Vier der größten Massenaussterben im Phanerozoikum (Ende Guadalupian, Perm-Trias, Ende Trias und Ende Kreide) sowie mehrere kleinere Aussterbeereignisse treten gleichzeitig mit kontinentalem Flutbasaltvulkanismus auf. Daher wird angenommen, dass der massive Vulkanismus globale Umweltänderungen mit schneller und signifikanter Erderwärmung und mariner Anoxia verursacht, wodurch die Massenaussterben ausgelöst werden. Allerdings bleibt die Zusammensetzung der klimaändernden Gase (CO2, SO2, CH4 oder Halogene) sowie deren Quelle (Magmenentgasung, Kontaktmetamorphose von Sedimenten, recykeltes Krustenmaterial im Mantel) umstritten. Die Ursachen der Umweltänderungen können besser bestimmt werden, wenn die Zeitpunkte und die Dauer der vulkanischen Eruptionen und der klimatischen und biologischen Ereignisse relativ zueinander bekannt sind. Allerdings treten diese Prozesse in Zeitspannen von weniger als 10^6 Jahren und vermutlich sogar weniger als 10^4 bis 10^5 Jahren auf (vergleichbar mit der aktuellen anthropogenen Treibhausgasemission), d.h. außerhalb der zeitlichen Auflösung von radiometrischen Datierungsmethoden. Daher wollen wir neue Spurenelementproxies für massive vulkanische Eruptionen in Sedimenten entwickeln, mit denen wir die relative Dauer der Ereignisse des Vulkanismus, der Klimaänderung und der Aussterbeprozesse in sedimentären Abfolgen bestimmen können. Volatile Spurenelemente wie Hg, Tl, In, Pb, Bi, Cd, Te, Se, Sn, Cs, Sb und As werden bei vulkanischen Eruptionen in großen Mengen freigesetzt und wurden in vulkanischen Gasen und Sublimaten an aktiven Vulkanen gemessen. Während massiver Eruptionen können sehr große Mengen dieser Elemente in die Atmosphäre gelangen und weit verbreitet in Sedimenten abgelagert werden. Die relative Konzentration von Hg wurde bereits als Proxy für vulkanische Eruptionen in Sedimenten genutzt, wobei allerdings Hg auch in organischem Material in Sedimenten angereichert wird. Das Verhalten der meisten volatilen Elemente wurde bisher nur unzureichend untersucht und daher wollen wir die Konzentrationen aller volatiler Elemente in Sedimentabfolgen der Grenzen des Changhsingian-Induan (Perm-Trias) und Pliensbach-Toarc bestimmen, um die zeitliche Entwicklung des Klimas und der Organismen mit den Eruptionen der Sibirischen und Karoo Flutbasalte zu vergleichen. Die Sedimentabfolgen lassen möglicherweise eine zeitliche Auflösung von weniger als 10^4 Jahren zu. Mit diesen Ergebnissen können wir die Zeitskalen der Effekte von Flutbasalteruptionen auf die Entwicklung des Klimas und des Lebens auf der Erde sowie die Quellen und Zusammensetzung der klimarelevanten Gase bestimmen.
Vulkanische Asche wurde vor kurzem als eines potenziellen Düngemittel für Ozeanoberfläche identifiziert worden. Jedoch werden die Prozesse, die Umwandlung von unlöslichen zu löslichen Eisen ermöglichen Fe-Verbindungen in der Asche wenig verstanden bisher. Diese Studie untersucht die vulkanische Wolke Kontrollen auf Asche Eisenlöslichkeit. Ich kombiniere Vulkanausbruch Spalte Modellierung mit hohen, mittleren und niedrigen Temperaturen chemische Reaktionen in Eruption Wolken, um besser einschränken Vulkanasche Eisen Mobilisierung unter Berücksichtigung der Wechselwirkung verschiedener Arten in einem Fest-Flüssig-Gas-System. Zuerst benutze ich ATHAM die Plum Dynamik und Mikrophysik lösen. Zweitens, entwickle ich eine Chemie und Thermodynamik Code, der die Umgebungsbedingungen (in-plume Temperatur, Druck, Feuchtigkeit usw.) bekommt von den ATHAM Ausgänge und simuliert die gas-ash/aerosol Interaktionen mit speziellem Fokus auf Eisen-Chemie. Dieses Modell basiert auf einer Reihe von gekoppelten Massenbilanzgleichungen für verschiedene Arten der Eruptionssäule. Begriffe, die in diesen Gleichungen basieren auf physikalisch-chemischen Wechselwirkungen von gasförmigen, flüssigen und festen Arten parametriert. Einige der wichtigsten Prozesse in dieser Studie nicht berücksichtigt sind: Gas-Scavenging durch Asche, Wasser und Eis, Auflösung von Asche in der flüssigen Phase und Eisen wässrigen Chemie. Eine Reihe von Laborexperimenten auf Asche wird auch als die Ergebnisse der Modellierung gegen echte Ascheproben und Beobachtung zu bewerten. Schließlich schlage ich die günstige vulkanischen Einstellung und in-plume Prozesse für Asche Eisen Mobilisierung.
Die kürzlich beendete IODP Exp. 385 (Guaymas Basin Tectonics and Biosphere, Sept.-Nov. 2019) bohrte acht Stellen im Guaymas Basin, einem jungen Rift Becken im Golf von Kalifornien, das sich durch aktiven Vulkanismus und hohe Ablagerungsraten von organisch reichen Sedimente auszeichnet, bedingt durch die hohe Primärproduktivität im darüber liegenden Wasser, sowie dem starken Eintrag von terrigenen Sedimenten. Die Expedition erbohrte Kerne mit organisch reichen Sedimenten die von vulkanischen Sills unterbrochen werden. Die Mikrobiologie war eines der zentralen Forschungsthemen dieser Expedition. Ein großer Probensatz zur Quantifizierung von Sulfatreduktionsraten, dem quantitativ wichtigsten Elektronenakzeptorprozess in marinen Sedimenten, wurde gesammelt und befindet sich nun am GFZ. Das vorgeschlagene ThermoSill-Projekt wird sich zunächst auf die allgemeinen Eigenschaften der mikrobiellen Sulfatreduktion in diesen Kernen sowie auf die Auswirkungen von Druck und Temperatur konzentrieren. Die Bohrkerne wiesen sehr unterschiedliche geothermische Gradienten von 200 bis über 800 Grad C / km auf, und die an Bord gemessenen geochemischen Daten weisen bereits auf eine große Vielfalt biogeochemischer Prozesse hin. In Tiefseesedimenten, insbesondere solchen, die solche in großer Sedimenttiefe und daher hoher in-situ Temperatur, sind organische Substrate wie kurzkettige organische Säuren im Allgemeinen ein begrenzender Faktor. Da die Sedimente im Guaymas-Becken hydrothermal beeinflusst werden, liefert die thermogene Aufspaltung von makromolekularen organischen Substanzen im Sediment reichlich mikrobielle Substrate. ThermoSill wird untersuchen, ob dieses große Angebot an Substraten zu einem bevorzugten Abbau bestimmter Substrate führt und damit wird damit einen Beitrag zum Verständnis der Prozesse an der oberen Temperaturgrenze des Lebens liefern. Besonderes Augenmerk wird auf die anaerobe Oxidation von Methan gelegt. Im letzten Teil des Projekts wird das Eindringen von Sills in Sedimente und der damit einhergehende Temperaturanstieg im umgebenden Sediment durch Heizexperimente simuliert. Diese Experimente werden von Pyrolyseexperimenten und kinetischen Modellen begleitet, um zu testen, ob eine solche kurzzeitige Erwärmung die mikrobielle Gemeinschaft über geologische Zeitskalen hinweg beeinflussen kann. Das vorgeschlagene Projekt ist direkt relevant für die Ziele der Expedition. Es ist auch eine Ergänzung zu einem laufenden Projekt, das die Auswirkungen von Druck und Temperatur auf die mikrobielle Sulfatreduktion in nicht hydrothermal beeinflussten Sedimenten aus dem Nankai-Trog (IODP. Exp. 370) untersucht.
Dies ist ein Antrag auf Reisekosten für eine Reise von Deutschland nach Argentinien zum Besuch der Vulkane Copahue and Peteroa, dort planen wir zusammen mit Forschern aus Argentinien in-situ Messungen von vulkanischem SO2 mit einem neuartigen Instrument. In Kombination mit in-situ CO2 Messungen erwarten wir einen Datensatz von CO2/SO2 Verhältnissen mit bisher unerreichter Genauigkeit und Zeitauflösung.Obwohl Fernerkundungsmessungen von SO2 sich mittlerweile in der Vulkanologie weit verbreitet haben, stellen bodengebundene und Flugzeug-getragene in-situ-Messungen immer noch eine wichtige Quelle ergänzender Information dar. Heutzutage werden in-situ Messungen von SO2 häufig mittels elektrochemischer Sensoren vorgenommen, diese weisen allerdings eine Reihe von Nachteilen auf, insbesondere (1) relativ lange Ansprechzeiten (ca. 20 s und mehr), (2) Interferenzen durch eine Reihe anderer reaktiver Gase, die sich in Vulkanfahnen finden (und die schwer zu quantifizieren bzw. unbekannt sind), (3) Die Notwendigkeit häufiger Kalibration. Wir lösen diese Probleme mit einem neuentwickelten, optischen in-situ SO2-Sensor Prototypen, der nach dem Prinzip der nicht-dispersiven UV-Absorption arbeitet (PITSA, Portable in-situ Sulfurdioxide Analyser). Die preisgünstige Anwendung des Prinzips für SO2 - Messungen wurde durch die Entwicklung von UV-LEDs ermöglicht. Die Probenluft wird durch eine Glasröhre gesaugt und dort der kollimierten Strahlung einer UV-LED (ca. 290nm) ausgesetzt, in diesem Wellenlängenbereich absorbiert (von den relevanten Vulkangasen) praktisch nur SO2. Daher ist die Abschwächung der Strahlungsintensität nach Durchgang durch die Messzelle ein Mass für den SO2-Gehalt der Messluft. Das PITSA Instrument wird mit einem kommerziellen CO2 Sensor kombiniert, damit werden SO2 und CO2 Messungen mit 0.1 ppm bzw. 1 ppm Genauigkeit möglich. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Vulkanologie.
Ziel dieses Antrags ist es, das Potenzial von Speläothemen für die Rekonstruktion von (kurzlebigen) Phasen und Ereignissen extremen Klimas, wie besonders niedrigen Temperaturen, extreme, Niederschlagsmengen oder hohen Windgeschwindigkeiten, zu ermitteln. Solche Extremereignisse treten selten auf, verursachen aber oft große Schäden mit schwerwiegenden Folgen für Bevölkerung und Ökosysteme der betroffenen Region. Ein besseres Verständnis der Ursachen und Randbedingungen von Extremereignissen ermöglicht eine bessere Prognose ihres Auftretens in der Zukunft, was wesentlich ist für das Treffen entsprechender Vorkehrungen.Speläotheme bieten präzise datierte Multi-Proxy-Zeitreihen mit nahezu jährlicher Auflösung und haben somit ein großes Potenzial als Archiv von Extremereignissen. Allerdings werden die in Speläothemen gespeicherten Proxy-Signale im Aquifer über der Höhle in einem gewissen Umfang geglättet, weshalb die Sensitivität der jeweiligen Höhlensysteme und Proxys für die Rekonstruktion vergangener Extremereignisse bestimmt werden muss. Der Schwerpunkt dieses Antrags liegt auf dem 8.2 ka Event und den letzten 2000 Jahren. Das 8.2 ka Event war die extremste Klimaanomalie des Holozäns und spiegelt die Auswirkungen eines enormen Süßwassereintrags in den Nordatlantik während eines Interglazials wider. In den letzten 2000 Jahren wurden mehrere hundertjährige Klimaschwankungen identifiziert (z.B. die Mittelalterliche Warmzeit und die Kleine Eiszeit). Zusätzlich konnten andere, kurzlebige Klimaanomalien festgestellt werden, wie z.B. das historische Magdalenenhochwasser im Juli 1342 AD oder Hitze und Trockenheit in Europa von 1540 AD. Manche Ereignisse wurden durch Vulkanausbrüche ausgelöst (z.B. das Jahr ohne Sommer 1816 AD durch die Tambora Eruption 1815 AD).Mehrere Speläotheme, die während des 8.2 ka Event und der letzten 2000 Jahre wuchsen, aus drei Höhlen in Deutschland stehen zur Verfügung. Für alle drei Höhlen wurden langfristige Monitoring-Programme eingerichtet, was eine Voraussetzung ist, um die Prozesse in den Höhlen zu verstehen und die Proxy-Signale der Speläotheme zu interpretieren. Wir werden stabile Isotope und Spurenelemente in den entsprechenden Abschnitten der Stalagmiten mit sehr hoher Auflösung (jährlich) analysieren, und die Proben mittels MC-ICPMS 230Th/U-Datierung präzise datieren. Die Identifizierung der am besten geeigneten Proxys für die Rekonstruktion der Extremereignisse wird unter Verwendung eines quantitativen Modells basierend auf meteorologischen und Monitoring-Daten durchgeführt. Die Kombination aus präzise datierten, hochaufgelösten Multi-Proxy-Records und einem quantitativen Modell stellt eine solide Basis dar, um (i) geeignete Proxys für die Rekonstruktion der Extremereignisse zu identifizieren und (ii) bestimmte Ereignisse in verschiedenen Speläothemen zu vergleichen. Dies ermöglicht die Bestimmung von Zeitpunkt, Dauer und Struktur der Ereignisse.