Stable hydrogen isotope ratios in the clay fraction of soil
Creators: name: Merseburger, Stefan
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: controlled isotope exchange technique
deuterium
montmorillonite
soil clay separation
soil organic matter removal
steam equilibration
structural H
USGS57 biotite
vermiculite
δ²H
δ²H values of precipitation
equilibrium fractionation factor
exchangeable H
stable H isotope ratio

description: Die Untersuchung der natürlichen Häufigkeit von stabilen Isotopen des Wasserstoffs (H) in organischen Substanzen hat neue Erkenntnisse für die ökologische Forschung, die forensischen Wissenschaften und die Paläoklimatologie hervorgebracht. Frühere Studien haben gezeigt, dass das ²H/¹H-Isotopenverhältnis (δ²H) von nicht-austauschbarem H (δ²H$_{n}$) des Bodens und der demineralisierten organischen Bodensubstanz mit dem δ²H-Wert des lokalen Niederschlags in Zusammenhang steht. Bisher haben methodische Schwierigkeiten bei der Entfernung von austauschbarem H in der Tonfraktion des Bodens die Untersuchung einer ähnlichen Beziehung zwischen den δ²H$_{n}$-Werten der Tonfraktionen des Bodens und dem δ²H-Wert des lokalen Niederschlags erschwert. Das übergeordnete Ziel meiner Arbeit besteht darin, die δ²H$_{n}$-Werte von Tonfraktionen im Boden durch die Trennung von austauschbarem und nicht-austauschbarem H mittels Dampfäquilibrierung zu bestimmen und deren Einflussfaktoren zu untersuchen. Zu diesem Zweck habe ich (1) die Dampfäquilibrierungsmethode angepasst. Dies war erforderlich, um den Einfluss der klassischen Behandlung zur Separation von Tonfraktionen, einschließlich der Entfernung von dithionitlöslichem Eisen, organischer Substanz, Karbonaten und Salzen, auf die δ²H$_{n}$-Werte von Tonmineralen zu testen. Anschließend habe ich (2) untersucht, ob es eine globale Korrelation zwischen den δ²H-Werten des lokalen Niederschlags und den δ²H$_{n}$-Werten von Oberbodentonfraktionen gibt. Der Ansatz der Dampfäquilibrierung erfordert den Gleichgewichtsfraktionsfaktor zwischen dem H des Dampfes und dem austauschbaren H der Probe (α$_{ex‑w}$), der nicht bekannt ist. Daher habe ich (3) eine experimentelle Methode zur Bestimmung der probenspezifischen α$_{ex‑w}$-Werte entwickelt. Ich verwendete die Tonminerale Kaolinit, Illit, Montmorillonit und Vermiculit sowie Oberbodenproben von 24 Standorten auf fünf Kontinenten. Bei allen Proben wurden die Tonfraktionen separiert. Die δ²H$_{n}$-Werte wurden mittels Dampfäquilibrierung und Pyrolyse-Elementaranalysator-Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie bestimmt. Darüber hinaus wurden die Oberbodenproben chemisch charakterisiert, einschließlich der Konzentrationen von H, C$_{org}$, N, Na, Mg, Al, K, Ca, Fe und Fe$_{d}$ sowie der potenziellen Kationenaustauschkapazität. Die klassische Tonseparierung veränderte die δ²H$_{n}$-Werte von fünf verschiedenen Tonmineralien nicht wesentlich. Die δ²H$_{n}$-Werte der Tonfraktionen aus verschiedenen Regionen der Welt reichten von ‑167 ± 1 ‰ für eine nordsibirische Probe bis ‑44 ± 4 ‰ in Westkenia für α$_{ex‑w}$ = 1 und von -191 ± 5 bis -81 ± 5 ‰ für α$_{ex‑w}$ = 1,08. Die δ²H-Werte des lokalen Jahresniederschlags korrelierten signifikant mit den δ²H$_{n}$-Werten der Tonfraktionen (r = 0,88 für α$_{ex‑w}$ = 1 und 0,65 für α$_{ex‑w}$ = 1,08, p &lt; 0,001). Ein multiples Regressionsmodell, das zusätzlich zu den δ²H-Werten des saisonalen Niederschlags auch die Hangneigung als mögliches Maß für die allochthone Tonakkumulation einbezog, erklärte 86 % und 89 % der beobachteten Variation der δ²H-Werte der Tonfraktionen für α$_{ex‑w}$ = 1 bzw. 1,08. Die α$_{ex‑w}$-Werte von sieben Tonmineralen reichten von 1,071 bis 1,140 und von 19 Oberbodentonfraktionen von 0,885 bis 1,216. Die α$_{ex‑w}$-Bestimmungsmethode funktionierte nicht für Kaolinit, wahrscheinlich wegen seines geringen austauschbarem H-Gehalts. Der α$_{ex‑w}$-Wert der Oberbodentonfraktionen korrelierte mit dem Tongehalt des Bodens (r = 0,63, p = 0,004), der lokalen Jahresmitteltemperatur (r = 0,68, p = 0,001) und den δ²H-Werten des lokalen Niederschlags (r = 0,72, p &lt; 0,001), was die unterschiedliche Tonmineralogie unter verschiedenen klimatischen Verwitterungsregimen widerspiegelt. Meine Ergebnisse zeigen, dass die δ²H$_{n}$-Werte des Oberbodens als eine Mischung aus isotopisch schwereren H der organischen Bodensubstanz und isotopisch leichteren H der Tonfraktionen beschrieben werden können. Die δ²H$_{n}$-Werte der Tonfraktionen im Boden werden von den δ²H-Werten der lokalen Niederschläge beeinflusst. Wenn die klimatisch beeinflusste Mineralogie berücksichtigt wird, können unbekannte Bodenproben dem global variierenden δ²H Niederschlagswerten zugeordnet werden. Die vorgeschlagene α$_{ex‑w}$-Bestimmungsmethode kann verwendet werden, um die Unsicherheit der Dampfäquilibrierung zur Bestimmung der δ²H$_{n}$-Werte von hygroskopischen Proben zu verringern.