Sedimentanreicherung und Verbreitung auf dem Eis als Ausdruck dynamischer Prozesse währen der Eisdrift

Die höchste Sedimentkonzentrationen wurden auf der Ober- fläch von mehrjährige Eisschollen gefunden. Dies deutet auf eine Verbindung zwischen dem Alter des Eises und dem Grad der Sediment- anreicherung hin. Aufgrund der heutigen thermodynamischen Prozesse (Kap.4.2.) zeigt die arktische Eisdecke einen jährliche Zyklus von Schmelzen an der Oberfläch und Gefrieren an der Unterseite, der sich auf einen Gleichgewichtszustand einpendelt (UNTERSTEINER 1990, WEEKS 1986). Partikeleinschlüss werden durch diesen Prozeà von einer Aufwärtswanderun in der Eissäul erfa§ (ZUBOV 1945).

Nach der durchschnittlich dreijährige Driftdauer (COLONY &

THORNDIKE 1985, KOCH 1945, VINJE &

FINNEKASA

1986) in der Transpo- lardrift kann so das ursprünglic feinverteilte Material aus bis zu 2 m 'turbidf-Eis (GOW & TUCKER 1990, UNTERSTEINER 1990) auf der Oberfläch angereichert werden.

Die im Makrobereich flächig Verteilung der Sedimente lös sich bei nähere Betrachtung in eine Vielzahl von Vertiefungen jeder Art, wie flachen Wannen, Rinnen und Löcher auf. Das Konzen- trationsmaximum wurde am Boden von Kryokonit-Löcher und Schmelz- wasserponds, in Schmelzwasserrinnen und -kanäle und auf dem Schmelzfuà ('icefoot') der Eisschollen gefunden. Dieses deutet auf eine Umverteilung des partikuläre Materials durch Windaktivitä

oder Schmelzwasserabfluà hin (NANSEN 1897, POSER 1933, STEINBOCK 1934). Das Sediment wird dabei aus morphologisch höhe liegenden Bereichen kommend durch fließende Schmelzwasser gesammelt. Die Tümpe und Wasserlöche könnte ebenso als Fallen fü das durch den Wind umverteilte Material (Schneedrift, Winddrift) wirken.

Vergleiche von Proben aus Schmelzwasserrinnen und -tümpel mit Proben von Preßeisrücke sekundäre Lagen im Eis und flächi an der Oberfläch verteilten Sedimenten zeigen keine signifikanten Unterschiede in der Seciimentcharakteristik, die auf eine Strfimungs- sortierung von Sand und Silt/Ton schließe lassen. Der hohe Grob- kornanteil einiger Proben ist nicht mit einer Verarmung der Fein- fraktion verbunden, so d& es sich vermutlich um ein Relikt des primäre Sedimenteintrags handelt und nicht auf Schmelzwasserein- fluà hinweist. Beobachtet wurde bis in Ca. 20 cm Tiefe ein Eindringen des sommerlichen Schmelzwasses in die Hohlräum und die Salzlaugenkanäle Mit dem gravitativen Ausfließe der Salzlaugen (WEEKS & ACKLEY 1982) und dem von der Oberfläch nachfließende

Schmelzwasser wär ein Transport von partikuläre Material bis in tiefere Eisschichten denkbar. Dieser Vorgang könnt die vereinzelten, gröbere Komponenten in 'sauberen' Abschnitten der Eiskerne erklären

Die Sedimentakkumulationen an Preßeisrück sind mit einer Umverteilung durch Schmelzwasser nicht zu erkläre und auch die bisherige Vorstellung einer Akkumulation durch Wind ist nicht immer haltbar. Die Anreicherungen erstreckten sich häufi nur übe einen kleinen Teil (1-2 m2) oder ein Segment eines Rückensystems An einigen Stellen waren die Sedimente auf den gegenüberliegende Seiten der Rückenkäm angereichert. Bei einer Umverteilung von Stellen mit hohen Sedimentkonzentration durch den Wind müßt die Sedimente übe größe Bereiche (mindestens 10er Meter) und einheitlich auf den windabgewandten Seiten angereichert sein. Die Korngrößenverteilu von Sedimenten aus solchen Lokationen zeigen ebenfalls keine Sortierungseffekte oder sonstige Unterschiede zu den übrige Eissedimenten, die auf einen Windtransport schließe lassen. Übe eine Veränderun der Oberflächentexture in diesen Proben konnte wegen der geringen Anzahl von geeigneten Quarzkör nern keine allgemeine Abschätzun gemacht werden.

Diese Art des Sedimentvorkommens auf der Eisoberfläch ent- steht vermutlich hauptsächlic durch 'Eistektonik'. Bei der Kom- pression der Eisschollen und anschließende Auftürmun von Preßeis rücke werden sedimenthaltige und saubere Schollenbruchstück ver- mengt. Durch die Absorption der Sonnenstrahlung schmilzt das Eis bervorzugt an Stellen mit inkorporiertem Sediment und die beobachteten Anreicherungen könne entstehen (s. Kap. 8.6.). Die sekundäre Lagen und Linsen im Eis sind sehr wahrscheinlich eben- falls auf die Vorgäng bei der Eisdrift zurückzuführe Beim Übereinanderschiebe von mehrjährige Eisschollen ('rafting') mit Sedimenten an der Eisoberfläch und dem Zusammenfrieren der Schollen könne die beobachteten Lagen entstehen (Abb. 43). Die häufi beobachtete diskordante Lagerung innerhalb der Eissäul (von Eisschichten und Sedimentlagen) stütze diese Vermutung.

Detaillierte Untersuchungen der Eiskristallographie zeigen, da granulares Schneeis in größer Tiefen solcher Eisschollen auftritt (PFIRMAN et al. 1989~). Damit wird die Entstehung von Lagen im Eis aufgrund von Eistektonik weiter erhärtet

Eine Ausnahme war die weit verbreitete Sedimentlage in der westlichen Barentssee. Dort trat eine scharf abgegrenzte Sediment- lage in 40 cm Tiefe der Eisdecke übe eine Distanz von Ca. 15 ^km auf. Ober- und unterhalb dieser Lage war das Eis visuell frei von partikuläre Material. Die durchschnittliche Eismächtigkei von Ca. 2 m läà auf zweijährige Eis schließen Die Entstehung dieser Sedimentlage ist zum Einen mit einem Absetzen des inkorporierten Sedimentes im frühe Stadium der Eisbildung, bevor der Eisbrei ('slush') konsolidiert, durch Wind- oder Wellenbewegung zu erklären Beim Gefrieren der 'slusht-Eislage, die 68-80 % Wasser enthält fließe Salzlaugen an der Eisunterseite aus und könne Sediment aus den Kristallzwischenräume spüle (CLAYTON et al.

1990, OSTERKAMP & GOSINK 1984). Eine weitere Erklärungsmöglichke wär die Umverteilung des Sedimentes durch den physikalischen Gefriervorgang (CLAYTON et al. 1990). Eine vorrückend Gefrierfront 'schiebt' feinkörnige Material vor sich her und reichert es in Lagen an. Dieser Vorgang ist wesentlich von der Geschwindigkeit der Eisbildung anhängig Je schneller das Gefrieren erfolgt, desto geringer ist die Umverteilung (CLAYTON et al. 1990). In Tankexperimenten wurde nachgewiesen, da bei diesem Vorgang eine Trennung nach Korngröß erfolgt. Gröber Partikel

wurden von dieser 'Wanderung' nicht erfaß (CLAYTON et al. 1990).

Eine Sortierung der Partikel oder eine Gradierung der Korngröà von der Oberfläch wurde nicht beobachtet. Es besteht aber die Möglichkeit da die Feinkörnigkei der Eissedimente einen solchen Prozeà nicht deutlich werden läß Nachdem die 'slusht-Eislage vollständi durchgefroren ist, wächs unter ruhigen Bedingungen sauberes Eis an der Unterseite. Die Tatsache, da die Sedimentlage eine scharf begrenzte obere Grenze und einen diffusen, undeutlich ausgeprägten häufi mit 'Ausläufern in das saubere Eis ragenden unteren Rand hatte, unterstütz diese Interpretation. Eine dritte Möglichkei der Entstehung wär Streà im frühe Stadium der Eisbil- dung. Nach OSTERKAMP & GOSINK (1984) führ Stress währen dieser Zeit zur Zusammenballung der 'frazilt-Kristalle. Signifikante statistische Aussagen übe die Verbreitung von Lagen im Eis sind aus technischen Gründe schwierig, da sie nur beim Durchbrechen der Eisdecke mit dem Schiff sichtbar werden. In Gebieten mit geringerer Eisbedeckung (<8/10) wird der Eisbrecher aber bevorzugt um die Eisschollen herum navigiert und mehrjährige Schollen mit intensiven Preßeisrück wird grundsStzlich ausgewichen.

Abb. 43: Entstehung von Lagen im Eis durch Überschiebunge ('rafting') und Zusammenfrieren von Eisschollen mit hohen Sediment- konzentrationen an der Oberfläche

Die Drift und die damit verbundene mechanische Bean- spruchung der Eisdecke beeinfluß auch im meso- und makroskaligen Bereich die Sediment-Verteilung. Die weitflächige (bis 15 X 15 km2) Sedimentkonzentrationen in der Transpolardrift und die Ein- bettung der mehrjährige 'schmutzigen' Eisschollen in sauberes und jüngere Eis in der Framstraß und der Grönlandss belegen diese Vermutung. Die graduelle Zunahme der Sedimentverbreitung auf dem Eis in Richtung auf die Transpolardrift ist zugleich ein deut- liches Indiz fü eine Anlieferung der 'schmutzigen' Eisschollen durch dieses Driftsystem. In der Framstraße der Barents- und Grönlandse vermischt sich das 'schmutzige' Eis mit lokal gebildetem 'sauberem' Eis. Dieses läà die Vermutung zu, da in den Liefergebieten der Transpolardrift in größer Umfang sediment- haltiges Meereis gebildet und mit der Transpolardrift übe den zentralen Arktischen Ozean transportiert wird.

Das relativ häufig Vorkommen von Holz im Meereis der Transpo-

mentkonzentration und Algenwachstum scheint nicht zu bestehen, da alle von Wasser bedeckten Eissedimente am Ende des Sommers hohe Algenkonzentrationen zeigten. Reaktionen der Kryofauna und -flora auf die An- bzw. Abwesenheit von Sediment oder spezialisierte Formen, die sich von den normalen Pool-Gemeinschaften unter- scheiden, wurden nicht beobachtet, bedürfe aber auch detaillier- ter Studien. Erschwerend ist hierfü der geringe Kenntnisstand übe die Ökologi der Lebensgemeinschaften auf, im und unter dem arktischen Eis (SPINDLER 1990). Die Algenkonzentrationen hänge nach eigenen Beobachtungen und anhand der untersuchten Proben primä von der Jahreszeit ab und weniger vom Grad des Sedimentge- haltes. Da sich die Kryokonitlöche aufgrund der Wärmeabsorptio der Eissedimente eintiefen und sich damit wahrscheinlich auch geringfügi die Wassertemperatur erhöht mag hier der Grund fü ein bevorzugtes oder spezielles Algenvorkommen liegen. Aus den chemischen Analysen der Eiskerne ergibt sich, da bei erhöhte Sedimentgehalten auch die Nährstoffverteilun Maxima zeigt (s.

Abb. 27). Diese könnt einen entscheidenden Einfluà auf die Algen- blute haben. Die Abhängigkei der Eisalgenblüt von saisonalen (Sonnenstand, Schneedecke) und regionalen Kriterien (Umgebungstemperatur, Wolkenbedeckung) verhindert Vergleiche des organischen Anteils von Proben, die zu unterschiedlichen Jahreszei- ten und bei unterschiedlichen Umweltbedingungen genommen wurden.

Ein weiterer wichtiger Faktor der Sedimenten auf oder im Eis ist der Einfluà auf die Lichtdurchlässigkei des Eises (Abb.

44).

Messungen ergaben, da feine Sedimentpartikel die Lichtdurchlässig keit vollständi blockieren könne (DUNTON et al. 1982) und zum vollständige Ausfall der Frühjahrsblü von Mikroalgen führe könne (ALEXANDER 1974, HSIAO 1980). Bei klarem, durchsichtigem (sauberem) Eis erhöh sich das lineare Wachstum von Braunalgen gegenübe Sediment-haltigem Eis um

35%

(DUNTON & SCHONBERG 1980).

Die Verbreitung von schmutzigem Meereis hat damit nachweisbar einschneidende Bedeutung auf die Primärproduktio und Biomasse.

Bei den sehr hohen C o - W e r t e n der Eissedimente von 2.1 Gew.%

(maximal

7

Gew.7;) TOC stellt sich die Frage, ob diese Gehalte durch die Eisalgen verursacht werden oder primä aus dem Eintrag detritischen organischen Materials beruhen. Fü eine Herkunft des organischen Materials aus einer verstärkte Primärproduktio im Eis sprechen die hohen Algenkonzentrationen in den Schmelzwasser- tümpel und Kryokonitlöchern Andererseits könnt das organische Material entweder aus einem Hochproduktionsgebiet oder aus einer terrigenen Anlieferung von detritischem Kohlenstoff (Kohle, Holz, Vegetationsreste) stammen. Eine Beurteilung der oxischen oder anoxischen Verhältniss im Ablagerungsraum kann nach BERNER (1984, 1989) das Verhältni zwischen organischem Kohlenstoff und reduzier- tem Schwefel im Sediment (C/S-Verhältnis ermöglichen Nach BERNER (1989) wird in normalen marinen Sedimenten in einer oxischen Wassersäul das Sulfat durch erhöhte Co;.-Gehalt reduziert (Abb.

45). Das CIS-Verhältni normaler mariner Sedimente (2.8) zeigt eine positive Korrelation zwischen Cop: und Schwefel (BERNER 1982). währen anoxische Sedimente deutlich niedrigere C/S-Ver- hältniss zeigen müßte Hohe C/S-Verhältniss dagegen sind im allgemeinen charakteristisch fü Süßwassersedimen (BERNER 1989).

Eine Ausnahme bilden Auftriebsgebiete (Hochproduktionsgebiete), in denen ähnlic hohe CIS-Verhältniss auch im marinen Milieu gemessen wurden.

\

^{'Core F-1:} Clear Ice

Core F-2: Sediment i n top 0.35 m

I I I l l I I

0.20 0.60 1.00 1.40

DEPTH BELOW ICE SURFACE ( m )

Abb.

44:

Lichtdurchlässigkei von Meereis in Abhängigkei von der Eismächtigkei dargestellt an einem sauberen und einem sediment- haltigem Eiskern (nach OSTERKAMP & GOSINK 1984).

Die hohen C/S-Verhältniss der Meereissedimente liegen deut- lich unter dem Identifikationsbereich 'normal-mariner' Sedimente (Abb.

45).

Sie korrelieren aber sehr gut mit den C/S-Verhältnisse von liminischen Sedimenten (BERNER 1989). Zunächs scheint dieses Ergebnis zu den reichen Algenblüte in den Süßwassertümp und Kryokonit-Löcher auf dem Eis zu passen. Es gibt jedoch einige widersprüchlich Faktoren, die dabei zu berücksichtige sind, denn es enthalten z.B. alle Eissedimente, auch die mit niedrigen Diatomeen-Gehalten hohe TOC-Werte. Die Oberflächensediment des Eurasischen Beckens zeigen im Vergleich zu anderen pelagischen Sedimenten ebenfalls allgemein hohe COFg-Werte von durch- schnittlich 0.96% (PAGELS freundl. pers. Mitt.). Diese könnt auf eine terrigene Zufuhr von organisch-reichem Material hinweisen.

Organisches Material, wie Kohle, Holz etc. wird wegen der geringen Dichte zusammen mit viel kleineren Korngröß mobili- siert. Fü den Sedimenteintrag könnt das bedeuten, da organi- sches Material in der Feinfraktion bei der Eisbildung auf den Schelfen aufgenommen wird, die ebenfalls hohe C o - W e r t e zeigen.

HOLMES (1967) beschreibt die hohen Gehalte an organischem Material in den Oberflächensedimente der Laptevsee (ca. 2 Gew.%) und führ diese auf den hohen Zellulosegehalt, der mit den Werten der Flüss korreliert, zurück NAUGLER (1967) und KULIKOV (1961) geben fü die Oberflächensediment der Ostsibirischen See und der Karasee

niedrige Gehalte von 0.4-1.45 Gew.% an, wobei die höhere Werte mit kleineren Korngröß korrelieren.

Abb. 45: Organischer Gehalt in Gewichtprozent aufgetragen gegen reduzierten Schwefel fü die Meereissedimente. Zum Vergleich ist der typische Korrelationsbereich normal-mariner Sedimente nach BERNER & RAISWELL (1984) angegeben.

Zumindest der Transport von kohligem Material als Erklärun fü die hohen Corã-Gehalt scheint nicht signifikant zu sein, da BOTZ & STOFFERS (1989) von dem vorwiegend kohligen Charakter des organischen Materials in Sedimentkernen aus der Framstraß berichten und zeigen, da die Gehalte in Richtung Spitsbergen zunehmen. Dieses deutet mehr auf einen lokalen Eintrag durch bestimmte Wassermassen oder Rutschungen hin und weniger auf Meer- eis. Ein Zusammenhang zwischen Pyrit-, Kohle- und Pflanzenrest- Gehalt und S-Gehalt konnte nicht bestimmt werden. Vermutlich spiegeln die C/S-Werte eine Kombination beider Prozesse wider. Die erhöhte C o - W e r t e aus Schmelzwasserponds und Kryokonitlöcher zeigen eindeutig eine Verbindung zum Algenwachstum. Die allgemein hohen C o - W e r t e in den Eissedimenten und das generell sehr niedrige C/S-Verhältni spricht fü einen hohen Anteil allochthonen organischen Materials in der Feinfraktion. Um genauere Bestimmungen durchzuführen wäre intensivere mikrosko- pische Analysen oder C/N-Messungen notwendig. Diese Arbeiten wäre im Rahmen der Ökologi und Primärproduktio der Eisflora sicher- lich von Interesse. Fü paläo-ozeanographisch Interpretationen sind diese Daten nicht zu verwenden, da unabhängi vom eingebrach- ten, primäre C/S-Signal alle Sedimente unter den oxischen Wasser- massen durch Reduktion des Sulfates in normal-marine Sedimente transferiert werden (BERNER 1984, 1989). Der hohe organische Anteil der Meereissedimente könnt unter bestimmten Umstände den- noch ein wertvolles Indiz fü Sedimentanlieferung durch Meereis zu sein. FORSBERG (1987) beschreibt den starken Anstieg der C o p g - Gehalte in der Barentssee beim Ubergang der pleistozäne zu den

holozäne Sedimenten. Aufgrund der Kombination mit anderen Parame- tern weist er auf die sehr gute Korrelation mit der jährliche Eisbedeckung hin. Ob der hohe organische Anteil nun primä aus dem Eis stammt oder nur sekundä (Eisrandlagen, Polynias) resultiert, bedarf in Zukunft sorgfältige organisch-petrographischer Arbei- ten.

Im Dokument Sedimenttransport durch das arktische Meereis: Die rezente lithogene und biogene Materialfracht Sediment transport by Arctic Sea Ice: The recent load of lithogenic and biogenic material Ingo Wollenburg (Seite 87-94)