Radium isotopes as tracers of element cycling at ocean boundaries

Vieira, Lucia Helena ORCID

Trace elements (TEs) play crucial roles in regulating ocean processes including marine biogeochemical cycles, and are therefore vital to support marine life. Understanding the biogeochemical cycling of TEs requires knowledge of their sources/ sinks and transport in the oceans. Radium isotopes are suitable tools to study inputs of elements from the continental margins, as they are produced by the decay of thorium isotopes in sediments, and are soluble in seawater. Therefore, in this Ph.D. thesis, I used Ra isotopes to determine boundary TE fluxes from two diverse environments that constrain the major TE sources, including shelf sediments in an Arctic shelf region and in an eastern boundary system off the western African coast, as well as rivers such as the River Congo. First, the distributions of the dissolved and total dissolvable TEs (Cd, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb, Mn, and Co) were investigated in the Chukchi Sea and 228Ra isotope was applied as tracer of benthic TE inputs. The results show that elevated benthic TE inputs on the Chukchi shelf provided suitable conditions for phytoplankton blooms. The 228Ra activities in spring appear to be 2-fold higher than in summer, which was a surprising observation and requires further investigation. Next, 228Ra was used to investigate the influence of the Congo River on surface ocean TE concentrations in the South Atlantic Ocean. The results show that the Congo River plume constitutes a large and unexpected input of TEs (Fe, Mn, and Co) into the South Atlantic. Finally, Ra isotopes were used to investigate a number of key ocean boundary processes in the Southeast Atlantic Ocean. Upwelling in the Benguela region is visible in the Ra distributions, and elevated Ra isotopes, Fe (II) and Si concentrations were observed in the Benguela oxygen minimum zone, possibly due to inputs from the reducing shelf sediments, or submarine groundwater discharge along the Namibian shelf.

Spurenelemente spielen eine zentrale Rolle in der Regulation ozeanischer Prozesse einschließlich des marinen biogeochemischen Kreislaufs und sind dadurch eine zentrale Voraussetzung für das Leben im Meer. Das Verständnis der biogeochemischen Kreisläufe der Spurenelemente basiert auf dem Wissen um deren Quellen, Senken und Transportwege innerhalb des Ozeans. Die Radiumisotope, welche als Zerfallsprodukt von Thorium in Sedimenten entstehen, sind wasserlöslich und haben sich als nützliche Werkzeuge herausgestellt, die den Input von solchen Elementen aus den kontinentalen Hängen nachvollziehen lassen. Diese verwende ich in der vorliegenden Dissertation, um die bedeutendsten Spurenelementquellen zu beleuchten, die den Austausch zwischen Schelfsedimenten und dem angrenzenden Ozean vornehmen. Dies geschieht anhand zweier kontrastierender Umgebungen, dem arktischen Schelf und des östlichen „Grenzsystems“ vor der Küste Westafrikas, das auch Flusseinträge wie zum Beispiel aus dem Kongo beinhaltet. Zunächst wurde die Verteilung der gelösten und säurelöslichen Spurenelemente (Cd, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb, Mn und Co) in der Tschuktschensee untersucht. Als Tracer zur Bestimmung benthischen Eintrags wurde dort 228Ra verwendet. Des Weiteren wurde 228Ra verwendet, um den Einfluss des Kongo, auf die im oberen Ozean befindlichen Spurenelemente im Südatlantik zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Flusswasserfahne des Kongo einen unerwartet großen Eintrag bioessentieller Spurenelemente in den Südatlantik ausmacht. Mit Hilfe der Radiumisotope wurden abschließend eine Reihe von Schlüsselprozessen im Grenzflächenaustausch des Südost-Atlantiks untersucht. Der Auftrieb der Benguela-Region ist ebenfalls in der Radiumverteilung ersichtlich. Gleichzeitig weisen erhöhte Konzentrationen der Radiumisotope, Fe (II) und Si in der Benguela-Sauerstoffminimumzone auf Zufuhr aus reduzierenden Schelfsedimenten oder aus unterseeischem Grundwasseraustritt entlang des Namibianischen Schelfs hin.

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Vieira, Lucia: Radium isotopes as tracers of element cycling at ocean boundaries. 2019.

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