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Fluid inclusions in speleothems as a new archive for the noble gas palaeothermometer

Kluge, Tobias

German Title: Flüssigkeitseinschlüsse in Speläothemen als neues Archiv für das Edelgaspaläothermometer

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Abstract

Fluid inclusions in speleothem constitute a unique archive for palaeo-waters. This thesis deals with the investigation of fluid inclusions in speleothems and their possible use as a palaeotemperature archive. The main objective focuses on the calculation of noble gas temperatures, which can be derived from the temperature-dependent solubility of the noble gases He, Ne, Ar, Kr and Xe. An essential requirement is the determination of noble gas concentrations, which implies measuring the absolute gas amounts as well as determining the amounts of water released. Two ways of measuring the tiny water amounts (≤ 1 μl) extracted from the speleothems are presented and will be discussed with regard to the required precision. Furthermore, various techniques for the extraction of noble gases from the speleothems are investigated and analysed in terms of the intended application. It turned out that crushing under vacuum in a steel cylinder by milling with a magnetically movable steel ball is the most suitable technique. Additionally, the noble gas preparation and the mass spectrometric procedure, optimized for the measurement of tiny gas amounts, will be discussed. Finally, it is demonstrated that it is possible to determine reliable temperatures from fluid inclusions in speleothems and that the acquired results can be reproduced to a certain extent. From the stalagmite BU-U (Sauerland, NW Germany) six samples from one growth period were extracted and measured. Their results agree within the uncertainties although the samples are not totally identical. Measurements on other stalagmites (BU-1, BU-2) from the same cave revealed temperatures corresponding to the expected climatic conditions in the respective growth period. Typical uncertainties for these samples range from ≤ 1 ℃ to 2 ℃ at most. From the stalagmites BU-U and BU-1 a temperature record has been established by noble gas concentrations and will be discussed in combination with the stable isotope data. These exemplary applications reveal the high potential of the method presented.

Translation of abstract (German)

Fluideinschlüsse in Speläothemen stellen ein einzigartiges Archiv für Paläowässer dar. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Fluideinschlüsse in Speläothmen bzgl. deren Verwendbarkeit als Paläotemperaturarchiv. Anhand der temperaturabhängigen Löslichkeit verschiedener Edelgase (He, Ne, Ar, Kr und Xe) können Edelgastemperaturen gewonnen werden. Dazu ist die Bestimmung von Edelgaskonzentrationen unerlässlich, welche neben der Bestimmung absoluter Gasmengen auch die Messung der freigesetzten Wassermenge voraussetzt. Es werden zwei Möglichkeiten vorgestellt, mit denen die sehr kleinen, aus dem Gestein extrahierten Wassermengen (≤ 1 μl) mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden können. Darüberhinaus wurden verschiedene Verfahren zur Extraktion von Edelgasen aus Speläothemen untersucht und in Bezug auf die angestrebte Anwendung analysiert. Als besonders geeignet hat sich das Zerkleinern in einem Stahlzylinder unter Hochvakuum mittels einer magnetisch bewegten Stahlkugel erwiesen. Außerdem werden die Edelgasaufbereitung sowie das auf sehr kleine Gasmengen spezialisierte massenspektrometrische Messverfahren erläutert. Abschließend wird anhand von 6 Proben aus einer Wachstumsschicht des Stalagmiten BU-U aus der Bunkerhöhle (Sauerland) aufgezeigt, dass es möglich ist, reproduzierbare und glaubwürdige Temperaturen zu berechnen. Die Messungen an weiteren Stalagmiten der Bunkerhöhle (BU-1 bzw. BU-2) ergaben darüber hinaus Temperaturen, die mit den erwarteten klimatischen Bedingungen übereinstimmen. Typische Temperaturunsicherheiten liegen bei diesen Probenstücken zwischen < 1 ℃ und 2 ℃. An den Stalagmiten BU-U und BU-1 wurden über die Messung von Edelgaskonzentrationen Paläotemperaturverläufe erstellt und in Verbindung mit den stabilen Isotopendaten diskutiert. Diese exemplarischen Anwendungen machen das große Potential der hier vorgestellten Methode deutlich.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Aeschbach-Hertig, Prof. Dr. Werner
Date of thesis defense: 22 October 2008
Date Deposited: 11 Nov 2008 15:39
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Edelgas, Paläoklima, Stalagmit, Temperatur, Niederschlag, Aquametrie, Gasvolumetrie
Uncontrolled Keywords: Fluid inclusion , Massenspektrometrie , Klimarekonstruktion , radiogenes He , EdelgasthermometerFluid inclusion , mass spectrometry , noble gas palaeothermometer , temperature reconstruction , speleothems
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