Development of the 10Be(meteoric)/9Be isotope system to quantify Earth surface processes in small headwater catchments with different lithologies

Abstract

A new proxy to quantify denudation and chemical weathering, the cosmogenic meteoric beryllium-10 (10Be) to beryllium-9 (9Be) isotope ratio, was tested on the spatial scale of small headwater catchments. This ratio is an ideal proxy to quantify Earth’s surface processes as it combines the stable trace metal 9Be, whose release rate depends on weathering, with the meteoric isotope 10Be produced in the atmosphere. In the Critical Zone these two isotopes mix to a characteristic ratio that is dependent on the denudation rate, the fraction of 9Be released from primary minerals, and the 9Be concentration of the parent bedrock. For the first part of this study, I applied the 10Be(meteoric)/9Be isotope system as a proxy for denudation in creek catchments (< 1 km2) in the Slavkov Forest, Czech Republic, that are composed of different lithologies, from felsic to ultramafic rocks. Depending on the lithology each catchment exhibits various hydrogeochemical conditions, e.g. the stream water pH varies between these catchments from acidic to slightly alkaline, representing ideal settings to investigate the potential of the 10Be(meteoric)/9Be isotope system. 10Be/9Be ratios measured on the reactive phase of fine-grained bedload sediment and on the dissolved phase in stream water, respectively, agree within a factor of two for each catchment. Due to a hydrological dependency of 10Be/9Be in the dissolved phase, I concluded that reactive 10Be/9Be more suitably reflect the long-term denudational state of the catchments. I thus used the reactive ratios to calculate catchment-wide denudation rates. This calculation requires the knowledge of the parent bedrock concentration that was here approached with a regression method. The denudation rates are highest for the (ultra)mafic catchments (100 and 115 t km-2 y-1) and lower for the granitic catchment (65 t km-2 y-1). These rates are in the range of middle European in situ 10Be-derived denudation rates. In the second part of this study, I measured meteoric 10Be concentrations and 10Be/9Be ratios throughout a soil and regolith depth profile, in bedload sediment, and in stream waters in the Southern Sierra CZO, California (USA). I used the total inventory of meteoric 10Be and the 10Be surface concentration of the regolith profile to calculate a local soil erosion that is about 54 t km-2 y-1. When coupled to the chemical depletion fraction of the soil, a total denudation rate of about 112 t km-2 y-1 is derived for this regolith site. This rate is in good agreement with a catchment-wide denudation rate derived from the total 10Be/9Be ratio measured on stream bedload sediment, which is about 113 t km-2 y-1. The 10Be(meteoric)/9Be isotope system is well suited to quantify denudation processes in headwater catchments. The results presented in this work are among the first ones using cosmogenic nuclides to quantify denudation rates in (ultra)mafic lithologies showing the great potential for future Earth’s surface process studies.

Ein neuer Proxy zur Bestimmung von Denudationsraten und chemischer Verwitterung, das Verhältnis von meteorischem Beryllium-10 (10Be) zu Beryllium-9 (9Be), wurde in kleinen Quelleinzugsgebieten angewandt. Das 10Be /9Be-Isotopenverhältnis kombiniert das stabile Spurenelement 9Be, dessen Freisetzung durch die Verwitterungsrate bestimmt wird, mit dem kosmogenen meteorischen Nuklid 10Be, das in der Atmosphäre produziert wird. In der „Critical Zone“ mischen sich beide Isotope und bilden ein charakteristisches Verhältnis, das von der Denudationsrate, dem Anteil von bei der Verwitterung freigesetztem 9Be und der 9Be Konzentration im Grundgestein bestimmt wird. Diesen Proxy wende ich in drei kleinen Quelleinzugsgebieten (< 1 km2) im Kaiserwald (Slavkov Forest), Tschechische Republik, an, die geprägt sind von unterschiedlichen Lithologien, von felsischen bis ultramafischen Gesteinen reichend. Die geochemisch diversen Bedingungen, z.B. Flusswasser pH-Werte von sauer bis leicht alkalisch, sind ideal, um das 10Be/9Be System zu testen. 10Be/9Be Verhältnisse, die an der reaktiven Phase von fein-körnigem Flusssediment und in der gelösten Phase in Flusswasser gemessenen wurden, stimmen innerhalb eines Faktors von zwei überein. Aufgrund der hydrologischen Abhängigkeit der gelösten Phase und der Annahme, dass reaktive 10Be/9Be- Verhältnisse den langfristigen Zustand des Systems besser repräsentieren, habe ich anhand der reaktiven Verhältnisse einzugsgebietsweite Denudationsraten berechnet. Diese Berechnung erfordert, dass die 9Be-Konzentration im Grundgestein bekannt ist, die hier mit einer Regressionsmethode abgeschätzt wurde. Die Denudationsrate für das granitische Einzugsgebiet ist bei 65 t km-2 y-1 und für die (ultra)mafischen Einzugsgebiete bei 100 und 115 t km-2 y-1. Diese Raten stimmen mit europaweiten Denudationsraten, die anhand der Konzentration von in situ-produziertem 10Be bestimmt wurden, überein. Im „Southern Sierra CZO“, Kalifornien (USA), habe ich meteorische 10Be- Konzentrationen und 10Be/9Be-Verhältnisse entlang eines Boden- und Regolithprofils sowie an Flusssediment und -wasser gemessen. Anhand des Inventars an meteorischem 10Be und der 10Be-Konzentration an der Oberfläche des Regolithprofils konnte ich eine lokale Bodenerosionsrate berechnen (ca. 54 t km-2 y-1). In Verbindung mit der chemischen Abreicherung im Boden kann eine Denudationsrate hergeleitet werden. Diese beträgt ca. 112 t km-2 y-1 und enspricht der Denudationsrate für das gesamte Einzugsgebiet (ca. 113 t km-2 y-1), die aus dem 10Be/9Be Verhältnis, gemessen an Flusssediment, berechnet wurde. Das 10Be(meteorisch)/9Be Isotopensystem ist ein geeigneter Proxy um Denudationsprozesse in kleinen Einzugsgebieten zu quantifizieren. Die hier berechneten Denudationsraten gehören mit zu den Ersten, die mit Hilfe kosmogener Nuklide in (ultra)mafischen Gesteinen bestimmt wurden und verdeutlichen das Potenzial des 10Be/9Be Proxys in der Quantifizierung von erdoberflächennahen Prozessen.