Silicon and oxygen stable isotopes in chert as indicators of diagenesis and ocean paleo-environmental conditions

Abstract

This thesis investigates the influence of early marine diagenesis of siliceous sediment (comprised of opal-A) on the silicon stable isotope composition, the significance of Si stable isotopes in chert from the Precambrian-Cambrian boundary (PcC-boundary), as well as a re-evaluation of oxygen isotopes in chert. Chert forms during burial diagenesis from opal on a time scale of tens of million years. Amorphous opal (opal-A) commonly first transforms to opal-CT (composed of cristobalite and tridymite), which constitutes the sedimentary rock porcellanite. Whether the primary Si isotope composition of the sediment is preserved and what the silicon isotope composition of chert signifies is unknown. To study the impact of early diagenesis on the silicon (Si) isotope record of chert, I have determined the δ30Si (the normalized 30Si/28Si isotope ratio) of Pleistocene and Pliocene siliceous sediment and intercalated early diagenetic porcellanite layers from the Southern Ocean using multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry (MC-ICP-MS). This study implies that the Si isotope composition of siliceous sediment deposited around the Pc-C boundary is not significantly shifted during early diagenesis. At this time siliceous sponges appear in the rock record and were recently hypothesized to have fundamentally contributed to the Late Neoproterozoic Oxygenation Event by way of filtering organic carbon from seawater (for feeding). Oxygenation is thought to have caused the Cambrian “explosion”, i.e. the rapid proliferation of higher life on Earth. The effect of sponges on seawater oxygenation would depend on their abundance, a size that cannot be obtained from the fossil record due to incomplete spicule preservation. Fractionated Si from siliceous sponge spicules, however, is preserved in chert and allows estimating the relative abundance of sponges, and hence for the first time to test this hypothesis. To do so, Si isotopes and redox-sensitive elements were determined on chert and siliceous shale from the deep water section ‘Lijiatuo’ (Hunan, China) that straddles the Pc-C boundary. The δ18O value of authigenic quartz from chert and siliceous shales from ‘Lijiatuo’ section (calculated from bulk rock δ18O and measured by secondary ion mass spectrometry in detrital-rich samples) correlates with the detritus concentration, providing evidence that δ18O of chert records diagenetic temperatures. A calculation of quartz formation rates at different temperature gradients yields an estimate about the shift in δ18O values in chert that result from the cooling of the Earth’s crust.

Diese Arbeit behandelt den Einfluss der marinen Frühdiagenese kieseliger Sedimente (bestehend aus Opal-A) auf die stabile Silicium Isotopenzusammensetzung, deren Bedeutung in Chert von der Präkambrium-Kambrium Grenze (Pc-C-Grenze), sowie mit einer Re-evaluation von Sauerstoff (O) Isotopen in Chert. Chert bildet sich bei der Versenkungsdiagenese aus Opal über einen Zeitraum von mehreren zehner Millionen Jahren. Dabei wandelt sich amorpher Opal (Opal-A) i.d.R. zuerst in Opal-CT (bestehend aus Cristobalit und Tridymit) um, der das Sedimentgestein Porzellanit bildet. Ob bei diesen Umwandlungsprozessen die primäre Isotopenzusammensetzung erhalten bleibt und welche Bedeutung der Isotopenzusammensetzung von Chert zukommt ist unbekannt. Um mögliche frühdiagenetische Veränderungen der Si-Isotopenzusammensetzung von kieseligem Sediment zu bestimmen, wurde in dieser Arbeit das δ30Si (das normalisierte 30Si/28Si Isotopenverhältnis) Pleistozäner und Pliozäner kieseliger Sedimente und eingeschalteter, frühdiagenetisch gebildeter Porzellanite aus dem Südpolarmeer durch Multikollektor Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (MC-ICP-MS) untersucht. Diese Studie impliziert, dass kieselige Sedimente, die der an der Pc-C-Grenze abgelagert wurden, nicht signifikant in der Si-Isotopenzusammensetzung durch frühdiagenetische Effekte verändert wurden. Aus dieser Zeit datieren die ersten fossilen Funde kieseliger Schwämme, die laut einer neuen Hypothese durch die Filtration organischen Kohlenstoffs aus Meerwasser (zur Nährstoffaufnahme) fundamental zum Spät Neoproterozoischen Sauerstoffanstieg beigetragen haben. Dieser führte wahrscheinlich in der Folge zur kambrischen „Explosion“, der schnellen Ausbreitung höheren Lebens auf der Erde. Die Wirkung von Schwämmen auf die Sauerstoffkonzentration im Ozean hängt von deren Häufigkeit ab, ein Maß, das wegen unvollständiger fossiler Erhaltung nicht verfügbar ist. Fraktioniertes Si aus kieseligen Schwammnadeln, das in Chert erhalten ist, erlaubt die Abschätzung der relativen Häufigkeit von Schwämmen und ermöglicht erstmals den Test dieser Hypothese. Um diese Hypothese zu testen wurden an Cherts und kieseligen Tonsteinen aus dem Tiefwasser Profil ‘Lijiatuo’ (Hunan, China), das die Pc-C Grenze umspannt Si Isotope und redox-sensitive Elemente gemessen. δ18O Werte von authigenem Quarz aus Chert und kieseligem Tonstein aus dem ‚Lijiatuo‘ Profil (berechnet aus Gesamtgesteins δ18O und verifiziert durch Sekundärionen-Massenspektrometrie tonreicher Proben) korrelieren mit Detritus- Konzentrationen und belegen, dass δ18O Werte diagenetische Temperaturen anzeigen. Eine Berechnung von Quarz-Bildungsraten bei unterschiedlichen Temperatur-Gradienten liefert eine Abschätzung über die Verschiebung in δ18O Werten in Chert, die aus der Abkühlung der Erdkruste resultieren.