Die Untersuchung geophysikalischer Eigenschaften anhand von Bohrlochdaten und deren Verlinkung mit der Mineralogie in Kernen des ICDP Lake Junin Bohrprojekts in Peru

• Antragstellerin: Dr. Simona Pierdominici
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie ; Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 339093449

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die petrohysikalischen Eigenschaften der lakustrinen Sedimente des Junín-Sees in Peru (Lake Junín) wurde mit Hilfe von Bohrlochmessungen, und anhand von erbohrten Gesteinen untersucht und verglichen. Der Junín See liegt in 4082 m Höhe in den Anden und ist durch ein dickes Sedimentpaket gekennzeichnet, in dem sich Karbonate und gletscherzeitliche Schluffe mit dünnen Torf- und organisch geprägten Schlammschichten abwechseln. Mehrere Gletscherzyklen überspannten den See, wobei dieser während der letzten 700 ka zu keinem Zeitpunkt von Gletschereis bedeckt war. Das Projekt hatte drei Hauptziele: i. die Rekonstruktion der Sedimentation des Junín-Sees mithilfe von Clusteranalysen; ii. die Untersuchung paläoklimatischer Zusammenhänge, um ein Alters-Tiefen- Modell zu erstellen, und die Sedimentationsrate mit Hilfe einer Reihe zyklostratigraphischer Methoden abzuschätzen; iii. die Verknüpfung von Bohrlochdaten mit der Mineralogie und Tonmineralogie ausgewählter Bohrkerne, um Unterschiede in der Art der Sedimentation im Laufe der Zeit zu ermitteln. Das Projekt stellt ein Novum in diesem Forschungsbereich dar, weil die Verwendung von Bohrlochdaten in Seen für die zyklostratigraphische Interpretation recht selten ist. Zusätzlich soll ein Vergleich der Bohrlochdaten mit der Mineralogie und Geochemie der Bohrkerne die Interpretation der Bohrlochdaten unterstützen und festigen. Die Anwendung statistischer Methoden (TimeOpt, Astronomical Spectral Misfit-ASM) ermöglichte die Erstellung eines Alterstiefenmodells aus den Bohrlochdaten, da der astronomische Einfluss auf das Klima in lakustrinen Sedimenten nachweisbar ist. Für das Alterstiefenmodell vergleichen wir die Schwangkungen der natürlichen Gammastrahlung in Bohrlochdaten (GR, SGR) mit der benthischen Sauerstoffisotopenkurve LR04. Die Auswertung der GR-Daten ergibt, dass der See bis vor etwa 630 ka von mehreren glazial-interglazialen Zyklen (MIS 5 bis 17) beeinflusst worden ist. Die Sedimentationsrate ist stabil und zeigt ein zyklisches Verhalten im Intervall ~20-80 mblf mit einer Zyklizität von ~10 m, welche wir durch die Kombination der Messungen totaler und spektraler natürlicher Gammastralung mit der ASM-Methode identifizieren konnten. Weiterhin können wir das Alters-Tiefen-Modell rekonstruieren und die Sedimentationsrate (~15 cm/ka) abschätzen. Der Vergleich unserer Ergebnisse mit denen der Kernanalyse ergibt eine hohe und konsistente Korrelation. Unsere Ergebnisse zeigen weiterin, dass diese Methode eine sinnvolle Ergänzung zur Ermittelung eines Altesmodels für den Fall sein kann, dass keine oder nur unvollständig Bohrkerne geborgen werden können. Weiterhin wurden magnetische Suszeptibilität (MS), Gamma-Strahlung (GR), Uran-Thorium (U-Th) Bohrlochdaten mit mineralogischen und geochemischen Analysen von 68 Proben aus den Bohrkernen verglichen und ergänzt. Insgesamt konnten sechs interglaziale und sechs glaziale Phasen unterschieden werden. Die Bohrlochdaten zeigen während der Eiszeiten einen hohen Anteil von siliziklastischem Material mit einem hohen MS- und Th/U Verhältnis. Die Sedimente aus den Zwischeneiszeiten weisen niedrige MS- und Th/U Verhältnisse auf, was auf einen niedrigen Seespiegel hinweist. Im Vergleich dazu zeigt die Mineralogie und Geochemie der Kernanalysen während der Eiszeiten einen hohen Anteil von Tonmineralen, und in den Zwischeneiszeiten eine Abwesenheit von Tonmineralen bei einem gleichzeitig hohen Vorkommen von Quarz und Kalzit. Somit is sowohl in den Bohrlochdaten als auch in den Kernproben ist das Th/U Verhälnis ein guter Indikator für die Beschaffenheit von Sedimenten. Darüber hinaus sind die relativen Anteile von K, U und Th diagnostisch für die Ablagerungsumgebung und die Herkunft der Sedimente. Sie zeigen sowohl die Ablagerung relativ unverwitterter Sedimente (chemisch reduzierenden Bedingungen), als auch tief verwitterte Sedimente. Auch U ist in Sedimentgestein ein empfindlicher Indikator für Redoxbedingungen. Das Auftreten dünner, U-reicher Markerschichten mit breiter geographischer Verteilung deutet auf eine U-"Fixierung" am Meeresboden hin. Dagegen ist Th eher unempfindlich gegenüber Redoxbedingungen, und bleibt unter Verwitterungsbedingungen an der Erdoberfläche erhalten. Basierend auf Bohrlochdaten und Kernanalysen konnte ein Zusammenhang zwischen der geologischen Geschichte des Sees und den Klimaveränderungsprozessen gezeigt werden. Die mineralogische und geochemische Zusammensetzung der Gesteine, also auch die Th/U Verhältnisse aus den Bohrlochdaten, spiegeln die glaziale/interglaziale Zyklizität wieder, und können im nächsten Schritt mit den Altersdatierungen verglichen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2018). Investigating core mineralogy and downhole logging data from the ICDP Lake Junín drilling project, Peru. Geophysical Research Abstracts Vol. 20, EGU2018-4298, 2018 EGU General Assembly 2018
  Pierdominici S., Schleicher A.M., Kück J., Rodbell D.T., Abbott M.B. and the ICDP Lake Junín Working Group
  
• (2018). Linking downhole logging data and clay mineralogy analysis in the ICDP Lake Junín drilling Project, Peru. IODP/ICDP Kolloquium 2018 Bochum, 14.-16. März 2018
  Pierdominici S., Schleicher A.M., Kück J., Rodbell D.T., Abbott M.B. and the ICDP Lake Junín Working Group
  
• (2019). Facies characterization based on physical properties from downhole logging data: a case study for the ICDP drilling project Lake Junín, Peru. Geophysical Research Abstracts Vol. 21, EGU2019-4787, EGU General Assembly 2019
  Pierdominici, S., Schleicher, A.M., Kück, J., Rodbell, D.T., Abbott, M.B., and the ICDP Lake Junín Working Group
  
• (2019). Implication (link) of mineralogical composition and climate changes: an example from the ICDP drilling project Lake Junín, Peru. Geophysical Research Abstracts Vol. 21, EGU2019-4826, EGU General Assembly 2019
  Schleicher, A.M., Pierdominici, S., Kück, J., Rodbell, D.T., Abbott, M.B. and the ICDP Lake Junín Working Group
  
• (2019). Petrophysical and mineralogical investigation of lacustrine sediments from Lake Junín (Peru). IODP/ICDP Kolloquium 2019, at University of Köln, 18-20 March 2019
  Pierdominici, S., Schleicher, A.M., Kück, J., Rodbell, D.T., Abbott, M.B., and the ICDP Lake Junín Working Group
  
• (2020). Investigating glacial/interglacial cyclicity from downhole logging data and mineralogical composition: an example from the ICDP drilling project Lake Junín, Peru. vEGU General Assembly 2020, Online, 4–8 May 2020, EGU2020-3891
  Schleicher A.M., Pierdominici S., Zeeden C., Kück J., Rodbell D., Abbott M.
  
• (2020). Studying glacial/interglacial cycles from downhole logging data and mineralogical composition: an application to the ICDP drilling project Lake Junín, Peru. IODP-ICDP Kolloquium (DFG), virtual
  Pierdominici S., Schleicher A.M., Zeeden C., Kück J., Rodbell D.T., Abbott M.B.
  
• (2020). Studying glacial/interglacial cycles from downhole logging data: an application to the ICDP drilling project Lake Junín, Peru. GeoUtrecht 2020, 24-26 August 2020, Utrecht, The Netherlands
  Pierdominici S., Zeeden C., Kück J., Rodbell D., Abbott M.