Paleoclimate reconstruction using LA-ICP-MS analyses of ostracods and stalagmite

Als paläoklimatische Archive können unter anderem Stalagmiten und Klappen von Ostrakoden herangezogen werden. Bisher gab es noch keine veröffentlichten Ergebnisse räumlich hochaufgelöster Spurenelementverteilungen in einzelnen Ostrakodenklappen. Das gleiche gilt für die Bestimmung radiogener Blei-Isotope in Stalagmiten. Um klimatische Prozesse vergangener Zeiten zu untersuchen, wurde eine neue LA-ICP-MS (Laserablations – Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma) Technik für hochaufgelöste in-situ Messungen von Spurenelementen und Bleiisotopen entwickelt. rnrnZunächst wurden geeignete Materialien für die Kalibrierung der Technik untersucht; als Proben dienten die Silikatreferenzgläser BAM-S005-A und BAM-S005B der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM). Die Homogenität dieser Referenzgläser wurde mit LA-ICP-MS und den anderen mikroanalytischen Methoden EPMA (Elektronenmikrosonde) und SIMS (Ionensonde) überprüft. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Haupt- und die meisten Spurenelemente in beiden Gläsern selbst im Mikrometerbereich homogen verteilt sind. Ausnahmen sind einige Spurenelemente, wie Cs, Cl, Cr, Mo und Ni, die heterogen in den Gläsern verteilt sind. Die Hauptelementzusammensetzung von BAM-S005-A und BAM-S005-B wurde mit Hilfe der EPMA bestimmt, wobei die Ergebnisse die Referenzwerte des BAM-Zertifikats bestätigten. Mit Ausnahme von Sr, Ba, Ce und Pb, stimmten die LA-ICP-MS-Spurenelementwerte mit den zertifizierten Werten innerhalb der angegebenen Fehlergrenzen überein. Gründe für die Diskrepanz der vier oben erwähnten Elemente sind noch unklar, aber sind möglicherweise durch fehlerhafte Referenzwerte zu erklären. Zusätzlich wurden 22 Spurenelemente gemessen, deren Gehalte von BAM nicht zertifiziert wurden. Aufgrund dieser Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass beide BAM-Gläser für mikroanalytische Anwendungen geeignet sind.rnrnUm neuartige paläoklimatische Proxies im Calcit von Ostrakoden aus tibetanischen Seesedimenten zu untersuchen, wurde die Spurenelementvariabilität in einzelnen Ostrakodenklappen durch eine neue LA-ICP-MS-Technik bestimmt. Klappen von Ostrakoden der drei Arten (Leucocytherella sinensis Huang, 1982, ?Leucocythere dorsotuberosa Huang, 1982 und ?L. dorsotuberosa f. postilirata sensu Pang, 1985) wurden aus zwei Sedimentkernen des Nam Co Sees auf dem Hochplateau von Tibet gewonnen. Zwei LA-ICP-MS-Varianten, Spot- bzw. Linienanalyse, wurden verwendet, um die Elementkonzentrationen der Spurenelemente Mg, Sr, Ba, U und die der Seltenen Erdelemente (SEE) in den Klappen einzelner Ostrakoden zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Linienanalyse präzisere Daten als die Spotanalyse liefert und sie wurde daher vorgezogen. Signifikante Unterschiede in der Spurenelementzusammensetzung zwischen den verschiedenen Arten der Ostrakoden wurden nicht gefunden. Variationen der Elementverhältnisse Mg/Ca und Sr/Ca in den Klappen stimmen mit veröffentlichten Seenspiegelschwankungen während des Holozäns überein, was zeigt, dass Mg- und Sr-Messungen in den Ostrakoden zur Untersuchung paläohydrochemischer Prozesse in diesem Gebiet herangezogen werden kann. Die gute Korrelation, die in dieser Arbeit zwischen Ba/Ca und Sr/Ca gefunden wurde, ist ein Hinweis darauf, dass der Einbau von Ba und Sr in die Klappen durch den gleichen Mechanismus erfolgte. Eine mögliche Beziehung zwischen dem U/Ca-Verhältnis in den Ostrakoden und den Redoxbedingungen auf dem Boden des Sees in der Vergangenheit wird diskutiert. Relativ geringe und konstante La/Ca-Verhältnisse wurden festgestellt, deren Ursache möglicherweise entweder auf der SEE-Charakteristik des Seewassers, auf biologischen Prozessen in den Ostrakoden oder auf Kontamination von Fe-Mn und/oder organischen Substanzen beruhen. Weitere Untersuchungen an Proben aus diesem Gebiet, speziell Klappen von lebenden Ostrakoden, sind notwendig, um den Gehalt von Ba, U und den SEE in Ostrakoden als paläoklimatische Proxies von Umweltbedingungen zu verwenden.

Entwicklung und Validierung einer massenspektrometrischen Isotopenverdünnungsanalyse zur direkten Multielementbestimmung in pulverförmigen Proben mittels LA-ICP-MS

In dieser Arbeit wurde erstmalig eine massenspektrometrische Isotopenverdünnungsanalyse (MSIVA) als Quantifizierungsmethode für die Multielementbestimmung in pulverförmigen Proben mittels Laserablations-induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS) entwickelt. Diese LA-ICP-MSIVA wurde zur Bestimmung von Elementspuren in optisch-reinem Calciumfluorid eingesetzt und anhand der Analyse mehrerer zertifizierter Referenzmaterialien unterschiedlicher Matrixzusammensetzung validiert.Mit den in dieser Arbeit entwickelten direkten LA-ICP-MS-Analysenmethoden dürfte es in der Zukunft möglich sein, Routineanalysen von optisch-reinem Calciumfluorid durchzuführen, wobei sich im Vergleich zu naßchemischen Aufschlußverfahren eindeutige Vorteile ergeben. Neben einer deutlich einfacheren und weniger kontaminationsanfälligen Probenvorbereitung liegen die Nachweisgrenzen (im Bereich von 0.05 ng/g für Zr bis 20 ng/g für Mg) um etwa ein bis drei Größenordnungen niedriger.Die am Beispiel der Multielementbestimmung in Calciumfluorid entwickelte LA-ICP-MSIVA wurde nachfolgend anhand der Analyse von sieben zertifizierten Referenzmaterialien mit organischer und anorganischer Matrix validiert. Hierbei wurde für 28 von insgesamt 32 analysierten Elementkonzentrationen eine hervorragende Übereinstimmung mit den zertifizierten Werten erhalten. Im Mittel weichen die mittels LA-ICP-MSIVA analysierten Gehalte nur um 1.6 % von den zertifizierten Werten ab. Die erzielte Präzision von durchschnittlich 4.9 % relativer Standardabweichung für drei unabhängig analysierte Proben liegt im Bereich der durchschnittlichen zertifizierten Unsicherheit der Referenzmaterialien von 4.4 %.

Method development using ICP-MS and LA-ICP-MS and their application in environmental and material science

Within this PhD thesis several methods were developed and validated which can find applicationare suitable for environmental sample and material science and should be applicable for monitoring of particular radionuclides and the analysis of the chemical composition of construction materials in the frame of ESS project. The study demonstrated that ICP-MS is a powerful analytical technique for ultrasensitive determination of 129I, 90Sr and lanthanides in both artificial and environmental samples such as water and soil. In particular ICP-MS with collision cell allows measuring extremely low isotope ratios of iodine. It was demonstrated that isotope ratios of 129I/127I as low as 10-7 can be measured with an accuracy and precision suitable for distinguishing sample origins. ICP-MS with collision cell, in particular in combination with cool plasma conditions, reduces the influence of isobaric interferences on m/z = 90 and is therefore well-suited for 90Sr analysis in water samples. However, the applied ICP-CC-QMS in this work is limited for the measurement of 90Sr due to the tailing of 88Sr+ and in particular Daly detector noise. Hyphenation of capillary electrophoresis with ICP-MS was shown to resolve atomic ions of all lanthanides and polyatomic interferences. The elimination of polyatomic and isobaric ICP-MS interferences was accomplished without compromising the sensitivity by the use of a high resolution mode as available on ICP-SFMS. Combination of laser ablation with ICP-MS allowed direct micro and local uranium isotope ratio measurements at the ultratrace concentrations on the surface of biological samples. In particular, the application of a cooled laser ablation chamber improves the precision and accuracy of uranium isotopic ratios measurements in comparison to the non-cooled laser ablation chamber by up to one order of magnitude. In order to reduce the quantification problem, a mono gas on-line solution-based calibration was built based on the insertion of a microflow nebulizer DS-5 directly into the laser ablation chamber. A micro local method to determine the lateral element distribution on NiCrAlY-based alloy and coating after oxidation in air was tested and validated. Calibration procedures involving external calibration, quantification by relative sensitivity coefficients (RSCs) and solution-based calibration were investigated. The analytical method was validated by comparison of the LA-ICP-MS results with data acquired by EDX.

New LA-ICP-MS cryocell and calibration technique for sub-millimeter analysis of ice cores

Ice cores provide a robust reconstruction of past climate. However, development of timescales by annual-layer counting, essential to detailed climate reconstruction and interpretation, on ice cores collected at low-accumulation sites or in regions of compressed ice, is problematic due to closely spaced layers. Ice-core analysis by laser ablation–inductively coupled plasma–mass spectrometry (LA-ICP-MS) provides sub-millimeter-scale sampling resolution (on the order of 100μm in this study) and the low detection limits (ng L–1) necessary to measure the chemical constituents preserved in ice cores. We present a newly developed cryocell that can hold a 1m long section of ice core, and an alternative strategy for calibration. Using ice-core samples from central Greenland, we demonstrate the repeatability of multiple ablation passes, highlight the improved sampling resolution, verify the calibration technique and identify annual layers in the chemical profile in a deep section of an ice core where annual layers have not previously been identified using chemistry. In addition, using sections of cores from the Swiss/Italian Alps we illustrate the relationship between Ca, Na and Fe and particle concentration and conductivity, and validate the LA-ICP-MS Ca profile through a direct comparison with continuous flow analysis results.

Table A1 LA-ICP-MS zircon U-Pb data of Laoniushan granitoids

The NWW-striking Qinling Orogen formed in the Triassic by collision between the North China and Yangtze Cratons. Triassic granitoid intrusions, mostly middle- to high-K, calc-alkaline in composition, are widespread in this orogen, but contemporaneous intrusions are rare in the southern margin of the North China Craton, an area commonly considered as the hinterland belt of the orogen. In this paper, we report zircon U-Pb ages, elemental geochemistry, and Sr-Nd-Hf isotope data for the Laoniushan granitoid complex that was emplaced in the southern margin of the North China Craton. Zircon U-Pb dating shows that the complex was emplaced in the late Triassic (228±1 to 215±4 Ma), indicating that it is part of the post-collisional magmatism in the Qinling Orogen. The complex consists of, from early to late, biotite monzogranite, quartz diorite, quartz monzonite, and hornblende monzonite, which have a wide compositional range, e.g., SiO2=55.9-70.6 wt%, K2O+Na2O=6.6-10.2 wt%, and Mg# of 24 to 54. Rocks of the biotite monzogranite have high Al2O3(15.5-17.4 wt%), Sr(396-1398 ppm) and Ba(1284-3993 ppm) contents and La/Yb(mostly 14-30) and Sr/Y(mostly 40-97) ratios, but low Yb(mostly 1.3-1.6 ppm) and Y(mostly14-19 ppm) contents, features typical of adakite. The quartz monzonite, hornblende monzonite and quartz diorite have a shoshonitic affinity, with K2O up to 5.58 wt% and K2O/Na2O ratios averaging 1.4. The rocks are characterized by strong LREE/HREE fractionation in chondrite-normalized REE pattern, without obvious Eu anomalies, and show enrichment in large ion lithophile elements but depletion in high field strength elements (Nb, Ta, Ti). The biotite monzogranite (228 Ma) has initial 87Sr/86Sr ratios of 0.7061 to 0.7067, eNd(t) values of -9.2 to -12.6, and ?Hf(t) values of -9.0 to -15.1; whereas the shoshonitic granitoids (mainly 217-215 Ma) have similar initial 87Sr/86Sr ratios (0.7065 to 0.7075) but more radiogenic eNd(t) (-12.4 to -17.0) and eHf(t) (-14.1 to -17.0). The Sr-Nd-Hf isotope data indicate that the rocks were likely generated by partial melting of an ancient lower continental crust with heterogeneous compositions, as partly confirmed by the widespread presence of the early Paleoproterozoic inherited zircons. Mafic microgranular enclaves (MMEs), characterized by fine-grained igneous textures and an abundance of acicular apatites, are common in the Laoniushan complex. Compared with the host rocks, they have lower SiO2 (48.6-53.7 wt.%) and higher Mg# (51-56), Cr (122-393 ppm), and Ni (24-79 ppm), but equivalent Sr-Nd isotope compositions, indicating that the MMEs likely originated from an ancient enriched lithospheric mantle. The abundance of MMEs in the granitoid intrusions suggests that magma mixing plays an important role in the generation of the Laoniushan complex. Collectively, it is suggested that the Laoniushan complex was a product of post-collisional magmatism related to lithospheric extension following slab break-off. Formation of the adakitic and shoshonitic intrusions in the Laoniushan complex indicates that the Qinling Orogen had evolved into a post-collisional setting by about 230-210 Ma.