Advanced

Integrating fluvial processes into the global Si cycle

Frings, Patrick LU (2014) In LUNDQUA
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Kisel (Si) förekommer i alla naturliga vatten i form av löst kisel och är ett näringsämne för många växt- och djurarter. Löst kisel kommer ursprungligen från kiselhaltiga mineral som har vittrat. Vid vittringen går det åt koldioxid (CO2) och på så vis finns det ett samband mellan omsättningen av kisel och kol. Både upptag och vittring av kisel bidrar till att fördelningen av de stabila isotoperna av kisel (28Si, 29Si, 30Si) i vattnet ändras. Detta innebär att sammansättningen av kiselisotoper (uttryckt som promille, δ30Si) kan användas för att klargöra hur kisel har omsatts på till exempel sin väg från berggrund till hav. I den

globala kiselomsättningen är flödet av kisel från land till... (More)
Popular Abstract in Swedish

Kisel (Si) förekommer i alla naturliga vatten i form av löst kisel och är ett näringsämne för många växt- och djurarter. Löst kisel kommer ursprungligen från kiselhaltiga mineral som har vittrat. Vid vittringen går det åt koldioxid (CO2) och på så vis finns det ett samband mellan omsättningen av kisel och kol. Både upptag och vittring av kisel bidrar till att fördelningen av de stabila isotoperna av kisel (28Si, 29Si, 30Si) i vattnet ändras. Detta innebär att sammansättningen av kiselisotoper (uttryckt som promille, δ30Si) kan användas för att klargöra hur kisel har omsatts på till exempel sin väg från berggrund till hav. I den

globala kiselomsättningen är flödet av kisel från land till hav en viktig del. Den är viktig både som en sammanlagd produkt av den omsättning av kisel som skett på land och genom sitt bidrag till kiselomsättningen i havet. Den huvudsakliga delen av kiselflödet sker i rinnande vatten (i det som kallas det fluviala systemet) antingen i form av löst kisel eller som kisel i olika former bundet till partiklar. Det fluviala systemet kan ses som en serie filter, där kisel fastnar i flodbäddar och våtmarker, sjöar och reservoarer, och i kantzoner runt rinnande vatten och sjöar. Var och en av dessa filter kan förändra såväl mängden kisel som den isotopiska sammansättning av en flods kiselflöde på sätt som ännu inte är helt klargjorda.

Denna avhandling syftar till att förbättra förståelsen för de processer som kan få kiselflödena i floder att variera och den baseras dels på en sammanställning och tolkning av litteraturdata, dels på resultat från egna fältmätningar i tre stora avrinningsområden – Okavango, Ganges och Paraná.

Resultaten bekräftar att det inom det fluviala systemet sker en stor minskning av mängden löst kisel eftersom en del kisel fastnar i sjöars och reservoarers sediment under kortare eller längre perioder. Kisel kan även bindas in i växter eller kiselalger under växtsäsongen och därför kan flodbäddar och våtmarker fungera som källor eller som sänkor beroende på vilken tidsskala man studerar. Resultaten betonar också hur viktigt det är att ta hänsyn till biologiska, och inte enbart geokemiska, processer för förståelsen av global kiselomsättning. Sediment som transporteras med floder anses generellt vara relativt stabila och inte reagera med omgivningen, men vi kunde visa att den andel av sedimentet som kan frigöra löst kisel då det når havsvatten kan vara större än vad som tidigare antagits. Slutligen kan konstateras att frisläppande av löst kisel genom vittring av sediment inom det fluviala systemet (flodbäddar inräknade) är en långsam process. Trots detta kommer, åtminstone i Gangesområdet, den största delen av allt löst kisel ändå från denna process eftersom den största delen av detta avrinningsområde består av flodbäddar.

Från mätningar i floder världen över finns det drygt 500 δ30Si -värden på löst kisel, varav ett hundratal har tagits fram inom ramen för denna avhandling. Med ett medelvärde på +1.38‰ ± 0.50‰, så ligger löst kisel i floder genomgående över δ30Si -värdet i berggrunden. Värdena visar inte något tydligt samband med latitud eller koncentration av löst kisel i vattnet, men kontrolleras till viss del av hydrologiska förhållanden. Om man ser vittringen av kiselhaltiga mineral som en tvåstegsprocess där det först sker en mineralnedbrytning och sedan en omvandling av en del av det lösta till nya mineral, så är det främst i den senare processen som det sker ett urval av vilka kiselisotoper som används. Den andra processen omfattar även de kiselstrukturer som produceras av växter och djur. I förlängningen kan δ30Si-värdet i löst kisel i floder visa hur mycket av vattnets kisel som har omvandlats och tillsammans med flödeshastigheter användas för att uppskatta den ursprungliga vittringshastigheten av kisel.

Den gängse bilden är att vittringen av kiselhaltiga material beror på många samverkande processer, där exempelvis klimat och fysiska variabler spelar in. Denna avhandling ger ytterligare stöd för detta. (Less)
Abstract
Silicon (Si) is ubiqutious in natural waters as dissolved silica (DSi) and is used as a nutrient by many plant and animal species. DSi ultimately derives from the weathering of silicate minerals, a process which also consumes atmospheric CO2 and couples the silicon and carbon cycles. These processes, among others, impart observable fractionations to the stable isotopes of silicon, which makes the Si isotopic composition (expressed in per mil as δ30Si) a useful tracer. The most important term in the global Si balance is the flux of Si from land to oceans, which has interest both as the integrative product of the continental cycle and as the input to the ocean cycle. The vast majority of this flux is delivered via the fluvial system as both... (More)
Silicon (Si) is ubiqutious in natural waters as dissolved silica (DSi) and is used as a nutrient by many plant and animal species. DSi ultimately derives from the weathering of silicate minerals, a process which also consumes atmospheric CO2 and couples the silicon and carbon cycles. These processes, among others, impart observable fractionations to the stable isotopes of silicon, which makes the Si isotopic composition (expressed in per mil as δ30Si) a useful tracer. The most important term in the global Si balance is the flux of Si from land to oceans, which has interest both as the integrative product of the continental cycle and as the input to the ocean cycle. The vast majority of this flux is delivered via the fluvial system as both DSi and particulate silica phases. The fluvial system can be conceptualised as a series of filters, including alluvial deposits, floodplains and wetlands, lakes and reservoirs, and the hyporheic and ripararian zones, and each of these has the potential to modify the river Si flux in ways that are not well understood. Overall, this thesis aims to improve the understanding of processes that can alter the magnitude, form and isotopic composition of the river Si flux and is based on a synthesis of literature data and the results from field campaigns in three large watersheds – the Okavango, the Ganges and the Paraná.

Based on >500 published river DSi δ30Si values, including those developed in this thesis, the first order control on δ30Si is inferred to be the degree of incorporation of Si into secondary phases, including biogenic silica structures. River water DSi δ30Si values have an unweighted mean = +1.38‰ and are consistently above the δ30Si of their parent material. This thesis suggests that these values can be exploited to develop a metric of silicate weathering intensity, and therefore to correct observed DSi fluxes and derive initial silicate weathering rates.

Within the fluvial system there is a substantial reduction of the dissolved silica flux mediated by the development of a pool of silica sequestered in lake and reservoir sediments. This is a semi-permanent sink. There are similar pools in soils, alluvial deposits and wetlands that can act as sources or sinks. Together, the papers underscore the importance of incorporating biological processes into a mechanistic understanding of the global Si cycle. Finally, while particulate silicates carried by rivers are typically assumed to be relatively inert, we were able to show that the fraction of the sediment liable to release DSi when it enters seawater may be larger than previously thought. Overall, the fluvial filter is not just a simple conduit but instead actively processes Si in a way that needs to be better understood in order to understand and predict the magnitude, form and isotopic composition of Si fluxes from land to ocean. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Derry, Louis, Earth and Atmospheric Sciences, Cornell University, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
in
LUNDQUA
pages
161 pages
publisher
Department of Geology, Lund University
defense location
Pangea, Department of Geology
defense date
2014-10-31 13:15
ISSN
0281-3033
ISBN
978-91-87847-00-4
language
English
LU publication?
yes
id
373ffcbf-d7d6-41fd-849a-a9076ede40ff (old id 4695190)
date added to LUP
2014-10-09 16:28:36
date last changed
2016-09-19 08:44:51
@phdthesis{373ffcbf-d7d6-41fd-849a-a9076ede40ff,
  abstract     = {Silicon (Si) is ubiqutious in natural waters as dissolved silica (DSi) and is used as a nutrient by many plant and animal species. DSi ultimately derives from the weathering of silicate minerals, a process which also consumes atmospheric CO2 and couples the silicon and carbon cycles. These processes, among others, impart observable fractionations to the stable isotopes of silicon, which makes the Si isotopic composition (expressed in per mil as δ30Si) a useful tracer. The most important term in the global Si balance is the flux of Si from land to oceans, which has interest both as the integrative product of the continental cycle and as the input to the ocean cycle. The vast majority of this flux is delivered via the fluvial system as both DSi and particulate silica phases. The fluvial system can be conceptualised as a series of filters, including alluvial deposits, floodplains and wetlands, lakes and reservoirs, and the hyporheic and ripararian zones, and each of these has the potential to modify the river Si flux in ways that are not well understood. Overall, this thesis aims to improve the understanding of processes that can alter the magnitude, form and isotopic composition of the river Si flux and is based on a synthesis of literature data and the results from field campaigns in three large watersheds – the Okavango, the Ganges and the Paraná.<br/><br>
Based on &gt;500 published river DSi δ30Si values, including those developed in this thesis, the first order control on δ30Si is inferred to be the degree of incorporation of Si into secondary phases, including biogenic silica structures. River water DSi δ30Si values have an unweighted mean = +1.38‰ and are consistently above the δ30Si of their parent material. This thesis suggests that these values can be exploited to develop a metric of silicate weathering intensity, and therefore to correct observed DSi fluxes and derive initial silicate weathering rates.<br/><br>
Within the fluvial system there is a substantial reduction of the dissolved silica flux mediated by the development of a pool of silica sequestered in lake and reservoir sediments. This is a semi-permanent sink. There are similar pools in soils, alluvial deposits and wetlands that can act as sources or sinks. Together, the papers underscore the importance of incorporating biological processes into a mechanistic understanding of the global Si cycle. Finally, while particulate silicates carried by rivers are typically assumed to be relatively inert, we were able to show that the fraction of the sediment liable to release DSi when it enters seawater may be larger than previously thought. Overall, the fluvial filter is not just a simple conduit but instead actively processes Si in a way that needs to be better understood in order to understand and predict the magnitude, form and isotopic composition of Si fluxes from land to ocean.},
  author       = {Frings, Patrick},
  isbn         = {978-91-87847-00-4},
  issn         = {0281-3033},
  language     = {eng},
  pages        = {161},
  publisher    = {Department of Geology, Lund University},
  school       = {Lund University},
  series       = {LUNDQUA},
  title        = {Integrating fluvial processes into the global Si cycle},
  year         = {2014},
}