Stable oxygen isotope in opal and seawater

Sauerstoff-Isotopenuntersuchungen wurden an frischem Diatomeenopal aus der obersten Wassersäule, Diatomeen aus Kulturen, sowie an sedimentärem Diatomeenopal durchgeführt, um die Anwendbarkeit von d18O-Signalen aus marinen Diatomeen für paläozeanographische Fragestellungen zu untersuchen.
Diatomeenopal ist, besonders aus Sedimentproben, schwierig anzureichern. Physikalische und chemische Verfahren müssen mehrfach angewendet werden, um Proben zu erhalten, die den für Sauerstoff-Isotopenmessungen erforderlichen Reinheitsgrad aufweisen. Die Ausgangskonzentration an Diatomeen im Probenmaterial wirkt sich hierbei erheblich auf den Erfolg der Reinigung aus.
Verläßliche und reproduzierbare d18O-Werte können nur an sehr reinen Diatomeenproben bestimmt werden. Mittels mikroskopischer Untersuchungen (Durchlichtmikroskopie, Rasterelektronenrnikroskopie), Röntgendiffraktametrie und geochernischer Analysen am ICP-MS können z.T. Art und Menge von Verunreinigungen in den Diatomeenproben abgeschätzt werden. Dadurch ist es möglich, für einen Teil der Proben einen theoretischen "reinen" d18O-Wert zu konstruieren.
Für frisches Phytoplankton aus der obersten Wassersäule und Diatomeen aus Kulturen kann im Temperaturbereich von -1.5° bis l4°C zunächst keine deutliche Temperaturabhängigkeit der Sauerstoff-Isotopenfraktionierung abgeleitet werden. Bereits bei Temperaturunterschieden von 1°C ergeben sich Differenzen von bis zu 4.1 für 1OOOln(a). Betrachtet man allerdings nur der Temperaturbereich oberhalb des Gefrierpunktes, so erhöht sich die Korrelation zwischen Temperatur und Sauerstoff-Isotopenfraktionierung, wenn auch mit z.T. großer Streuung, deutlich. Kinetische Fraktionierungsvorgänge, die nicht dem thermodynamischen Gleichgewicht entsprechen, scheinen insbesondere das d18O-Signal von frischem Phytoplankton, welches unterhalb 0°C gewachsen war, zu beeinflussen. Damit ist die Anwendbarkeit von d18O-Signalen marinen Diatomeenopals gerade in polaren Regionen, wo Karbonat häufig als Träger des d18O-Signals fehlt, in Frage gestellt.
Zudem wurden für sedimentären Diatomeenopal mit bis zu 45.7 deutlich schwerere d18O SiO-Werte ermittelt, als für frisches Phytoplankton (maximale Differenz von 20 für d18O SiO). Sekundäre Reequilibrierung mit an 180 angereichertem Boden-, bzw. Porenwasser nach dem Absterben und Absinken der Diatomeen scheint für die beobachteten Differenzen der Sauerstoff-Isotopenwerte verantwortlich zu sein. d18O-Signale sedimentären Diatomeenopals überliefern damit evtl. nicht die Oberflächenwasserbedingungen zur Zeit des Gerüstaufbaus mariner Diatomeen. Erst wenn auch geklärt ist, wann genau sich das isatopische Gleichgewicht zwischen marinem Diatomeenopal und dem umgebenden Meer- / Porenwasser einstellt und wie lange dieses Gleichgewicht erhalten bleibt, kann endgültig über die paläozeanographische Anwendbarkeit von, an marinen Diatomeen bestimmten d18O-Werten entschieden werden.

本研究针对上层水柱中的新鲜硅藻蛋白石、培养硅藻以及沉积硅藻蛋白石开展氧同位素分析实验，旨在探究海洋硅藻的δ¹⁸O (d18O)信号应用于古海洋学相关研究的可行性。
硅藻蛋白石的提纯难度较大，尤其针对沉积样品。需多次联合物理与化学方法，方可获得满足氧同位素测试所需纯度的样品。样品中硅藻的初始浓度对提纯效果具有显著影响。
可靠且可重复的δ¹⁸O值仅能在高纯度硅藻样品中测得。通过显微观测（明场显微镜、扫描电子显微镜）、X射线衍射分析以及电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）地球化学分析，可在一定程度上表征硅藻样品中杂质的种类与含量。据此可针对部分样品构建理论上的“纯”δ¹⁸O值。
针对上层水柱的新鲜浮游植物与培养硅藻，在-1.5℃至14℃的温度区间内，氧同位素分馏暂未表现出显著的温度相关性。当温差仅为1℃时，1000ln(α)的差值可达4.1。但若仅考虑冰点以上的温度区间，氧同位素分馏与温度的相关性会显著提升，尽管部分数据仍存在较大离散性。偏离热力学平衡的动力学分馏过程，似乎对0℃以下生长的新鲜浮游植物的δ¹⁸O信号影响尤为显著。这表明海洋硅藻蛋白石的δ¹⁸O信号应用前景受到质疑，尤其是在碳酸盐通常无法作为δ¹⁸O信号载体的极地地区。
此外，研究测得沉积硅藻蛋白石的δ¹⁸O值最高可达45.7，显著高于新鲜浮游植物的δ¹⁸O值（二者最大差值可达20）。硅藻死亡沉降后，与富¹⁸O的底层水或孔隙水发生的二次再平衡过程，似乎是观测到的氧同位素值差异的主要成因。因此，沉积硅藻蛋白石的δ¹⁸O信号可能无法反映海洋硅藻形成壳体时的表层水环境条件。唯有明确海洋硅藻蛋白石与周围海水/孔隙水之间达到同位素平衡的具体时刻，以及该平衡的维持时长，方可最终判定海洋硅藻的δ¹⁸O值在古海洋学研究中的应用可行性。