Diploma Thesis

Fourier transform infrared spectroscopy (FTIRS): model development for inferring biogeochemical properties in the 3.6 Ma sediment record of Lake El'gygytgyn, NE Siberia

Zusammenfassung

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die quantitative Bestimmung von biogeochemischen Bestandteilen mittels Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIRS) in der 315 m langen und bis zu 3,6 Mio. Jahre alten Sedimentabfolge des El’gygytgyn-Sees in Nordost-Sibirien. FTIRS-Messungen wurden an 380 über die gesamte Sedimentsequenz verteilte Sedimentproben durchgeführt, um Kalibrationsmodelle zu entwickeln, die FTIR-Spektralinformationen und konventionell gemessene Konzentrationen biogeochemischer Bestandteile durch PLS- (Partial Least Squares) Regressionen in Beziehung setzen. Robuste Kalibrationsmodelle konnten für Gesamtkohlenstoff (TC), organischen Gesamtkohlenstoff (TOC), anorganischen Gesamtkohlenstoff (TIC), Gesamtstickstoff (TN) und biogenes Silikat (BSi) aufgestellt werden. Die externe Validierung dieser Modelle ergab signifikante Korrelationen zwischen den FTIRS und den konventionell gemessen Konzentrationen mit Bestimmtheitsmaßen von R2 = 0.90 für TC, R2 = 0.90 für TOC, R2 = 0.89 für TIC, R2 = 0.61 für TN und R2 = 0.92 für BSi. Eine interne Kalibrierung, die Sedimentproben der gesamten Sedimentsequenz enthält, ist wahrscheinlich notwendig, um verlässliche Ergebnisse bei einer Sedimentabfolge von mehreren hundert Metern zu erhalten. Aus der Anwendung von bereits existierenden Kalibrationsmodellen, die nur auf den obersten Sedimenten basieren (16.60 m), ergaben sich bedeutend schlechtere Korrelationen zwischen den FTIRS und den konventionell bestimmten Konzentrationen der biogeochemischen Bestandteile. Bestimmtheitsmaße von R2 = 0,69 für TC, R2 = 0,42 für TOC, R2 = 0.43 für TN und R2 = 0.84 resultierten aus der externen Validierung. Die niedrigere Vorhersagegenauigkeit dieser Modelle deutet wahrscheinlich auf Änderungen der Sedimentzusammensetzung in den tieferen Teilen der sedimentären Abfolge im Vergleich zu den obersten Sedimenten hin. Die entwickelten FTIRS-Modelle wurden anschließend an FTIR-Spektren von 677 Sedimentproben, die dem marinen Isotopenstadium 11 (MIS 11) zugeordnet werden, angewandt, um Änderungen in der Klima- und Umweltgeschichte in der sibirischen Arktis während dieses Interglaziales zu rekonstruieren. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass das MIS 11 ein besonders ausgeprägtes Interglazial mit einer sehr hohen Bioproduktivität im El’gygytgyn-See war. Seine Dauer in der sibirischen Arktis ist vermutlich vergleichbar mit seiner ausgedehnten Dauer im kontinentalen Innerasien (~30 kyr). Des Weiteren konnten mögliche Anzeichen für diagenetischbedingte Änderungen der Sedimentzusammensetzung und das Vorkommen von Karbonaten in der Sedimentabfolge des El’gygytgyn-Sees mit Hilfe von FTIRS gefunden werden. Die Resultate dieser Studie bekräftigen das große Potential der Fourier-Transformation-Infrarotspektroskopie in der Paläoklimaforschung.

©  Elgygytgyn Drilling Project
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Andreas Vogt
geändert: 25. Oktober 2011
erstellt: 23. Februar 2011