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Spectroscopic isotope ratio analysis on speleothem fluid inclusions - analytics and paleoclimatic case studies

Weißbach, Therese

German Title: Spektroskopische Isotopenverhältnisanalyse an Speläothem-Flüssigkeitseinschlüssen - Analytik und paläoklimatische Fallstudien

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Abstract

In this thesis the reconstruction of climatic conditions and paleotemperatures by the analysis of oxygen (δ18O) and hydrogen (δ2H) isotopes of fluid inclusions in speleothems from two different climatic zones (mid-latitudes and tropics) was performed. An extraction and processing system for fluid inclusion analysis with laser spectroscopy was developed and characterized with respect to the memory or amount effect. I could exclude disturbance effects and achieve a precision of 0.5‰ for δ18O and 1.5‰ for δ2H in replicated measurements with water volumes >0.2μl. The analysis of stable water isotopes allows the determination of paleotemperatures using the classic carbonate thermometer as well as the application of the δ2H/T - relationship with a precision down to ±0.45°C. For the western tropical Atlantic I identified a cooling during the Heinrich stadials (2 and 3) of ~3°C applying the classic carbonate oxygen isotope thermometer. Beyond direct temperature determination, the analysis of fluid inclusions provides information about karst water availability during stalagmite formation. For instance, the δ18O and δ2H values of two speleothems from Germany and Puerto Rico, show slopes of +2.3±1.1 and +3.7±0.2, respectively, that are significantly lower compared to meteoric water lines (slope of ~8). This clear evaporation signal in the related fluid inclusions probably indicates evaporation effects (cave or epikarst), which are enhanced during drier climate conditions.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wurde die Rekonstruktion von klimatischen Bedingungen und Paläotemperaturen mittels der Analyse von Sauerstoff (δ18O) undWasserstoff (δ2H) aus Flüssigkeitseinschlüssen von Speläothemen für zwei unterschiedliche klimatische Zonen (gemäßigte Breiten und Tropen) untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein Fluidextraktions - und Messsystem aufgebaut, welches Cavity Ring - Down Spektroskopie zur Messung verwendet. Ich konnte Memory - und Mengeneffekte ausschließen und eine Genauigkeit von 0.5‰ für δ18O und 1.5‰ für δ2H bei wiederholten Messungen mit Wasservolumen >0.2μl erreichen. Die Analyse stabiler Wasserisotope erlaubt die Bestimmung von Paläotemperaturen mit dem klassischen Karbonat Thermometer, sowie mit der Anwendung der δ2H/T - Beziehung mit einer Genauigkeit von bis zu ±0.45°C. Für den westlichen tropischen Atlantik konnte ich eine Abkühlung von ~3°C während der Heinrich Stadiale (2 und 3) ermitteln. Über die direkte Temperaturbestimmung hinaus, liefert die Analyse von Fluideinschlüssen Informationen über die Verfügbarkeit von Karstwasser während der Stalagmitenbildung. Die δ18O und δ2H Werte von zwei Speläothemenen aus Deutschland und Puerto Rico zeigen z.B. Steigungen von +2.3±1.1 bzw. +3.7±0.2, welche signifikant niedriger sind als die von typischen meteorischen Wasserlinien (Steigung ~8). Damit zeigt sich ein klares Verdunstungssignal in der stabilen Isotopenzusammensetzung der Flüssigkeitseinschlüsse, welches wahrscheinlich auf Verdunstungseffekte in der Höhle oder dem Epikarst hindeutet. Ich konnte zeigen, dass unter trockeneren Klimabedingungen die beobachteten Verdunstungssignale verstärkt auftreten.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kluge, Dr. Tobias
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 17 June 2020
Date Deposited: 30 Jun 2020 12:36
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
550 Earth sciences
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