Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-3216
Authors: Stückrad, Stefan
Title: Räumliche Verbreitung geogener Schwermetallgehalte in Böden des Taunus: Einfluss von periglazialer Deckschichtengenese
Online publication date: 5-Dec-2008
Language: german
Abstract: Während der Glazialphasen kam es in den europäischen Mittelgebirgen bedingt durch extensive solifluidale Massenbewegungen zur Bildung von Deckschichten. Diese Deckschichten repräsentieren eine Mischung verschiedener Substrate, wie anstehendes Ausgangsgestein, äolische Depositionen und lokale Erzgänge. Die räumliche Ausdehnung der Metallkontaminationen verursacht durch kleinräumige Erzgänge wird durch die periglaziale Solifluktion verstärkt. Das Ziel der vorliegenden Untersuchung war a) den Zusammenhang zwischen den Reliefeigenschaften und den Ausprägungen der solifluidalen Deckschichten und Böden aufzuklären, sowie b) mittels Spurenelementgehalte und Blei-Isotopen-Verhältnisse als Eingangsdaten für Mischungsmodelle die Beitrage der einzelnen Substrate zum Ausgangsmaterial der Bodenbildung zu identifizieren und quantifizieren und c) die räumliche Verteilung von Blei (Pb) in Deckschichten, die über Bleierzgänge gewandert sind, untersucht, die Transportweite des erzbürtigen Bleis berechnet und die kontrollierenden Faktoren der Transportweite bestimmt werden. Sechs Transekte im südöstlichen Rheinischen Schiefergebirge, einschließlich der durch periglaziale Solifluktion entwickelten Böden, wurden untersucht. Die bodenkundliche Geländeaufnahme erfolgte nach AG Boden (2005). O, A, B und C-Horizontproben wurden auf ihre Spurenelementgehalte und teilweise auf ihre 206Pb/207Pb-Isotopenverhältnisse analysiert. Die steuernden Faktoren der Verteilung und Eigenschaften periglazialer Deckschichten sind neben der Petrographie, Reliefeigenschaften wie Exposition, Hangneigung, Hangposition und Krümmung. Die Reliefanalyse zeigt geringmächtige Deckschichten in divergenten, konvexen Hangbereichen bei gleichzeitig hohem Skelettgehalt. In konvergent, konkaven Hangbereichen nimmt die Deckschichtenmächtigkeit deutlich zu, bei gleichzeitig zunehmendem Lösslehm- und abnehmendem Skelettgehalt. Abhängig von den Reliefeigenschaften und -positionen reichen die ausgeprägten Bodentypen von sauren Braunerden bis hin zu Pseudogley-Parabraunerden. Des Weiteren kommen holozäne Kolluvien in eher untypischen Reliefpositionen wie langgestreckten, kaum geneigten Hangbereichen oder Mittelhangbereichen vor. Außer für Pb bewegen sich die Spurenelementgehalte im Rahmen niedriger Hintergrundgehalte. Die Pb-Gehalte liegen zwischen 20-135 mg kg-1. Abnehmende Spurenelementgehalte und Isotopensignaturen (206Pb/207Pb-Isotopenverhältnisse) von Pb zeigen, dass nahezu kein Pb aus atmosphärischen Depositionen in die B-Horizonte verlagert wurde. Eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) der Spurenelementgehalte hat vier Hauptsubstratquellen der untersuchten B-Horizonte identifiziert (Tonschiefer, Löss, Laacher-See-Tephra [LST] und lokale Pb-Erzgänge). Mittels 3-Komponenten-Mischungsmodell, das Tonschiefer, Löss und LST einschloss, konnten, bis auf 10 Ausreißer, die Spurenelementgehalte aller 120 B-Horizontproben erklärt werden. Der Massenbeitrag des Pb-Erzes zur Substratmischung liegt bei <0,1%. Die räumliche Pb-Verteilung zeigt Bereiche lokaler Pb-Gehaltsmaxima hangaufwärtiger Pb-Erzgänge. Mittels eines 206Pb/207Pb-Isotopenverhältnis-Mischungsmodells konnten 14 Bereiche erhöhter lokaler Pb-Gehaltsmaxima ausgewiesen werden, die 76-100% erzbürtigen Bleis enthalten. Mit Hilfe eines Geographischen Informationssystems wurden die Transportweiten des erzbürtigen Bleis mit 30 bis 110 m bestimmt. Die steuerenden Faktoren der Transportweite sind dabei die Schluffkonzentration und die Vertikalkrümmung. Diese Untersuchung zeigt, dass Reliefeigenschaften und Reliefposition einen entscheidenden Einfluss auf die Ausprägung der Deckschichten und Böden im europäischen Mittelgebirgsbereich haben. Mischungsmodelle in Kombination mit Spurenelementanalysen und Isotopenverhältnissen stellen ein wichtiges Werkzeug zur Bestimmung der Beiträge der einzelnen Glieder in Bodensubstratmischungen dar. Außerdem können lokale Bleierzgänge die natürlichen Pb-Gehalte in Böden, entwickelt in periglazialen Deckschichten der letzten Vereisungsphase (Würm), bis über 100 m Entfernung erhöhen.
During the periglacial period in central European middle mountains, extensive solifluctional mass movements induced the genesis of cover beds. These cover beds represent a mixture of different substrates including bedrock, aeolian deposits and local ores. The spatial extent of metal contamination caused by small-scale ore veins is increased by periglacial solifluction. My study aimed at a) detecting the relationship between relief properties and properties of the solifluction layers and soils, b) identifying and quantifying the contribution of different substrates to the parent material for recent soil development using trace metal concentrations and Pb isotope ratios as input data for end-member mixing analyses (EMMA) and c) further to examine the spatial distribution of Pb in cover beds that migrated over Pb ore veins, to calculate the transport distance of ore-derived Pb, and to determine controls of the transport distance. Six transects in the Rhenish Slate Mountains were examined comprising soils developed from periglacial drift. Soils were mapped according to the German soil classification. O, A, B and C horizons were analyzed for total trace metal concentrations and partly also 206Pb/207Pb ratios. The main factors considered influencing the distribution and properties of the periglacial drift were the petrography, exposition, slope position, inclination and relief properties. Relief analysis show only thin cover beds at divergent, convex slope positions (with a high stone content) leading to increased cover bed thickness in convergent, concave slope positions (high content fraction <2mm and rich in loess loam). According to the relief properties and position the soil types range from acid Cambisols to stagnic Luvisols. Holocene colluviums occur at rather untypical positions like middle slopes and long stretched slopes without inclination. Trace metal concentrations were in the low background range except for Pb. The Pb concentrations ranged from 20 to 135 mg kg-1. Decreasing metal concentrations and the isotopic signature (206Pb/207Pb ratio) of Pb indicated that almost no Pb deposited from the atmosphere had reached the B horizons. A principal component analysis (PCA) of the trace element concentrations identified four main sources of substrates of the studied B horizons (bedrock [slate], loess, Laacher-See Tephra [LST] and local Pb-ore veins). A three end-member mixing model including slate, loess and LST almost explained the trace metal composition of all 120 B horizons except for 10 outliers. The mass contribution of the Pb ore to the substrate mixture ranged around <0.1%. The spatial Pb distribution shows local concentration maxima containing Pb from ore veins upslope. With an end-member-mixing model using the 206Pb/207Pb ratio 14 peaks containing 76-100% of ore-derived Pb were confirmed. By the use of a geographical information system, the transport distance of this Pb was determined to range between 30 and 110 m. Silt concentrations and the relief curvature were major controls of the transport distance. My study demonstrates that relief properties and position have a decisive influence on the development of cover beds and soils in european middle mountains. End-member mixing analyses in combination with trace element analyses and isotope ratios provide a powerful tool for determing the contribution of different members in soil substrate mixture. Furthermore Pb ore veins can increase native soil Pb concentrations in soils derived from the periglacial drift of the last ice age (Wuerm) up to a distance of more than 100 m.
DDC: 550 Geowissenschaften
550 Earth sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3216
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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