Bitte benutzen Sie diese Kennung, um auf die Ressource zu verweisen: http://doi.org/10.25358/openscience-1730
Autoren: Macholdt, Dorothea Sabine
Titel: Interdisciplinary studies on Rock Varnish
Online-Publikationsdatum: 19-Okt-2017
Sprache des Dokuments: Englisch
Zusammenfassung/Abstract: This work is a study of rock varnishes collected from different locations worldwide and from several environments. The focus was set on the microanalytical investigation of i) the geochemistry of different varnishes and adjacent collected mineral dust, ii) the structures of different varnishes, and iii) signs for a definite proof for a biogenic compound necessary for the formation of rock varnish. To this end, a combination of different cutting-edge analytical techniques was utilized to investigate the rock varnishes. Rock varnish is a black, micrometer thin, sedimentary crust on top of rock surfaces. It occurs on almost all lithologies and can be found for instance in deserts, in caves, on mountains and plateaus, in large cities, Antarctica, at waterfronts, and possibly even on Mars. Rock varnish consists of a mixture of dust grains as its main component, and a Mn-rich matrix material as cement component. A biogenic contribution to the genesis has been suggested. Rock varnish is a phenomenon that has defied more than 200 years of intermittent scientific examination. Methods and instruments used in this study were amongst others fs/ns LA-ICP-MS, fs LA-MC-ICP-MS, solution ICP-MS, portable XRF, stationary XRF, EPMA, NanoSIMS, FIB- and Microtome-slicing, STXM-NEXAFS, SEM, Raman spectroscopy, EDX, XRD, and TEM. More than 150 individual rock samples were investigated for their chemical composition by fs LA-ICP-MS, and on each sample about 10-30 measurements were conducted to obtain enough statistical accuracy since the crusts are very inhomogeneous. On the basis of the results, several samples were selected that were additionally investigated by other methods mentioned above, to receive further information about, e.g., nano- and microstructures, element distributions, in-situ oxidation state distributions, and isotope ratios. Mineral dust samples were collected and investigated by fs LA-ICP-MS and XRD, due to their role as potential element and material source for rock varnish. Additionally, STXM-NEXAFS measurements, Raman spectroscopy, extensive PCR, qPCR, and NGS studies, EPR measurements, light microscopic investigations, δ13C measurements, as well as fluorescence microscopy analyses on DAPI, DRAQ5, and OsO4 fixed thin sections were performed in the search for proof of a biogenic genesis of rock varnish. It was found that rock varnishes from disparate environments differ, and that the term rock varnish can thus be subdivided and categorized. It was possible to analyze the trace element composition of the microstructure of varnish without contamination from the host rock. Images of nano- and microstructures were obtained for a large set of varnishes and for varnishes from different environments. It was furthermore possible to determine and locate Mn oxidation states at the nanometer scale within single samples and by this show the reduction of the manganese matrix around cavities, a sign for previous redox reactions. The results indicate that the airborne dust is the major contributor to the genesis of varnishes found in deserts, vehicle emissions the main source of varnish on facades in urban areas, and water the source of crusts within river splash zones. No indicator for a possible biogenic origin was found in any varnish sample, even though a large variety of tests was performed. However, one would expect to find organisms capable of oxidizing Mn, at least in the most recently formed layers, or on the surface of rock varnish. Thus, an abiogenic genesis of rock varnish seems most plausible. In addition to the measurements, technical developments were made, such as the development of a new microanalytical reference material for Mn-rich rocks, a calibration for portable XRF measurements of thin Mn-rich coatings, and a measurement technique that allows the measurement of femtogram amounts of powdered material (such as dust) with high precision and accuracy. By providing these technical developments and a broad variety of information about different varnish types, as well as details about individual samples, significant cornerstones are now given on the basis of which future investigations can proceed with the aim to disclose the secret of the genesis of rock varnish.
In dieser Arbeit wurden Wüstenlackproben von verschiedenen Gebieten dieser Erde und aus unterschiedlichen Umgebungen untersucht. Der Schwerpunkt lag auf der mikroanalytischen Erforschung der i) Geochemie der Wüstenlacke und des unter den Gesteinen gesammelten Mineralstaubs, ii) Strukturen innerhalb der Wüstenlacke und iii) der Suche nach einem eindeutigen Beweis für eine biogene Komponente die zur Entstehung von Wüstenlack beiträgt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden mehrere Methoden, die dem neuesten Stand der Technik entsprechen, miteinander kombiniert, um die weltweit gesammelten Wüstenlacke zu untersuchen. Wüstenlack ist eine schwarze, Mikrometer dünne, sedimentäre Kruste auf Gesteinsoberflächen. Sie kann auf nahezu allen Gesteinstypen beobachtet werden und ist beispielsweise in Wüsten, in Höhlen, auf Bergen und Plateaus, sowie in größeren Städten, der Antarktis, in der Spritzwasserzone von Flüssen und vermutlich selbst auf dem Mars zu finden. Wüstenlack besteht aus einer Mischung von Mineralstaub als Hauptkomponente, und einer manganreichen Matrix welche die Partikel zusammenhält. Eine zur Entstehung beitragende biogene Komponente wird diskutiert. Wüstenlack ist ein Phänomen, welches sich seit mehr als 200 Jahren episodischen wissenschaftlichen Untersuchungen widersetzt hat. Die in dieser Arbeit verwendete Messinstrumente waren unter anderem fs/ns LA-ICP-MS, fs LA-MC-ICP-MS, Lösungs-ICP-MS, tragbare RFA, stationäre RFA, EMS, NanoSIMS, FIB- und Mikrotom-Schnitte, STXM-NEXAFS, REM, Raman-Spektroskopie, EDX, Röntgenbeugung und TEM. Mehr als 150 Wüstenlackproben wurden mit fs LA-ICP-MS auf ihre chemische Zusammensetzung untersucht, und auf jeder Probe wurden 10-30 Einzelmessungen durchgeführt, um eine gute statistische Genauigkeit zu erhalten, da diese Krusten sehr inhomogen sind. Anhand der Messergebnisse wurden einzelne Proben ausgewählt, welche zusätzlich mit anderen oben erwähnten Messmethoden untersucht wurden, um zusätzliche Informationen, beispielsweise zu Nano- und Mikrostrukturen, Elementverteilungen, in-situ Oxidationsstufenverteilungen und zu Isotopenverhältnissen zu gewinnen. Mineralstaubproben wurden ebenfalls gesammelt und mit Röntgenbeugung und fs LA-ICP-MS aufgrund ihrer Rolle als mögliche Material- und Elementquelle für Wüstenlack untersucht. Zusätzliche STXM-NEXAFS Messungen, Raman-Spektroskopie, umfangreiche PCR, qPCR und NGS Studien, EPR Messungen, lichtmikroskopische Untersuchungen, δ13C Messungen, sowie fluoreszenzmikroskopische Analysen von DAPI, DRAQ5 und OsO4 fixierten Dünnschliffen wurden durchgeführt, auf der Suche nach einem Beweis für eine biogene Genese von Wüstenlack. Es war möglich festzustellen, dass sich Wüstenlacke aus verschiedenen Umgebungen unterscheiden und dass der Begriff daher weiter unterteilt und kategorisiert werden muss. Die Spurenelementzusammensetzung der Mikrostruktur von Wüstenlack wurde ohne Kontamination durch das darunter befindliche Gestein ermittelt. Abbildungen von Nano- und Mikrostrukturen wurden für eine große Menge von Wüstenlackproben, die in unterschiedlichen Umgebungen gesammelt worden waren, bereitgestellt. Es war zusätzlich möglich, Mn-Oxidationsstufen im Nanometerbereich in einzelnen Proben in-situ zu ermitteln und zu lokalisieren. Hiermit konnte gezeigt werden, dass die Matrix in der Umgebung von Hohlräumen oft reduziert wurde, was einen Hinweis auf vorherige Redoxreaktionen darstellt. Auch war es möglich zu zeigen, dass hauptsächlich die feinkörnige Staubfraktion (<50 µm) zur Genese von Wüstenlacken in Wüsten beiträgt, Fahrzeugemissionen die Hauptquelle für Krusten in Stadtgebieten sind und dass Wasser die Elementquelle von Krusten in Spritzwasserzonen ist. In keiner Wüstenlackprobe wurde ein Hinweis auf eine mögliche biogene Genese gefunden, obwohl eine große Vielfalt von Tests durchgeführt wurde. Es wäre jedoch zu erwarten Organismen in den jüngsten Lagen, oder zumindest auf der Wüstenlack Oberflächen, zu finden, welche imstande sind Mn zu oxidieren. Daher erscheint eine abiogene Genese von Wüstenlack am plausibelsten. Zusätzlich zu den Messungen wurden auch technische Entwicklungen gemacht, wie beispielsweise die Entwicklung eines neuen Referenzmaterials für mikroanalytische Messungen von Mn-reichen Gesteinen, eine Kalibration für tragbare RFA-Messungen von dünnen Mn-reichen Lagen, und die Entwicklung einer Messtechnik, welche es erlaubt, Staubprobenmengen (z.B. Mineralstaub) im Femtogrammbereich mit hoher Präzision und Genauigkeit zu messen. Durch das Bereitstellen der technischen Entwicklungen und der großen Vielfalt an Informationen, sowohl über unterschiedliche Wüstenlacktypen als auch Details über einzelne Proben, wurden wichtige Grundsteine für zukünftige Untersuchungen geschaffen, welche mit dem Ziel, das Geheimnis der Entstehung des Wüstenlacks zu lüften, fortfahren können.
DDC-Sachgruppe: 550 Geowissenschaften
550 Earth sciences
Veröffentlichende Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Organisationseinheit: Externe Einrichtungen
MaxPlanck GraduateCenter
Veröffentlichungsort: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1730
Version: Original work
Publikationstyp: Dissertation
Nutzungsrechte: in Copyright
Informationen zu den Nutzungsrechten: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Umfang: ix, 177 Seiten
Enthalten in den Sammlungen:JGU-Publikationen

Dateien zu dieser Ressource:
Datei GrößeFormat 
100001599.pdf52.65 MBAdobe PDFÖffnen/Anzeigen