Original paper

The δ13C and δ18O signatures of siderite a tool to discriminate mixis patterns in ancient lakes

Felder, Marita; Gaupp, Reinhard

Abstract

Maar lakes are important archives of the continental sedimentary record, as they provide good conditions for stratification of the water body and subsequent formation of laminated shale. Even though stratification is dominating in maar lakes, mixing events, important for nutrient distribution and life, may occur in more or less regular intervals. However, little is known about mixis state and events in paleolakes. Information may be provided by authigenic minerals, such as siderite, which is ubiquitous in maar lakes and predominantly forms more or less continuous bands of early diagenetic origin. The elemental and isotopic composition of siderite occurrences from six small Paleogene lakes in Germany, five of them maar lakes, was tested for a reconstruction of the frequency of mixing events.The shallow Lake Prinz von Hessen, the only pull-apart basin, is characterised by low to intermediate δ13C and low, almost invariant δ18O values. This is indicative of an open and holomictic system, where the water was frequently recharged and the redox boundary was situated at the sediment water interface. Compared to Prinz von Hessen, siderite samples from all maar lakes are enriched in 13C and 18O. This is due to the increasing role of methanogenesis in the uppermost centimetres of the sediment and a relatively long residence time of the water.Whereas the first indicates stratification of the lakes, the latter is typical for restricted water recharge, indicating lake closure. Differences in the isotopic composition of siderite from the individual maar lakes provide more detailed information on the mixis state. The smallest maar, Lake Offenthal, was probably holomictic and had an anoxic hypolimnion, which is reflected in restricted isotope enrichment. The large and deep maar lakes of Baruth, Enspel, and Messel record the highest isotopic values and were meromictic throughout their lake histories. The intermediate-sized maar lake of Eckfeld exhibits high and low δ13C and δ18O values, which indicate that the lake shifted between meromixis and holomixis. Even though an influence of climate variability on the mixis state of the studied lakes cannot be ruled out, our data show no evidence for it. Complete lake turnover was partially caused by collapsing slopes. Our results additionally show that, independent of the lake type, volcanic glass alteration can cause a depletion of 18O resulting from precipitation of various authigenic minerals from interstitial water.A second important result of the study shows that the presence of impure siderite in combination with pyrite does not necessarily imply marine conditions. In the studied lakes the change from oxic to anoxic conditions at the base of oil shale sequences is marked by a pyrite maximum and precipitation of Ca-rich siderite or calcite.

Kurzfassung

Maarseen sind wichtige Archive kontinentaler Sedimente, da sie gute Voraussetzungen für eine Schichtung des Wasserkörpers und - daraus resultierend - für die Entstehung laminierter Tonsteine bieten. Obwohl Schichtung des Wasserkörpers in vielen Maarseen dominiert, können Mixisereignisse - die für den Nährstoffhaushalt und das Leben im See Bedeutung haben - in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen auftreten. Es ist jedoch wenig über die Durchmischungsverhältnisse von Paläoseen bekannt. Information darüber können authigene Minerale, wie Siderit, liefern. Siderit ist in Maarseen sehr häufig und tritt vorwiegend in frühdiagenetisch gebildeten Linsen und Bändern auf. Elementgehalt und isotopische Zusammensetzung von Siderit aus sechs paläogenen Seen in Deutschland, von denen fünf Maare sind, wurden für die Rekonstruktion der Häufigkeit von Mixisereignissen untersucht.Der flache Prinz von Hessen-See, das vermutlich einzige Pull-Apart-Becken, wird durch niedrige bis mittlere δ13C Werte und niedrige, fast gleich bleibende δ18O Werte charakterisiert. Dies deutet auf ein offenes, holomiktisches System hin, in dem das Wasser häufig ausgetauscht wurde und die Redoxgrenze im Bereich der Sediment-Wassergrenze lag. In allen Maarseen ist der Siderit, verglichen mit Prinz von Hessen, in Bezug auf 13C und 18O angereichert. Dies wird durch die steigende Bedeutung der Methanogenese in den obersten Zentimetern des Sediments und eine relativ hohe Verweildauer des Wassers verursacht. Während Methanogenese eine Schichtung des Wasserkörpers indiziert, ist eine hohe Verweildauer typisch für einen eingeschränkten Wasseraustausch und deutet auf geschlossene Seen hin. Unterschiede in der Isotopensignatur, die zwischen den einzelnen Maarseen auftreten, liefern genauere Informationen über die Durchmischungsverhältnisse. Das kleinste Maar, der Offenthal-See war vermutlich holomiktisch, mit anoxischem Hypolimnion. Dafür spricht eine eingeschränkte Anreicherung der schweren Isotope. Die großen, tiefen Maare von Baruth, Enspel und Messel waren fast während ihrer gesamten Entwicklung meromiktisch. Der mittelgroße See von Eckfeld zeigt sowohl hohe als auch sehr niedrige δ13C und δ18O Werte, was darauf hindeutet, dass die Bedingungen zwischen Holomixis und Meromixis wechselten. In den untersuchten Seen wurde die vollständige Durchmischung des Wasserkörpers teilweise durch Resedimentations-ereignisse ausgelöst. Ein klimatischer Einfluss auf die Durchmischungsverhältnisse kann auch nicht ausgeschlossen werden. Unsere Daten geben aber keinen Hinweis darauf. Die Untersuchungen zeigen zudem, dass die Alteration vulkanischen Glases durch die zeitgleiche Fällung verschiedener authigener Minerale eine Verarmung an 18O hervorrufen kann.Ein zweites wichtiges Ergebnis unserer Studie zeigt, dass das Auftreten unreinen Siderits in Verbindung mit Pyrit nicht notwendigerweise marine Bedingungen anzeigt. In den untersuchten Seen wird der Wechsel von oxischen zu anoxischen Bedingungen an der Basis der Schwarzpelitabfolgen durch ein Pyritmaximum in Kombination mit der Fällung von Ca-reichem Siderit und Calcit markiert.

Keywords

lacustrinesideritestable isotopesmixis statepaleogene