Stable Strontium Isotope (δ88/86Sr) Fractionation in the Marine Realm: A Pilot Study

Krabbenhöft, André

The determination of the isotopic composition of natural substances is an important field of research within isotope geochemistry. Especially the investigation of the alkaline earth element strontium (Sr) plays an important role in geological and geochemical research. In order to quantify the degree of natural stable Sr isotope fractionation a double spike technique was developed in the frame of this study. This technique allows the precise determination of natural Sr isotope fractionation without normalizing the 87Sr/86Sr to a fixed 88Sr/86Sr ratio in order to correct for instrumental mass fractionation. Variations in the stable Sr isotope ratio are presented in the common δ-notation in per mill [‰] deviation from standard material NIST SRM 987 (δ88/86Sr[‰]=((88Sr/86Sr)sample/(88Sr/86Sr)standard–1)∙1000). Measurements were carried out at the IFMGEOMAR in Kiel using a thermal ionization mass spectrometer (TIMS). Long term measurements of the coral standard JCp-1 and the seawater standard IAPSO resulted in δ88/86Sr=0.194±0.025‰ and δ88/86Sr=0.389±0.026‰ (2SD), respectively. This corresponds to an improvement of measurement precision of at least a factor of 2 when compared to multi collector inductively coupled plasma mass spectrometer (MC-ICP-MS) measurements using bracketing standard (FIETZKE and EISENHAUER, 2006). The precise determination of natural Sr isotope fractionation adds a new dimension to the well established radiogenic Sr isotope system. Seawater and marine carbonates show significant differences in their stable Sr isotopic composition which were not accessible by applying the radiogenic 87Sr/86Sr ratio alone. In order to constrain glacial/interglacial changes in the marine Sr budget the isotope composition of modern seawater and modern marine biogenic carbonates are compared with the corresponding values of river waters and hydrothermal solutions in a triple isotope plot (δ88/86Sr vs. 87Sr/86Sr). The Sr sources (87Sr/86Sr ~ 0.7106±0.0008, δ88/86Sr ~ 0.31±0.01‰) show a heavier isotopic composition compared to marine carbonates (87Sr/86Sr ~ 0.70926±0.00002, δ88/86Sr ~ 0.21±0.02‰), representing the main Sr sink. This reflects isotopic disequilibrium with respect to Sr inputs and outputs. In contrast to the modern ocean, isotope equilibrium between inputs and outputs was achieved during the last glacial maximum (10-30 kyr before present). This can be explained by invoking three times higher Sr inputs from a uniquely “glacial” source: weathering of shelf carbonates exposed at low sea levels. Our data are also consistent with the “weathering peak” hypothesis that invokes enhanced Sr inputs resulting from weathering of post-glacial abundant finegrained material left exposed by the retreating ice masses (VANCE et al., 2009). Furthermore, the temperature dependency of δ88/86Sr in cultured and temperature controlled (21°C to 29°C) warm water corals (Acropora sp.) was investigated. A strict linear trend like reported by (FIETZKE and EISENHAUER, 2006; RÜGGEBERG et al., 2008) could not be confirmed in this study. Our measurements rather revealed a nonlinear relationship between temperature and δ88/86Sr (δ88/86Sr=0.001∙T2 – 0.039∙T + 0.692, r2=0.47) whereas the Sr/Ca ratio shows the expected linear trend. Moreover, we determined δ88/86Sr-, δ18O- and Sr/Ca-ratios of a fossil (15 kyr B.P.) Porites sp. coral originating from Tahiti (French-Polynesia). The Sr/Ca as well as the isotope ratios shows a similar seasonal variability. Fossil Porites sp. (δ88/86Srmean=0.205±0.017‰, 2SEM) and recent Porites sp. represented in this study by the coral standard JCp-1 (δ88/86SrJCp-1=0.194±0.009‰, 2SEM) show connatural mean δ88/86Sr values. The average δ88/86Sr is obviously not affected by enhanced weathering and elevated Sr fluxes from exposed shelves during glacial times like it is the case for Sr/Ca elemental ratios. Therefore, stable Sr isotope fractionation can potentially serve as independent and unbiased parameter for reconstructing paleo-sea-surface-temperatures.

Die Bestimmung der isotopischen Zusammensetzung natürlicher Substanzen ist ein wichtiges Forschungsfeld der Isotopengeochemie. Speziell die Untersuchung des Erdalkalielements Strontium (Sr) spielt eine wichtige Rolle in der geologischen und geochemischen Forschung. Um den Grad der natürlichen Sr Isotopenfraktionierung zu bestimmen wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Doppelspike Methode entwickelt. Diese Methode erlaubt die präzise Bestimmung der natürlichen Sr Isotopenfraktionierung ohne das 87Sr/86Sr Verhältnis auf ein konstantes 88Sr/86Sr Verhältnisses zu normieren, um für die maschinelle Isotopenfraktionierung zu korrigieren. Variationen des 88Sr/86Sr werden in der üblichen δ-Notation als Abweichung vom Strontiumcarbonatstandard NIST SRM987 in Promille [‰] angegeben (δ88/86Sr [‰]=((88Sr/86Sr)Probe/(88Sr/86Sr)Standard – 1)∙1000). Die Messungen wurden an einem Thermionen-Massenspektrometer (TIMS) am IFM-GEOMAR in Kiel durchgeführt. Der Korallenstandard Standard JCp-1 und der Meerwasser Standard IAPSO wurden mit δ88/86Sr=0.194±0.025‰ bzw. δ88/86Sr=0.389±0.026‰ (2SD) bestimmt. Dies entspricht, verglichen mit Multikollector- induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (MC-ICP-MS) unter Verwendung der Bracketing Standard Methode (FIETZKE and EISENHAUER, 2006), einer Verbesserung der Messgenauigkeit mindestens um den Faktor 2. Die präzise Bestimmung natürlicher Sr Isotopenfraktionierung erweitert das etablierte radiogene Sr Isotopensystem um eine zusätzliche Dimension. Dadurch lassen sich marine Carbonate nun isotopisch vom Meerwasser unterscheiden, was aufgrund der Normierung auf ein festes 88Sr/86Sr Verhältnis vorher nicht möglich war. Um Änderungen im Sr Budget des Ozean während Glazial/Interglazial Übergängen zu untersuchen, werden die Isotopien von rezentem Meerwasser und rezenten biogenen marinen Carbonaten mit den entsprechenden Werten von Flusswasser und Hydrothermalfluiden in einem drei Isotopen Diagramm verglichen (δ88/86Sr vs. 87Sr/86Sr). Die Sr Quellen (87Sr/86Sr ~ 0.7106±0.0008, δ88/86Sr ~ 0.31±0.01‰) zeigen dabei eine schwerere Isotopie als marine Carbonates (87Sr/86Sr ~ 0.70926±0.00002, δ88/86Sr ~ 0.21±0.02‰), welche die wichtigste Sr Senke des Ozeans repräsentieren. Dieser Unterschied zwischen Sr Quellen und Senken zeigt, dass sich der heutige Ozean im isotopischen Ungleichgewicht befindet. Während der letzten Eiszeit (10-30 ka v.h.) befand sich der Ozean im isotopischen Gleichgewicht. Dies kann durch einen ~3 Mal höheren Sr Fluss, verursacht durch die Verwitterung freiliegender Schelfe, erklärt werden. Der Unterschied in der radiogenen Signatur der Sr Quelle zum Gleichgewichtswert unterstützt die Hypothese eines „Verwitterungspeak“. Dabei kommt es zu einem zusätzlichen post-glazialen Sr Eintrag durch die Verwitterung des von den Gletschern zurückgelassenen feinen Gesteinssubstrats (VANCE et al., 2009). Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Temperatursensitivität des δ88/86Sr. Dazu wurde die Sr Isotopie von Warmwasserkorallen (Acropora sp.) aus temperaturkontrollierten Hälterungsexperimenten (21°C bis 29°C) untersucht. Ein streng linearer Zusammenhang zwischen Wassertemperatur und δ88/86Sr, welcher zuvor gefunden wurde (FIETZKE and EISENHAUER, 2006; RÜGGEBERG et al., 2008), konnte hier nicht bestätigt werden. Vielmehr zeigen die δ88/86Sr Daten einen quadratischen Zusammenhang mit der Hälterungstemperatur, wohingegen die Sr/Ca Daten den erwarteten linearen Zusammenhang zeigten. Des Weiteren wurden δ88/86Sr-, δ18O- und Sr/Ca Verhältnisse einer fossilen (~15 ka) Porites Koralle aus Tahiti (Französisch-Polynesien) analysiert. Das Elementverhältnis Sr/Ca sowie die Isotopien zeigen ähnliche saisonale Verläufe. Im Mittel zeigt die fossile Porites Koralle eine vergleichbare Sr Isotopie (δ88/86Srmittel=0.205±0.017‰) wie rezente Porites Korallen die in dieser Studie durch den Korallenstandard JCp-1 repräsentiert werden (δ88/86SrJCp-1=0.194±0.009‰). Im Gegensatz zum Sr/Ca Verhältnis ist das mittlere δ88/86Sr offensichtlich nicht durch verstärkte Verwitterung freiliegender Schelfe, wie sie währen Eiszeiten stattfindet, beeinflusst. Daher kann δ88/86Sr als unabhängiger Parameter zur Rekonstruktion von früheren Oberflächenwassertemperaturen herangezogen werden.

Quote

Citation style:

Krabbenhöft, André: Stable Strontium Isotope (δ88/86Sr) Fractionation in the Marine Realm: A Pilot Study.

Rights

Use and reproduction:
No CC License (german copyright law applies)

Export