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Fate of natural and anthropogenic particles in peat bogs

Le Roux, Gaël

German Title: Verbleib natürlichen und anthropogenen Partikeln in Hochmooren

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Abstract

Investigating atmospheric deposition over a scale of millennial period is crucial because humans are emitting more and more synthetic and natural compounds (i.e.: pollutants and/or dust) to the environment through the atmosphere. It is therefore necessary to determine the background deposition rate of these compounds, to assess their natural variations (ie.: temporal and/or spatial) and to understand the effects of the increased atmospheric depositions induced by humans on the environment. The primary aim of this work was to improve the understanding of the processes affecting the fate of anthropogenic and natural particles in peat bogs, to see which geochemical processes can affect the suitability and accuracy of peat bogs as archives of atmospheric deposition, and also the effects of these inputs on the bog ecosystem. To test whether peat bogs are accurate archives of Pb atmospheric deposition, Pb distribution was investigated in Kohlhütte Moor (KM), a bog in Southern Germany. Pb is a toxic element extensively dispersed by human activities (Chap.2.1). The atmospheric Pb record assessed using a peat core was compared with other archives, including a snow pack and previously studied Swiss peat cores (Chap.2.2). To this end, new improved methods both methodically (Chap.1.1) and analytically (Chap.1.2 and Chap.1.3) were developed. Also particular attention was given to age dating using 210Pb and 14C and the estimation of the Pb accumulation rate (AR) based on these ages. The most recent Pb AR in KM (2.5 mg m-2 y-1) is similar to that obtained from the snow pack on the bog surface (1 to 4 mg m-2 y-1). The isotopic composition of Pb was measured in both the modern and ancient peat samples as well as in the snow samples, and clearly shows that recent inputs are dominated by anthropogenic Pb. The chronology and isotopic composition of atmospheric Pb accumulation recorded by the peat from the Black Forest is similar to the chronologies reported earlier using peat cores from various Swiss peat bogs and point to a common Pb source to the region for the past 200 years. Taken together, the results show that peat cores from ombrotrophic bogs can yield accurate records of atmospheric Pb deposition, provided that the cores are carefully collected, handled, prepared, and analysed using appropriate methods. In addition, the rates of atmospheric Pb accumulation at least for the last 6000 years were quantified using peat cores from KM and Lindow Bog (LDW), England. In KM, the most recent Pb accumulation rate (2.5 mg m-2 y-1) is 50 to 200 times greater than the “natural” average background rate of atmospheric Pb accumulation (~20 µg m-2 y-1) calculated using “pre-anthropogenic” samples from the same site. The core from LDW (Chap.2.3) shows the potential of carefully studying Pb distribution in a peat profile for regional paleo-ecology and archaeology. Using the Pb/Ti ratio to calculate the rates of anthropogenic, atmospheric Pb deposition, the core reveals Pb contamination first appearing in peat samples dating from ca. 900 B.C. which clearly pre-date Roman mining activities. The timing of the ancient and medieval Pb pollution is also directly related to socio-economical events. 208Pb/206Pb and 206Pb/207Pb data indicate that English ores were the predominant sources for atmospheric deposition in England during the pre-Roman, Roman, and medieval periods. To test whether peat bogs are suitable archives of atmospheric deposition of minerals and after a review of the different possible dissolution mechanisms influencing inorganic particles (Chap.3.1), mineral distributions in the upper part of KM were investigated (Chap.3.2). Similar minerals to the local granite were identified using X-Ray-Diffraction: most of the minerals are therefore of local origin. The distribution of quartz and feldspars is unaffected by the low pH and the abundance of organic acids, possibly due to the early formation of a siliceous layer and/or coating by humic acids. Therefore the preservation of quartz and feldspars in ombrotrophic peat might make bogs useful archives of the changing rates of atmospheric dust since the Last Glacial. In addition, other minerals, calcite and apatite, were identified but only in the topmost samples of the bog. They probably dissolve comparatively quickly and thereby influence the chemistry of the surface of the bog releasing nutrients and therefore influencing the botanical composition of the bog and the rates of plant growth.

Translation of abstract (French)

Savoir reconstruire les flux atmosphériques passés sur des périodes de l’ordre du millénaire est essentiel car les humains émettent de plus en plus de composants synthétiques ou naturels (polluants et/ou poussière) dans l’environnement par l’intermédiaire de l’atmosphère. Il est donc nécessaire d’évaluer les taux de dépôt atmosphérique naturel de ces composants, d’évaluer leurs variations naturelles (temporelles et/ou spatiales) et de comprendre les effets d’une augmentation des dépôts atmosphériques d’origine humaine. L’objectif principal de ce travail est d’améliorer la compréhension des processus affectant les dépôts d’origine anthropique et naturelle dans la tourbe, de voir quels processus géochimiques peuvent affecter la pertinence et la précision des tourbières bombées comme archives des flux atmosphériques, et comment ces apports peuvent influencer l’écosystème de la tourbière. Pour tester la précision des tourbières bombées en tant qu’archives des flux atmosphériques en plomb, la distribution de celui-ci a été étudiée dans une tourbière bombée du Sud de l´Allemagne : Kohlhütte Moor. Le plomb est un élément toxique largement dispersé par les activités humaines (Chap.2.1.) L’histoire des flux de plomb atmosphérique estimés grâce à une carotte de tourbe a été comparée avec d´autres archives, dont un dépôt de neige et des carottes de tourbière déjà étudiées auparavant (Chap.2.2). À cette fin, de nouvelles méthodes techniques (Chap.1.1) et analytiques (Chap.1.2 et Chap.1.3) ont été développées. Une attention particulière a été donnée aux datations par 210Pb et 14C et l’estimation du taux d’accumulation en plomb. Le plus récent taux d’accumulation en plomb à Kohlhütte Moor (2.5 mg m-2 y-1) est identique à celui obtenu à l’aide du dépôt neigeux à la surface de la tourbière (1 à 4 mg m-2 y-1). La composition isotopique du plomb mesurée dans des échantillons de tourbe récents et plus âgés et dans la neige montre clairement que les apports récents sont dominés par du plomb d’origine humaine. La chronologie et la composition isotopique du flux de plomb enregistré par la tourbière de Forêt Noire sont identiques aux chronologies de tourbières suisses et mettent en évidence une source de plomb commune pour la région ces 200 dernières années. Pris ensemble, ces résultats montrent que des carottes de tourbières hautes dites ombrotrophiques peuvent donner des enregistrements des dépôts du plomb atmosphérique à condition d’utiliser des méthodes appropriées d’échantillonnage et d’analyse. De plus, les taux d’accumulation en plomb pour ces derniers 6000 ans ont été quantifiés avec des carottes de Kohlhütte Moor et de Lindow Bog, en Angleterre. À Kohlhütte Moor, le taux d’accumulation du plomb (2.5 mg m-2 y-1) est de 50 à 100 fois plus important que le taux naturel (~20 µg m-2 y-1) estimé à l’aide d’échantillons du même site mais plus anciens pré-datant le début de la métallurgie. Le profile de Lindow Bog (Chap.2.3) montre les possibilités offertes par une étude précautionneuse du plomb dans un profile de tourbe pour la paléoécologie et l’archéologie. En utilisant le rapport Pb/Ti pour calculer les taux de dépôt de plomb anthropogénique, la carotte révèle que la contamination au plomb date de 900 B.C. et est donc bien antérieure à l’occupation romaine. La chronologie de la pollution antique et médiévale est aussi directement en relation avec des événements socio-économiques. Les rapports isotopiques 208Pb/206Pb et 206Pb/207Pb indiquent que les minerais anglais sont les sources prédominantes pour les dépôts atmosphériques en plomb durant l’Age du Fer, l’occupation romaine et le Moyen-Âge. Pour tester si les tourbières peuvent enregistrer le flux de poussière atmosphérique et après une revue des différents mécanismes influençant la dissolution des particules inorganiques (Chap.3.1), la distribution des minéraux dans la partie supérieure de Kohlhütte Moor a été étudiée (Chap.3.2). Des minéraux identiques au granite local ont été identifiés en utilisant la diffraction de rayons X : la plupart des minéraux sont donc d’origine locale. La distribution en profondeur du quartz et feldspaths n’est pas affectée par le faible pH et l’abondance en acides organiques, peut-être due à la formation précoce d´une couche enrichie en silice et/ou d’un enrobage par des acides humiques. Par conséquent, la préservation du quartz et des feldspaths dans les profils de tourbe ombrotophique indique que les tourbières bombées peuvent être des archives du dépôt atmosphérique de poussière depuis la dernière période glaciaire. De plus, d´autres minéraux, la calcite et l´apatite, ont été identifiés mais seulement dans les échantillons de surface de la tourbière. Probablement s´altèrent-ils comparativement rapidement, influencent la chimie de la surface de la tourbière en relarguant des nutriments et conditionnent la composition botanique de la tourbière et les taux de croissance des plantes.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Shotyk, Prof. William
Date of thesis defense: 9. May 2005
Date Deposited: 09. Jun 2005 14:17
Date: 2005
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Blei-210, Blei / Vergiftung, Bleiisotop, Blei, Hochmoor, ICP-Massenspektrometrie, Staubniederschlag, Staubbelastung, Chemische Verwitterung
Uncontrolled Keywords: Pb-210 , peat bogs , Pb isotopes , weathering , dust deposition
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