English Title: Kinetic fractionation of stable isotopes during speleothem formation in laboratory experiments

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Abstract

In dieser Arbeit wurden Laborexperimente zur Fraktionierung der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotope bei der Kalkfällung durchgeführt und die Einflüsse von Verdunstung und Kinetik auf die Isotopenfraktionierung untersucht. Die Experimente sollen das grundlegende Verständnis dieser Nicht-Gleichgewichtsprozesse verbessern. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sind für die paläoklimatische Interpretation der stabilen Isotope von Sintern notwendig. Bei den Experimenten wurde im Labor Kalk aus stehenden und fließenden Lösungen ausgefällt. Verdunstung führte zu einer starken Erhöhung von delta 18 O und einer schwächeren Erhöhung von delta 13 C. Bei der Kalkfällung aus stark übersättigten Lösungen wurde Kalzit und Vaterit ausgefällt. 18 O und 13 C waren hier ungefähr gleich stark angereichert (bis zu 0,9 �). Langsame CO2-Ausgasung aus einer stehenden Kalklösung bewirkte, dass der daraus ausgefällte Kalzit bezüglich delta 18 O im Gleichgewicht mit der Lösung stand, 13 C dagegen angereichert wurde. Der Effekt auf den Kohlenstoff war antiproportional zur Säulenhöhe der Lösung. Bei schneller CO2-Ausgasung kam es zu simultaner Anreicherung von 18 O und 13 C im ausgefällten Kalk. Die beiden delta-Werte waren korreliert. Damit konnte der sogenannte �Hendy-Effekt� erstmalig experimentell nachgewiesen und quantifiziert werden. Die experimentellen Daten stehen im Einklang mit Untersuchungen an natürlichen Sintern.

Translation of abstract (English)

In this work laboratory fractionation experiments of oxygen and carbon isotopes during carbonate deposition were carried out and the influence of evaporation and kinetics on the isotope fractionation were tested. The experiments aim to improve the basic understanding of these non-equilibrium processes. The results are important for the palaeoclimatic interpretation of speleothem stable isotopes. To test this, lime was precipitated from standing and flowing solutions. Evaporation led to a strong increase of delta 18 O and a weaker increase of delta 13 C. During the lime precipitation from strongly super-saturated solutions, calcite and vaterite were deposited. delta 18 O and 13 C were enriched to a similar extent (up to 0.9 �). Slow CO2 degassing from a standing lime solution resulted in the deposition of calcite. delta 18 O of the precipitated calcite was in equilibrium with the solution, whereas 13 C was enriched. The effect on the carbon was inversely proportional to the column height of the solution. When degassing of CO2 was fast, simultaneous enrichment of 18 O and 13 C occurred in the precipitated lime. Both delta-values were correlated. With this, the so-called �Hendy-Effect� was experimentally proved and quantified for the first time. The experimental data are consistent with results from natural speleothems.