The Ediacaran era (635 to 542 Ma) has seen some of the largest geochemical fluctuations and biological innovations in Earth history. The change from icehouse to greenhouse climate resulted in melting of low latitude Marinoan ice sheets and presumably triggered the radiation of early animals at the Precambrian/Cambrian boundary. Contemporaneous oxygenation of the Earth’s atmosphere and presumably the deeper oceanic realms further led to evolution of metazoans, predation and, as a result, extended bio-mineralisation. The Doushantuo Formation on the Yangtze Platform, South China, is an ideal archive of temporal and spatial geochemical changes in the late Neoproterozoic oceans, as it spans 90 % of the Ediacaran (635 ± 0.6 to 551 ± 0.7 Ma) and was deposited under shallow- to deep water marine environmental conditions. The major scope of this thesis is to understand the geochemical variations in Ediacaran marine carbonates and link them to environmental changes. Therefore carbonate rock leachates of the Doushantuo (and overlying Dengying) lithologies from the shallow water Xiaofenghe (Hubei Province) and deep water Yanwutan section (Hunan Province) have been sampled. These samples were investigated for their major- and trace element concentrations as well as for their 87Sr/86Sr, δ18Ocarb and δ13Ccarb isotopic compositions. Radiogenic Sr and stable C and O isotopes were used to distinguish between pristine marine precipitates and those whose isotopic compositions have been modified by post depositional fluid flow. Paleo-seawater conditions, such as oxygenation of the water body and seawater-freshwater mixing were inferred from shale normalised REE+Y patterns of pristine carbonates. Redox-sensitive elements were used to assess pore-water redox conditions in the sediments. Furthermore, the Nd isotopic composition of shallow water carbonates was analysed to deduce the provenance of the lanthanide source of the Yangtze Platform sediments. Finally this thesis aims to test whether Cd isotopes may be used to pinpoint the onset of bio-diversification and the appearance of early animals before the Cambrian explosion. Therefore Cd isotopes were analysed together with δ13Corg, δ15N, TOC and N concentrations in carbonates and mudstones from the extreme shallow water section Xiaofenghe, Hubei Province. This thesis provides deeper insight into carbonate diagenesis and focuses on the recognition of pristine, open marine seawater geochemical signatures from signatures modified by either mixing with freshwater or diagenetic overprint. Deep water carbonates at Yanwutan section show a distinct overprint by continental basin fluids, strongly modifying the isotope composition of the sediments. Despite this, marine REE+Y patterns are commonly still preserved in these lithologies. Shallow water carbonates at Xiaofenghe section reveal minor diagenetic overprint. However, the influence of terrestrial lanthanide input, presumably brought in by freshwater influx via estuarine mixing processes, strongly modified REE+Y patterns in the very shallow to lagoonal Xiaofenghe section. N and Cd isotopic compositions of mudstones and carbonates in the same stratigraphic units reveal distinct fluctuations that cannot be explained by biological fractionation alone. Hence, δ15N variations might be the result of isotope fractionation during diagenetic N-loss. The variation in ε112/110Cd may be caused by isotope fractionation during Cd incorporation in sulphides and likely modified by salinity-dependent fractionation during carbonate precipitation. The work suggests that the Cd isotope composition of Neoproterozoic carbonates, unlike modern marine precipitates, may not be used as proxy for biological Cd utilisation. It is likely that the modern enzyme responsible for the isotopically selective Cd utilisation in phytoplankton may not have been active in Precambrian organisms yet.
Das Ediakarium (635 bis 542 Ma) war eine Periode gewaltiger geochemischer Umwälzungen und biologischer Innovationen. Der Wechsel von der marinoischen Eiszeit zum Treibhausklima ging einher mit massivem Abschmelzen der Eispanzer und mag durch den damit verbunden Eintrag von Nährstoffen von den Kontinenten mit als Auslöser für die folgende Evolution von Metazoen gedient haben. Des Weiteren trug die zeitgleiche Sauerstoffanreicherung der Atmosphäre und der tieferen Schichten der Ozeane zur Evolution der Mehrzeller, sowie der Entwicklung von Jagdverhalten und daraus resultierend zur Entwicklung von Biomineralisation als Abwehrmechanismus bei. Die Doushantuo Formation auf der Yangtse Plattform in Südchina gilt als perfekte Lokalität zur Erfoschung von zeitlichen wie auch räumlichen geochemischen Veränderungen im ediakarischen Ozean. Die Formation wurde auf 635 ± 0.6 bis 551 ± 0.7 Millionen Jahre vor heute datiert und umfasst damit etwa 90 % des gesamten Ediakariums, des Weiteren finden sich in ihr unterschiedliche Ablagerungsräume vom Flach- bis hin zum Tiefwaser vereint. Das Hauptanliegen dieser Arbeit besteht darin, die geochemischen Variationen in ediakarischen Karbonaten besser zu verstehen und durch diese auf die sich verändernden Umweltbedingungen im Ediakarium zurück zu schließen. Dafür wurden Karbonatauszüge von Doushantuo (und darüber anstehnden Dengying) Lithologien des Flachwasserprofils bei Xiaofenghe (Hubei Provinz) und des Tiefwasserprofils bei Yanwutan (Hunan Provinz) untersucht. Von den Proben wurden Haupt- und Spurenelementkonzentrationen sowie 87Sr/86Sr, δ18Ocarb und δ13Ccarb Isotopenzusammensetzungen bestimmt. Radiogene Sr- und stabile O- und C-isotopenverhältnisse wurden als Indikator zur Abgrenzung von diagenetisch überprägten zu pristinen Karbonatproben genutzt. Paleo- Meerwasserbedingungen, wie die Sauerstoffsättigung oder der Einfluss von Frischwasser, wurden mittels PAAS normalisierter Seltener Erden Muster bestimmt. Die Analyse redox-sensitiver Elemente diente schließlich dazu Porenwasser Redoxbedingungen zu erfassen. Nd-Isotopenverhältnisse in den Flachwasserkarbonaten wurden zur Bestimmung der Herkunft der Lanthanidenquelle in den Karbonaten analysiert. Abschließend wurde mit der Arbeit versucht Cd Isotope als Indikator für das Einsetzen verstärkter Biodiversität und dem Aufkommen der ersten Tierstämme im späten Ediakarium zu etablieren. Daher wurden neben Cd in Karbonaten auch N Isotopenverhältnisse in organikreichen Lithologien zusammen mit TOC und N Konzentrationen sowie δ13Corg Werten im Xiaofenghe Flachwasserprofil bestimmt. Die Arbeit gibt weitergehende Einblicke in die Karbonatdiagenese und versucht die Unterschiede zwischen pristinen und offenmarinen geochemischen Signaturen von überprägten Signaturen in Karbonatgesteinen (letztere durch Diagenese oder Mischung von Wassermassen) zu charakterisieren. Daraus resultierend, haben die Tiefwasserproben des Yanwutan Profils eine stärkere diagenetische Überprägung der Isotopensignaturen als die Flachwasserkarbonate erfahren. Diese Überprägung läst sich vermutlich auf die Reaktion der Karbonate mit kontinentalen Beckenfluiden zurückführen. Diese Überprägung hat jedoch im allgmeinen die marinen seltenen Erden Muster der Karbonate nicht verändert. Dahingegen zeigen die Flachwasserkarbonate von Xiaofenghe eine Veränderung der seltenen Erden Muster durch verstärkten Eintrag der Lanthaniden in Flussmündungsnähe. N und Cd Isotopenzusammensetzungen in organikreichen Tonsteinen und Karbonaten der gleichen stratigraphischen Einheit zeigen starke Veränderungen durch das Ediakarium. Diese lassen sich nicht allein auf biologische Isotopenfraktionierung zurückführen. δ15N Variationen könnten auch auf Isotopenfraktionierung bei diagenetischer Stickstoffabfuhr im Sediment zurückzuführen sein. Die Variationen in ε112/110Cd werden möglicherweise durch Isotopenfraktionierung bei einem selektiven Einbau von Cd in Sulphide unter euxinischen Bedingungen, sowie salinitätsabhängiger Fraktionierung in Karbonate gesteuert. Als Resultat der Arbeit wird daher angenommen, dass die Cd Isotopenzusammensetzung von neoproterozoischen Karbonaten nicht von biologischer Fraktionierung gesteuert wurde. Anders als bei modernen marinen Sedimenten war damit das Enzym, das für die Cd Isotopenfraktionierung beim Einbau des Cd in phytoplanktonische Organismen verantwortlich ist, im Präkambrium vermutlich noch nicht aktiv.