantifizierung von fünf Metallen im Spurenkonzentrationsbereich (Li, Sr, Mo, Sb und Cs) in nur 12 µL Urin-Referenzmaterial mittels externer Kalibrierung ohne Matrixanpassung. Wohingegen beim pneumatischen Referenzsystem die aufwändigere Standardadditionsmethode sowie über 250 µL Probenvolumen für eine akkurate Bestimmung der Analyten nötig sind. Darüber hinaus wird basierend auf der Dosierfrequenz eines dualen DOD-Systems eine neuartige Kalibrierstrategie vorgestellt. Bei diesem Ansatz werden nur eine Standard- und eine Blindlösung anstelle einer Reihe unterschiedlich konzentrierter Standards benötigt, um eine lineare Kalibrierfunktion zu erzeugen. Zusätzlich wurde mittels selbst entwickelter, zeitlich aufgelöster ICP-MS umfangreiche Rauschspektren aufgenommen. Aus diesen gelang die Ermittlung der Ursache des erhöhten Signalrauschens des DOD, welches maßgeblich durch das zeitlich nicht äquidistante Eintreffen der Tropfen am Detektor verursacht wird. Diese Messtechnik erlaubt auch die Detektion einzeln zugeführter Tropfen, wodurch ein Vergleich der Volumenverteilung der mittels ICP-MS detektierten, gegenüber den generierten und auf optischem Wege charakterisierten Tropfen möglich wurde. Dieses Werkzeug ist für diagnostische Untersuchungen äußerst hilfreich. So konnte aus diesen Studien neben der Aufklärung von Aerosoltransportprozessen die Transporteffizienz des DOD ermittelt werden, welche bis zu 94 Vol.-% beträgt.

The Electrical Resistance of Metals and Alloys in Their Hard and Soft States

It is known that the electrical resistance of annealed metals is usually smaller than that of metals in their cold worked state. The curve showing the relation between electrical resistance and annealing temperature reaches a minimum; continued annealing at higher temperature produces an increase in the electrical resistance. In the case of alloys it has been noted that a second decrease occurs at higher annealing temperature. The following work corroborates the observance of previous investigations. The electrical resistance of cold worked copper, gold, nickel, and iron decreased with annealing and then increased, the minimum being around 300° C. or 400° C. Monel metal showed a minimum resistance followed by an increase which in turn was followed by a second decrease.

Geochemistry and Stable Isotopes of Surface Water and Groundwater in the Continental Pit in Butte, Montana, USA

The Continental porphyry Cu‐Mo mine, located 2 km east of the famous Berkeley Pit lake of Butte, Montana, contains two small lakes that vary in size depending on mining activity. In contrast to the acidic Berkeley Pit lake, the Continental Pit waters have near-neutral pH and relatively low metal concentrations. The main reason is geological: whereas the Berkeley Pit mined highly‐altered granite rich in pyrite with no neutralizing potential, the Continental Pit is mining weakly‐altered granite with lower pyrite concentrations and up to 1‐2% hydrothermal calcite. The purpose of this study was to gather and interpret information that bears on the chemistry of surface water and groundwater in the active Continental Pit. Pre‐existing chemistry data from sampling of the Continental Pit were compiled from the Montana Bureau of Mines and Geology and Montana Department of Environmental Quality records. In addition, in March of 2013, new water samples were collected from the mine’s main dewatering well, the Sarsfield well, and a nearby acidic seep (Pavilion Seep) and analyzed for trace metals and several stable isotopes, including dD and d18O of water, d13C of dissolved inorganic carbon, and d34S of dissolved sulfate. In December 2013, several soil samples were collected from the shore of the frozen pit lake and surrounding area. The soil samples were analyzed using X‐ray diffraction to determine mineral content. Based on Visual Minteq modeling, water in the Continental Pit lake is near equilibrium with a number of carbonate, sulfate, and molybdate minerals, including calcite, dolomite, rhodochrosite (MnCO3), brochantite (CuSO4·3Cu(OH)2), malachite (Cu2CO3(OH)2), hydrozincite (Zn5(CO3)2(OH)6), gypsum, and powellite (CaMoO4). The fact that these minerals are close to equilibrium suggests that they are present on the weathered mine walls and/or in the sediment of the surface water ponds. X‐Ray Diffraction (XRD) analysis of the pond “beach” sample failed to show any discrete metal‐bearing phases. One of the soil samples collected higher in the mine, near an area of active weathering of chalcocite‐rich ore, contained over 50% chalcanthite (CuSO4·5H2O). This water‐soluble copper salt is easily dissolved in water, and is probably a major source of copper to the pond and underlying groundwater system. However, concentrations of copper in the latter are probably controlled by other, less‐soluble minerals, such as brochantite or malachite. Although the acidity of the Pavilion Seep is high (~ 11 meq/L), the flow is much less than the Sarsfield Well at the current time. Thus, the pH, major and minor element chemistry in the Continental Pit lakes are buffered by calcite and other carbonate minerals. For the Continental Pit waters to become acidic, the influx of acidic seepage (e.g., Pavilion Seep) would need to increase substantially over its present volume.

Combining sedimentological, trace metal (Mn, Mo) and molecular evidence for reconstructing past water-column redox conditions: The example of meromictic Lake Cadagno (Swiss Alps)

Here, we present sedimentological, trace metal, and molecular evidence for tracking bottom water redox-state conditions during the past 12,500 years in nowadays sulfidic and meromictic Lake Cadagno (Switzerland). A 10.5 m long sediment core from the lake covering the Holocene period was investigated for concentration variations of the trace metals Mn and Mo (XRF core scanning and ICP-MS measurements), and for the presence of anoxygenic phototrophic sulfur bacteria (carotenoid pigment analysis and 16S rDNA real time PCR). Our trace metal analysis documents an oxic-intermediate-sulfidic redox-transition period beginning shortly after the lake formation similar to 12.5 kyr ago. The oxic period is characterized by low sedimentary Mn and Mo concentrations, as well as by the absence of any remnants of anoxygenic phototrophic sulfur bacteria. Enhanced accumulation/preservation of Mn (up to 5.6 wt%) in the sediments indicates an intermediate, Mn-enriched oxygenation state with fluctuating redox conditions during a similar to 2300-year long transition interval between similar to 12.1 and 9.8 kyr BP. We propose that the high Mn concentrations are the result of enhanced Mn2+ leaching from the sediments during reducing conditions and subsequent rapid precipitation of Mn-(oxyhydr) oxide minerals during episodic and short-term water-column mixing events mainly due to flood-induced underflows. At 9800 +/- 130 cal yr BP, a rapid transition to fully sulfidic conditions is indicated by the marked enrichment of Mo in the sediments (up to 490 ppm), accompanied by an abrupt drop in Mn concentrations and the increase of molecular biomarkers that indicate the presence of anoxygenic photosynthetic bacteria in the water column. Persistently high Mo concentrations >80 ppm provide evidence that sulfidic conditions prevailed thereafter until modern times, without any lasting hypolimnetic ventilation and reoxygenation. Hence, Lake Cadagno with its persistently stable chemocline offers a framework to study in great temporal detail over similar to 12 kyr the development of phototrophic sulfur bacteria communities and redox processes in a sulfidic environment, possibly depicting analogous conditions in an ancient ocean. Our study underscores the value of combining sedimentological, geochemical, and microbiological approaches to characterize paleo-environmental and -redox conditions in lacustrine and marine settings.

Stable-Isotope and Trace Element Time Series from Fedchenko Glacier (Pamirs) Snow/Firn Cores

In summer 2005, two pilot snow/firn cores were obtained at 5365 and 5206 m a.s.l. on Fedchenko glacier, Pamirs, Tajikistan, the world's longest and deepest alpine glacier. The well-defined seasonal layering appearing in stable-isotope and trace element distribution identified the physical links controlling the climate and aerosol concentration signals. Air temperature and humidity/precipitation were the primary determinants of stable-isotope ratios. Most precipitation over the Pamirs originated in the Atlantic. In summer, water vapor was re-evaporated from semi-arid regions in central Eurasia. The semi-arid regions contribute to non-soluble aerosol loading in snow accumulated on Fedchenko glacier. In the Pamir core, concentrations of rare earth elements, major and other elements were less than those in the Tien Shan but greater than those in Antarctica, Greenland, the Alps and the Altai. The content of heavy metals in the Fedchenko cores is 2-14 times lower than in the Altai glaciers. Loess from Afghan-Tajik deposits is the predominant lithogenic material transported to the Pamirs. Trace elements generally showed that aerosol concentration tended to increase on the windward slopes during dust storms but tended to decrease with altitude under clear conditions. The trace element profile documented one of the most severe droughts in the 20th century.

What Limits Bacterial Production in the Suboxic Region of Permanently Ice-Covered Lake Bonney, Antarctica?

Bacterial production assays (thymidine incorporation rates) were used to evaluate the activity of heterotrophic bacteria at the chemocline region in both the East (ELB) and West (WLB) Lobes of permanently ice-covered Lake Bonney, in the Taylor Valley of Antarctica. The magnitude of activity varied dramatically within the depth interval of 1 to 2 m from moderate to very low levels below the chemocline, especially in the East Lobe, where chemical distributions indicate the absence of a normally functioning nitrogen cycle. Several parameters (e.g. addition of nutrients or chelators, dilution) were manipulated in incubation experiments in order to identify factors that would enhance activity in the suboxic deep waters of the East Lobe. Activity, in terms of thymidine incorporation, was consistently detected in the deep-water communities, implying that, although the water may be 'toxic', the cells remain viable. None of the treatments resulted in consistent enhancement of thymidine incorporation rates in samples from below the chemocline. Bacterial populations above the chemocline appear to be phosphorus-limited. The nature of the limitation, toxicity or inhibition that limits bacterial activity in the suboxic waters has not been identified.

Denitrification in the Hypolimnion of Permanently Ice-Covered Lake Bonney, Antarctica

The distribution of denitrification was investigated in the hypolimnion of the east and west lobes of permanently ice-covered Lake Bonney, Taylor Valley, Antarctica. Anomalously high concentrations of dissolved inorganic nitrogen (DIN; nitrate, nitrite, ammonium and nitrous oxide) in the oxygen-depleted hypolimnion of the east lobe of the Lake implied that denitrification is or was active in the west, but not in the east lobe. While previous investigations reported no detectable denitrification in the east lobe, we measured active denitrification in samples from both the east and west lobes. In the west lobe, measured denitrification rates exhibited a maximum at the depth of the chemocline and denitrification was not detectable in either the oxic surface waters or in the deep water where nitrate was absent. In the east lobe, denitrification was detected below the chemocline, at the depths where ammonium, nitrate, nitrite and nitrous oxide are all present at anomalously high levels, Trace metal availability was manipulated in incubation experiments in order to determine whether trace metal toxicity in the east lobe could explain the difference in nitrogen cycling between the 2 lobes. There were no consistent stimulatory effects of metal chelators or nutrient addition on the rate of denitrification in either lobe, so that the mechanisms underlying the unusual N cycle of the east lobe remain unknown. We conclude that all the ingredients necessary to allow denitrification to occur are present in the east lobe. However, even though denitrification could be detected under certain conditions in incubations, denitrification is inhibited under the in situ conditions of the lake.

Morphological ripening of fluid inclusions and coupled zone-refining in quartz crystals revealed by cathodoluminescence imaging: Implications for CL-petrography, fluid inclusion analysis and trace-element geothermometry

Cathodoluminescence (CL) studies have previously shown that some secondary fluid inclusions in luminescent quartz are surrounded by dark, non-luminescent patches, resulting from fracture-sealing by late, trace-element-poor quartz. This finding has led to the tacit generalization that all dark CL patches indicate influx of low temperature, late-stage fluids. In this study we have examined natural and synthetic hydrothermal quartz crystals using CL imaging supplemented by in-situ elemental analysis. The results lead us to propose that all natural, liquid-water-bearing inclusions in quartz, whether trapped on former crystal growth surfaces (i.e., of primary origin) or in healed fractures (i.e., of pseudosecondary or secondary origin), are surrounded by three-dimensional, non-luminescent patches. Cross-cutting relations show that the patches form after entrapment of the fluid inclusions and therefore they are not diagnostic of the timing of fluid entrapment. Instead, the dark patches reveal the mechanism by which fluid inclusions spontaneously approach morphological equilibrium and purify their host quartz over geological time. Fluid inclusions that contain solvent water perpetually dissolve and reprecipitate their walls, gradually adopting low-energy euhedral and equant shapes. Defects in the host quartz constitute solubility gradients that drive physical migration of the inclusions over distances of tens of μm (commonly) up to several mm (rarely). Inclusions thus sequester from their walls any trace elements (e.g., Li, Al, Na, Ti) present in excess of equilibrium concentrations, thereby chemically purifying their host crystals in a process analogous to industrial zone refining. Non-luminescent patches of quartz are left in their wake. Fluid inclusions that contain no liquid water as solvent (e.g., inclusions of low-density H2O vapor or other non-aqueous volatiles) do not undergo this process and therefore do not migrate, do not modify their shapes with time, and are not associated with dark-CL zone-refined patches. This new understanding has implications for the interpretation of solids within fluid inclusions (e.g., Ti- and Al-minerals) and for the elemental analysis of hydrothermal and metamorphic quartz and its fluid inclusions by microbeam methods such as LA-ICPMS and SIMS. As Ti is a common trace element in quartz, its sequestration by fluid inclusions and its depletion in zone-refined patches impacts on applications of the Ti-in-quartz geothermometer.

Sediment and pore water geochemistry of sediment cores, Potter Cove, King George Island

Redox-sensitive trace metals (Mn, Fe, U, Mo, Re), nutrients and terminal metabolic products (NO3-, NH4+, PO43-, total alkalinity) were for the first time investigated in pore waters of Antarctic coastal sediments. The results of this study reveal a high spatial variability in redox conditions in surface sediments from Potter Cove, King George Island, western Antarctic Peninsula. Particularly in the shallower areas of the bay the significant correlation between sulphate depletion and total alkalinity, the inorganic product of terminal metabolism, indicates sulphate reduction to be the major pathway of organic matter mineralisation. In contrast, dissimilatory metal oxide reduction seems to be prevailing in the newly ice-free areas and the deeper troughs, where concentrations of dissolved iron of up to 700 µM were found. We suggest that the increased accumulation of fine-grained material with high amounts of reducible metal oxides in combination with the reduced availability of metabolisable organic matter and enhanced physical and biological disturbance by bottom water currents, ice scouring and burrowing organisms favours metal oxide reduction over sulphate reduction in these areas. Based on modelled iron fluxes we calculate the contribution of the Antarctic shelf to the pool of potentially bioavailable iron (Feb) to be 6.9x10**3 to 790x10**3 t/yr. Consequently, these shelf sediments would provide an Feb flux of 0.35-39.5/mg/m**2/yr (median: 3.8 mg/m**2/yr) to the Southern Ocean. This contribution is in the same order of magnitude as the flux provided by icebergs and significantly higher than the input by aeolian dust. For this reason suboxic shelf sediments form a key source of iron for the high nutrient-low chlorophyll (HNLC) areas of the Southern Ocean. This source may become even more important in the future due to rising temperatures at the WAP accompanied by enhanced glacier retreat and the accumulation of melt water derived iron-rich material on the shelf.