PDF, English - main document Download (42MB) | Lizenz: Unravelling the formation of Hells Bells: underwater speleothems from the Yucatán Peninsula in Mexico by Ritter, Simon Michael underlies the terms of Creative Commons Attribution 4.0

Abstract

Hells Bells are unique bell-shaped underwater speleothems recently discovered in deep meromictic sinkholes (cenotes) on the Yucatán Peninsula, Mexico. In order to unravel the underwater growth of Hells Bells and identify the mechanism of subaqueous calcite precipita-tion, several deep meromictic cenotes with and without Hells Bells were investigated. Compre-hensive hydro-, bio- and geochemical analyses of the water bodies and Hells Bells specimens including stable carbon isotope analyses, petrographic examination, U series age-dating, aqui-fer monitoring and microbiological investigations, resulted in a consistent hypothesis on Hells Bells formation. The subaqueous authigenic calcite precipitation in cenotes with Hells Bells is most likely promoted by biogeochemical processes within the narrow 1–2 m thick pelagic re-doxcline immediately above the halocline. Chemolithoautotrophy and incomplete microbial oxidation of sulfide to zero-valent sulfur via proton-consuming sulfide oxidation were identi-fied as dominant biogeochemical processes within the redoxcline. Both processes favor authi-genic calcite precipitation by increasing the pH of the surrounding water. A low degree of con-vection within the water body is identified as crucial hydrogeological prerequisite for the devel-opment of pelagic redoxclines, in which biogeochemical conditions favoring calcite precipita-tion prevail. Furthermore, in order to preserve the authigenic calcite formed in the redoxcline and build Hells Bells, a dynamic elevation of the halocline is hypothesized. Suitable conditions for Hells Bells formation are likely to be encountered in other deep stratified cenotes on the Yucatán Peninsula that are so far unexplored or unrecognized. Age-dating indicates that Hells Bells growth is an ongoing process covering the present to previous interglacial phases from ~0.1 12.5 and ~90–120 ka BP, respectively, outlasting aerial exposure during glacial sea level low stands. Eventually, isotope-geochemical and age-dating analyses reveal a great potential of Hells Bells as a geoarchive for reconstructing minimum sea level elevations, the development of the Yucatán Karst Aquifer and vegetation changes on the Yucatán Peninsula.

Translation of abstract (German)

Einzigartige glockenförmige Unterwasser-Speläotheme, die sogenannten Hells Bells, wurden jüngst in wenigen tiefen wassergefüllten Einsturzdolinen (Cenote) auf der Yucatán Halbinsel, Mexiko, entdeckt. Um die Bildungsweise dieser ungewöhnlichen Strukturen zu verstehen und insbesondere dem Mechanismus einer subaquatischen Kalzitfällung auf den Grund zu gehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit mehrere Cenote mit und ohne Hells Bells untersucht. Auf Grundlage von umfassenden hydro-, bio- und geochemischen Analysen der Wasserkörper der Cenote sowie von Hells Bells Proben, konnte, ergänzt durch weitere Untersuchungen von stabilen Kohlenstoffisotopen, Uran-Thorium Datierungen, sowie der Petrografie und Mikrobi-ologie, eine konsistente Hypothese für die Bildung der Hells Bells Speläotheme erarbeitet wer-den. Demnach führen biogeochemische Prozesse in der pelagischen Redoxkline, einer 1–2 m mächtigen Wasserschicht direkt über der Halokline, zu einer subaquatischen authigenen Kal-zitfällung. Dabei sind die Chemolithoautotrophie und eine unvollständige Oxidation von Sulfid zu null-wertigem Schwefel die dominanten biogeochemischen Prozesse. Beide Prozesse führen zu einer Erhöhung des pH–Werts im Umgebungswasser und damit zu einer authigenen Kalzit-fällung innerhalb der Redoxkline. Ein geringer Grad an Konvektion wurde dabei als hydrogeo-logische Voraussetzung ausgemacht, um die biogeochemischen Bedingungen in Redoxklinen auszubilden, die eine Kalzitfällung begünstigen. Um die in der Wassersäule gebildeten Kalzite zu erhalten und damit die Hells Bells Speläotheme aufzubauen, wird eine dynamische Ände-rung der Höhenlage der Halokline vorgeschlagen und diskutiert. Altersbestimmungen deuten darauf hin, dass das Hells Bells Wachstum ein bis heute andauernder Prozess ist und dabei die Zeiträume des jetzigen und vorigen Interglazials von ~0.1–12.5 und ~90–120 ka vor heute ab-deckt. Die Kombination von Isotopen-und geochemischen Untersuchungen mit Altersbe-stimmungen zeigen großes Potenzial von Hells Bells als Geoarchiv für die Rekonstruktion von Minimum-Meeresspiegelhöhen, der Entwicklung des Yucatán Karst Aquifers und des Vegetati-onswechsels auf der Yucatán Halbinsel auf.