Geochemische und mineralogische Untersuchung von Sedimenten aus dem Bereich des anoxischen, hypersalinen Urania-Beckens (östliches Mittelmeer) zur Charakterisierung von mariner Sedimentation unter extremen Bedingungen

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Sedimentation unter hypersalin- anoxischen Bedingungen und die Beschreibung der damit zusammenhängenden geochemischen Prozesse. Dafür standen 2 Sedimentkerne zur Verfügung, die im anoxisch-hypersalinen Urania-Beckens (östliches Mittelmeer) gewonnen wurden. Desweiteren wurden Sapropele aus der Nähe des Beckens in Bezug auf ihre diagenetische Veränderung hin untersucht und mit den anoxischen Schlämmen des Urania-Beckens verglichen. Ein Hauptbestandteil der Sedimente des Urania- Beckens ist mit 6,5-18,9 Gew.% elementarer Schwefel (Selem). Das aus messinischen Evaporiten freigesetzte Sulfat wird durch bakterielle Aktivität zu gelöstem Sulfid reduziert. Dabei dient neben organischem Kohlenstoff (Corg) vor allem Methan als Reaktionspartner. An der Chemokline der Urania-Becken Brine wird ein Grossteil des Sulfids zu Selem oxidiert und sedimentiert am Beckenboden ab. Ein sehr geringer Teil des Sulfids bildet Pyrit (~1 Gew.%). Die S-Isotopenverteilung von Selem und Pyrit ähnelt sich und zeigt mit delta34S-Werten zwischen -2 und -11 Promille deutliche Unterschiede zu Werten von Pyriten, die z.B. in Sapropelen des östlichen Mittelmeeres vorhanden sind (< -35 Promille). Die hohen delta34S-Werte der reduzierten S-Spezies werden wahrscheinlich durch eine spezielle Population von (halophilen?) Bakterien erzeugt. Die Sedimente besitzten einen hohen Gehalt an Dolomit (ca. 1/3 des Gesamtkarbonats). Ein erst vor wenigen Jahren veröffentlichtes Modell zur Dolomitbildung (Vasconcelos und McKenzie, 1997) kann zur Erklärung der Dolomitpräzipitation herangezogen werden. Aufgrund der Form und Grösse der Dolomitkristalle sowie des Chemismus der Brine kann gefolgert werden, daß die Dolomitisierung schon in der Brine selbst stattfindet. Die starke Dolomitbildung in Sedimenten aus der unmittelbaren Umgebung des Beckens, die nicht unter Brine-Bedeckung abgelagert wurden, macht deutlich, daß die Brine des Urania-Beckens auch in die Sedimente der Umgebung migriert. An der tiefsten Stelle des Urania-Beckens werden rezent Fluide und Partikel aus tieferen Stockwerken in das Becken eingetragen. Eine wenige cm mächtige Schicht in den Ablagerungen von ausserhalb des Beckens belegt, daß anoxischer Schlamm auch ausserhalb des heutigen Beckens aufgedrungen ist. Der Vergleich der Urania-Becken Sedimente mit Sapropelen des östlichen Mittelmeers, die ebenfalls unter anoxischen Bedingungen abgelagert wurden, ergab, daß die Unterschiede dieser beiden Sedimenttypen sehr viel größer als die Gemeinsamkeiten sind. Dies ist auf die verschiedenen Ablagerungsprozesse und Materialquellen zurückzuführen. Die verschiedenen untersuchten Sapropele zeigen die ganze Bandbreite der Möglichkeiten der Sapropelerhaltung. Der jüngste Sapropel S-1 ist vollständig erhalten. Sapropel S-2 dagegen ist komplett oxidiert und nur noch aufgrund der Ba- und Mn-Verteilung im Kern nachzuweisen. Die Sapropele S-5 und S-6 weisen unterschiedlich starke frühdiagenetische Veränderungen auf. Sapropel S-3 liegt im Bereich des durch die Urania-Becken Brine dolomitisierten Kernabschnitts. Hier hat die Brine die Sulfatreduktion im Sapropel verstärkt, was zur vollständigen Auflösung der Karbonate in S-3 führte.

This research aimed to investigate the sedimentation under hypersaline and anoxic conditions and the related geochemical processes. Two sediment cores from the anoxic-hypersaline Urania basin (eastern Mediterranean) were studied. Furthermore, sapropels from the vicinity of the basin were analysed in terms of their early diagenetic alteration and compared to the basin sediments. A major component of the Urania basin sediments is elemental S (6.5-18.9 wt.%). Dissolved sulfate, which is derived from messinian evaporites, is reduced by bacterial activity to dissolved sulfide. Organic carbon and methane are the main reducing agents. Aqueous sulfide is oxidised to elemental S at the seawater/brine interface and accumulates at the basin floor. Contrasting this, pyrite is only a minor sink for dissolved sulfide (~1 wt.% pyrite). Elemental S and pyrite show similar delta34S-values between -2 and -11 permil. These values differ significantly from values of sedimentary pyrites usually found, e.g. in eastern Mediterranean sapropels (< -35 permil). The relatively positive delta34S-values originate most probably from a special population of (halophile?) microorganisms. About 1/3 of the bulk carbonate in the sediments is made up of dolomite. A recently published dolomitisation model (Vasconcelos and McKenzie, 1997) may explain primary dolomite precipitation in the Urania basin. The form and size of the dolomite crystals as well as the chemical composition of the brine point to dolomite formation within the brine. Dolomite from nearby the Urania basin in sediments which are not covered by brine indicates brine migration to sediments outside the basin. In the deepest part of the Urania basin, fluids and particles are introduced into the basin from deeper sedimentary levels. A layer of a few cms thickness in the sedimentary succession from outside the basin proves that anoxic mud similar to Urania basin sediments extruded outside the basin. Comparison of Urania basin sediments with sapropels, which were equally deposited under anoxic conditions, showed marked differences between these two sediment types. This is due to different material sources and sedimentation processes. The different analysed sapropels showed various states of preservation. The youngest sapropel S-1 is completely preserved. Opposed to that, sapropel S-2 is completely oxidised and only identified in the core by Mn- and Ba- distribution. Sapropels S-5 and S-6 exhibit different degrees of early diagenetic alterations. Sapropel S-3 lies within the region of the core which contains dolomite rather than calcite. Migrating brines fuelled sulfate reduction in this sapropel, which led to the complete dissolution of all carbonate in S-3.