Published September 1, 2018
| Version v1
Publication
Open
Iron cycling and stable Fe isotope fractionation in Antarctic shelf sediments, King George Island
- 1. University of Bremen
- 2. Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung
- 3. Heidelberg University
- 4. Instituto Nacional del Agua
- 5. University of Cologne
Description
Iron (Fe) fluxes from reducing sediments and subglacial environments are potential sources of bioavailable Fe into the Southern Ocean. Stable Fe isotopes (δ56Fe) are considered a proxy for Fe sources and reaction pathways, but respective data are scarce and Fe cycling in complex natural environments is not understood sufficiently to constrain respective δ56Fe "endmembers" for different types of sediments, environmental conditions, and biogeochemical processes. We present δ56Fe data from pore waters and sequentially extracted sedimentary Fe phases of two contrasting sites in Potter Cove (King George Island, Antarctic Peninsula), a bay that is affected by fast glacier retreat. Sediments close to the glacier front contain more easily reducible Fe oxides and pyrite and show a broader ferruginous zone, compared to sediments close to the ice-free coast, where surficial oxic meltwater streams discharge into the bay. Pyrite in sediments close to the glacier front predominantly derives from eroded bedrock. For the high amount of easily reducible Fe oxides proximal to the glacier we suggest mainly subglacial sources, where Fe liberation from comminuted material beneath the glacier is coupled to biogeochemical weathering processes (likely pyrite oxidation or dissimilatory iron reduction, DIR). Our strongest argument for a subglacial source of the highly reactive Fe pool in sediments close to the glacier front is its predominantly negative δ56Fe signature that remains constant over the whole ferruginous zone. This implies in-situ DIR does not significantly alter the stable Fe isotope composition of the accumulated Fe oxides. The nonetheless overall light δ56Fe signature of easily reducible Fe oxides suggests pre-depositional microbial cycling as it occurs in potentially anoxic subglacial environments. The strongest 56Fe-depletion in pore water and most reactive Fe oxides was observed in sediments influenced by oxic meltwater discharge. The respective site showed a condensed redox zonation and a pore water δ56Fe profile typical for in-situ Fe cycling. We demonstrate that the potential of pore water δ56Fe as a proxy for benthic Fe fluxes is not straight-forward due to its large variability in marine shelf sediments at small spatial scales (−2.4‰ at the site proximal to oxic meltwater discharge vs. −0.9‰ at the site proximal to the marine glacier terminus, both at 2 cm sediment depth). The controlling factors are multifold and include the amount and reactivity of reducible Fe oxides and organic matter, the isotopic composition of the primary and secondary ferric substrates, sedimentation rates, and physical reworking (bioturbation, ice scraping). The application of δ56Fe geochemistry may prove valuable in investigating biogeochemical weathering and Fe cycling in subglacial environments. This requires, however (similarly to the use of δ56Fe for the quantification of benthic fluxes), that the spatial and temporal variability of the isotopic endmember is known and accounted for. Since geochemical data from subglacial environments are very limited, further studies are needed in order to sufficiently assess Fe cycling and fractionation at glacier beds and the composition of discharges from those areas.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تعد تدفقات الحديد (الحديد) من الرواسب المختزلة والبيئات تحت الجليدية مصادر محتملة للحديد المتوفر بيولوجيًا في المحيط الجنوبي. تعتبر نظائر الحديد المستقرة (δ 56 Fe) وكيلًا لمصادر الحديد ومسارات التفاعل، ولكن البيانات ذات الصلة نادرة ولا يُفهم دوران الحديد في البيئات الطبيعية المعقدة بشكل كافٍ لتقييد "الأعضاء النهائية" δ 56 Fe لأنواع مختلفة من الرواسب والظروف البيئية والعمليات الجيوكيميائية الحيوية. نقدم بيانات δ 56Fe من المياه المسامية ومراحل الحديد الرسوبية المستخرجة بالتتابع لموقعين متناقضين في بوتر كوف (جزيرة الملك جورج، شبه الجزيرة القطبية الجنوبية)، وهو خليج يتأثر بالتراجع السريع للأنهار الجليدية. تحتوي الرواسب القريبة من جبهة الأنهار الجليدية على أكاسيد الحديد والبيريت القابلة للاختزال بسهولة أكبر وتظهر منطقة حديدية أوسع، مقارنة بالرواسب القريبة من الساحل الخالي من الجليد، حيث تتدفق تيارات المياه الذائبة المؤكسدة السطحية إلى الخليج. البيريت في الرواسب القريبة من الجبهة الجليدية مشتق في الغالب من حجر الأساس المتآكل. بالنسبة للكمية العالية من أكاسيد الحديد القابلة للاختزال بسهولة القريبة من النهر الجليدي، نقترح بشكل أساسي المصادر تحت الجليدية، حيث يقترن تحرير الحديد من المواد المفتتة تحت النهر الجليدي بعمليات التجوية الجيوكيميائية الحيوية (أكسدة البيريت المحتملة أو اختزال الحديد غير المتماثل، DIR). إن أقوى حجة لدينا لمصدر تحت جليدي لبركة الحديد عالية التفاعل في الرواسب القريبة من جبهة النهر الجليدي هي توقيع δ 56Fe السلبي في الغالب والذي يظل ثابتًا على المنطقة الحديدية بأكملها. وهذا يعني أن DIR في الموقع لا يغير بشكل كبير تركيبة نظائر الحديد المستقرة لأكاسيد الحديد المتراكمة. ومع ذلك، فإن علامة الضوء الكلي δ 56Fe لأكاسيد الحديد القابلة للاختزال بسهولة تشير إلى دورة ميكروبية قبل الترسيب كما يحدث في البيئات تحت الجليدية التي يحتمل أن تكون ناقصة الأكسجين. ولوحظ أقوى استنفاد 56Fe في المياه المسامية وأكاسيد الحديد الأكثر تفاعلاً في الرواسب المتأثرة بتصريف المياه الذائبة المؤكسدة. أظهر الموقع المعني تقسيمًا مكثفًا للأكسدة المختزلة وملف تعريف للمياه المسامية δ 56Fe نموذجي لركوب الدراجات في الموقع. نثبت أن إمكانات المياه المسامية δ 56Fe كبديل لتدفقات الحديد القاعية ليست مستقيمة للأمام بسبب تقلبها الكبير في رواسب الجرف البحري على نطاقات مكانية صغيرة (−2.4‰ في الموقع القريب من تصريف المياه الذائبة المؤكسدة مقابل −0.9‰ في الموقع القريب من محطة الأنهار الجليدية البحرية، وكلاهما على عمق 2 سم من الرواسب). عوامل التحكم متعددة الجوانب وتشمل كمية وتفاعل أكاسيد الحديد والمواد العضوية القابلة للاختزال، والتركيب النظيري لركائز الحديديك الأولية والثانوية، ومعدلات الترسيب، وإعادة العمل الفيزيائي (التعكير الحيوي، وكشط الجليد). قد يكون تطبيق الكيمياء الجيولوجية δ 56Fe مفيدًا في التحقيق في التجوية الجيوكيميائية الحيوية ودورة الحديد في البيئات تحت الجليدية. هذا يتطلب، مع ذلك، (على غرار استخدام δ 56 Fe للقياس الكمي للتدفقات القاعية)، أن يكون التباين المكاني والزماني للعضو النهائي النظائري معروفًا ومحتسبًا. نظرًا لأن البيانات الجيوكيميائية من البيئات تحت الجليدية محدودة للغاية، فهناك حاجة إلى مزيد من الدراسات من أجل تقييم دورة الحديد والتجزئة بشكل كافٍ في طبقات الأنهار الجليدية وتكوين التصريفات من تلك المناطق.Translated Description (French)
Les flux de fer (Fe) provenant de la réduction des sédiments et des environnements sous-glaciaires sont des sources potentielles de Fe biodisponible dans l'océan Austral. Les isotopes stables du Fe (δ56Fe) sont considérés comme une approximation des sources de Fe et des voies de réaction, mais les données respectives sont rares et le cycle du Fe dans des environnements naturels complexes n'est pas suffisamment compris pour contraindre les « membres terminaux » respectifs du δ56Fe pour différents types de sédiments, conditions environnementales et processus biogéochimiques. Nous présentons des données δ56Fe provenant des eaux interstitielles et des phases sédimentaires de Fe extraites séquentiellement de deux sites contrastés de Potter Cove (île King George, péninsule antarctique), une baie affectée par le recul rapide des glaciers. Les sédiments proches du front du glacier contiennent des oxydes de Fe et de la pyrite plus facilement réductibles et présentent une zone ferrugineuse plus large, par rapport aux sédiments proches de la côte libre de glace, où les cours d'eau de fonte oxic superficiels se déversent dans la baie. La pyrite dans les sédiments près du front du glacier provient principalement du substrat rocheux érodé. Pour la grande quantité d'oxydes de Fe facilement réductibles à proximité du glacier, nous suggérons principalement des sources sous-glaciaires, où la libération de Fe des matériaux broyés sous le glacier est couplée à des processus d'altération biogéochimique (oxydation probable de la pyrite ou réduction dissemblable du fer, DIR). Notre argument le plus fort en faveur d'une source sous-glaciaire du pool de Fe hautement réactif dans les sédiments proches du front glaciaire est sa signature δ56Fe principalement négative qui reste constante sur toute la zone ferrugineuse. Cela implique que la DIR in situ ne modifie pas de manière significative la composition isotopique stable des oxydes de Fe accumulés. La signature δ56Fe néanmoins lumineuse globale d'oxydes de Fe facilement réductibles suggère un cyclage microbien pré-dépositionnel tel qu'il se produit dans des environnements sous-glaciaires potentiellement anoxiques. La plus forte déplétion en 56Fe dans l'eau interstitielle et les oxydes de Fe les plus réactifs a été observée dans les sédiments influencés par la décharge d'eau de fonte oxydique. Le site respectif a montré une zonation redox condensée et un profil d'eau interstitielle δ56Fe typique du cycle du Fe in situ. Nous démontrons que le potentiel de l'eau interstitielle δ56Fe en tant que substitut des flux de Fe benthiques n'est pas direct en raison de sa grande variabilité dans les sédiments de la plate-forme marine à de petites échelles spatiales (−2,4‰ au site proximal de la décharge de l'eau de fonte oxique contre −0,9‰ au site proximal de l'extrémité du glacier marin, à la fois à 2 cm de profondeur des sédiments). Les facteurs de contrôle sont multiples et comprennent la quantité et la réactivité des oxydes de Fe réductibles et de la matière organique, la composition isotopique des substrats ferriques primaires et secondaires, les taux de sédimentation et le remaniement physique (bioturbation, raclage de la glace). L'application de la géochimie δ56Fe peut s'avérer utile dans l'étude de l'altération biogéochimique et du cycle du Fe dans les environnements sous-glaciaires. Cela nécessite, cependant (de la même manière que l'utilisation de δ56Fe pour la quantification des flux benthiques), que la variabilité spatiale et temporelle de l'extrémité isotopique soit connue et prise en compte. Étant donné que les données géochimiques des environnements sous-glaciaires sont très limitées, d'autres études sont nécessaires afin d'évaluer suffisamment le cycle et le fractionnement du Fe dans les lits de glaciers et la composition des rejets de ces zones.Translated Description (Spanish)
Los flujos de hierro (Fe) de la reducción de sedimentos y ambientes subglaciales son fuentes potenciales de Fe biodisponible en el Océano Austral. Los isótopos estables de Fe (δ56Fe) se consideran un sustituto de las fuentes de Fe y las vías de reacción, pero los datos respectivos son escasos y el ciclo de Fe en entornos naturales complejos no se entiende lo suficiente como para restringir los respectivos "miembros finales" de δ56Fe para diferentes tipos de sedimentos, condiciones ambientales y procesos biogeoquímicos. Presentamos datos de δ56Fe de aguas porosas y fases de Fe sedimentarias extraídas secuencialmente de dos sitios contrastantes en Potter Cove (Isla Rey Jorge, Península Antártica), una bahía que se ve afectada por el rápido retroceso de los glaciares. Los sedimentos cercanos al frente del glaciar contienen óxidos de Fe y pirita más fácilmente reducibles y muestran una zona ferruginosa más amplia, en comparación con los sedimentos cercanos a la costa libre de hielo, donde las corrientes superficiales de agua de deshielo óxica se descargan en la bahía. La pirita en los sedimentos cercanos al frente del glaciar deriva predominantemente del lecho rocoso erosionado. Para la alta cantidad de óxidos de Fe fácilmente reducibles proximales al glaciar, sugerimos principalmente fuentes subglaciales, donde la liberación de Fe del material triturado debajo del glaciar se combina con procesos de meteorización biogeoquímica (probable oxidación de pirita o reducción de hierro disimilar, DIR). Nuestro argumento más fuerte a favor de una fuente subglacial de la piscina de Fe altamente reactiva en sedimentos cercanos al frente del glaciar es su firma δ56Fe predominantemente negativa que permanece constante en toda la zona ferruginosa. Esto implica que DIR in situ no altera significativamente la composición isotópica estable de Fe de los óxidos de Fe acumulados. Sin embargo, la firma general de luz δ56Fe de óxidos de Fe fácilmente reducibles sugiere un ciclo microbiano predeposicional como ocurre en entornos subglaciales potencialmente anóxicos. El agotamiento de 56Fe más fuerte en el agua de poros y la mayoría de los óxidos de Fe reactivos se observó en sedimentos influenciados por la descarga de agua de deshielo óxica. El sitio respectivo mostró una zonación redox condensada y un perfil de agua porosa δ56Fe típico para el ciclo de Fe in situ. Demostramos que el potencial del agua porosa δ56Fe como un indicador de los flujos de Fe bentónico no es directo debido a su gran variabilidad en los sedimentos de la plataforma marina a pequeñas escalas espaciales (−2.4‰ en el sitio proximal a la descarga de agua de deshielo óxica frente a −0.9‰ en el sitio proximal al término del glaciar marino, ambos a 2 cm de profundidad del sedimento). Los factores de control son múltiples e incluyen la cantidad y reactividad de los óxidos de Fe reducibles y la materia orgánica, la composición isotópica de los sustratos férricos primarios y secundarios, las tasas de sedimentación y el retrabajo físico (bioturbación, raspado de hielo). La aplicación de la geoquímica de δ56Fe puede resultar valiosa para investigar la meteorización biogeoquímica y el ciclo del Fe en entornos subglaciales. Sin embargo, esto requiere (de manera similar al uso de δ56Fe para la cuantificación de flujos bentónicos), que se conozca y se tenga en cuenta la variabilidad espacial y temporal del miembro final isotópico. Dado que los datos geoquímicos de los entornos subglaciales son muy limitados, se necesitan más estudios para evaluar suficientemente el ciclo y el fraccionamiento del Fe en los lechos glaciares y la composición de las descargas de esas áreas.Files
Henkel_et_al_2018_post-print.pdf.pdf
Files
(1.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:95f115009f88591d5e5dae42a85f8980
|
1.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- دورة الحديد وتجزئة نظائر الحديد المستقرة في رواسب الجرف القطبي الجنوبي، جزيرة الملك جورج
- Translated title (French)
- Cycle du fer et fractionnement stable des isotopes de Fe dans les sédiments de la plate-forme antarctique, île King George
- Translated title (Spanish)
- Ciclo del hierro y fraccionamiento estable de isótopos de Fe en sedimentos de la plataforma antártica, Isla Rey Jorge
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2825314149
- DOI
- 10.1016/j.gca.2018.06.042
References
- https://openalex.org/W1490214694
- https://openalex.org/W1525830075
- https://openalex.org/W1554035627
- https://openalex.org/W1568931658
- https://openalex.org/W1582141727
- https://openalex.org/W1964215238
- https://openalex.org/W1967199319
- https://openalex.org/W1975357690
- https://openalex.org/W1975493586
- https://openalex.org/W1976455066
- https://openalex.org/W1977541820
- https://openalex.org/W1978530465
- https://openalex.org/W1980636688
- https://openalex.org/W1982581483
- https://openalex.org/W1984471612
- https://openalex.org/W1984854172
- https://openalex.org/W1990538052
- https://openalex.org/W1990648220
- https://openalex.org/W1993013648
- https://openalex.org/W1995182573
- https://openalex.org/W1996532001
- https://openalex.org/W1997482815
- https://openalex.org/W2000749938
- https://openalex.org/W2007181472
- https://openalex.org/W2007443159
- https://openalex.org/W2008772238
- https://openalex.org/W2009251917
- https://openalex.org/W2009278249
- https://openalex.org/W2010017574
- https://openalex.org/W2011832392
- https://openalex.org/W2016523637
- https://openalex.org/W2016576552
- https://openalex.org/W2016925372
- https://openalex.org/W2018041521
- https://openalex.org/W2021289303
- https://openalex.org/W2022150898
- https://openalex.org/W2023771992
- https://openalex.org/W2027433779
- https://openalex.org/W2027769809
- https://openalex.org/W2028594681
- https://openalex.org/W2030640705
- https://openalex.org/W2033338965
- https://openalex.org/W2035398133
- https://openalex.org/W2035398640
- https://openalex.org/W2039283916
- https://openalex.org/W2040710238
- https://openalex.org/W2041412024
- https://openalex.org/W2048623170
- https://openalex.org/W2048795567
- https://openalex.org/W2052099565
- https://openalex.org/W2062192005
- https://openalex.org/W2063948072
- https://openalex.org/W2069728347
- https://openalex.org/W2069742136
- https://openalex.org/W2070155685
- https://openalex.org/W2070327457
- https://openalex.org/W2071704543
- https://openalex.org/W2073177663
- https://openalex.org/W2074797379
- https://openalex.org/W2075357311
- https://openalex.org/W2084013503
- https://openalex.org/W2084925623
- https://openalex.org/W2084983188
- https://openalex.org/W2089297562
- https://openalex.org/W2091913250
- https://openalex.org/W2094242604
- https://openalex.org/W2095973991
- https://openalex.org/W2096076507
- https://openalex.org/W2100489026
- https://openalex.org/W2102201951
- https://openalex.org/W2107297476
- https://openalex.org/W2111761293
- https://openalex.org/W2120918440
- https://openalex.org/W2124248622
- https://openalex.org/W2126770601
- https://openalex.org/W2127816677
- https://openalex.org/W2129801818
- https://openalex.org/W2137899037
- https://openalex.org/W2137947148
- https://openalex.org/W2139633475
- https://openalex.org/W2142948075
- https://openalex.org/W2147547928
- https://openalex.org/W2149387158
- https://openalex.org/W2150278364
- https://openalex.org/W2152300282
- https://openalex.org/W2155190299
- https://openalex.org/W2161582133
- https://openalex.org/W2163125517
- https://openalex.org/W2165270893
- https://openalex.org/W2190193008
- https://openalex.org/W2235766033
- https://openalex.org/W2265092492
- https://openalex.org/W2307925671
- https://openalex.org/W2323650771
- https://openalex.org/W2323898017
- https://openalex.org/W2324569905
- https://openalex.org/W2510020395
- https://openalex.org/W2538371030
- https://openalex.org/W2569021949
- https://openalex.org/W2581094074
- https://openalex.org/W2589005865
- https://openalex.org/W2611993208
- https://openalex.org/W2621858950
- https://openalex.org/W2622409249
- https://openalex.org/W2774927980
- https://openalex.org/W2802475424
- https://openalex.org/W3115006375
- https://openalex.org/W4250897673
- https://openalex.org/W602461645