"CZ-topes": Stabile Matallisotope in der „Critical Zone”

Die " Critical Zone " ist die dünne Schicht zwischen der Oberfläche des unverwitterten Gesteins und der Spitze der Vegetation. Sie umfasst Boden, Grundwasser und Pflanzen. In der „Critical Zone“ trifft Gestein auf Leben. Modelle sagen voraus, dass der Grad der Bodenverwitterung und der Nährstoffverfügbarkeit von der Landschaftsverjüngung durch Erosion abhängt. Wir testen dies mit innovativen Isotopenmodellen in Berggebieten mit unterschiedlichen Erosionsraten.

Die " Critical Zone " ist die dünne Schicht zwischen der Oberfläche des unverwitterten Gesteins und der Spitze der Vegetation. Hierbei handelt es sich um einen riesigen Reaktor, in dem Flüsse und Wind kontinuierlich Böden erodieren. Dennoch haben Böden den größten Teil dieser Oberfläche vor der menschlichen Landnutzung dauerhaft bedeckt. Was schützt diese relativ dünne Schicht davor, vollständig entfernt zu werden? Welches sind die Prozesse, die sie kontinuierlich regeneriert? Wie können sich chemische Mineralauflösung und vormenschliche Erosionsprozesse, die die Bodenproduktion und -erosion bestimmen, unabhängig von tektonischen oder klimatischen Kräften langfristig ausgleichen? Obwohl es wichtig ist, unsere Lebensgrundlage zu verstehen, müssen die Prozesse, die den Boden im Gleichgewicht halten, noch identifiziert und verstanden werden.

In der „Critical Zone“ konzentrieren wir unsere Forschung auf die Methodenentwicklung neuer Techniken und Beobachtungen aus Feldlaboren. Mit Methodenentwicklung erforschen und entwickeln wir neue Werkzeuge, die dazu dienen, die Prozesse in der „Critical Zone“, ihre Untergrundstruktur und die Stoffflüsse zu untersuchen. Wir entwickeln chemische und massenspektrometrische Verfahren, mit denen wir eine ganze Reihe dieser neuartigen Isotopenverhältnisse (⁷Li/⁶Li, ²⁶Mg/²⁴Mg, ³⁰Si/²⁸Si, ⁵⁶Fe/⁵⁴Fe, ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr) in den Kompartimenten der „Critical Zone“ messen können: Ausgangsgestein, Saprolith, Boden, Bodenwasser, höhere Pflanzen, Flusswasser und Flusssediment. Jedes der entsprechenden chemischen Elemente zeigt ein charakteristisches Verhalten an der Erdoberfläche, wodurch die relevanten Prozesse wie die Auflösung von Primärmineralen, die Ausfällung von Sekundärmineralen oder die Aufnahme durch Pflanzen offengelegt werden können.

In Feldlaboren liegt unser Forschungsschwerpunkt auf der Überbrückung von Zeitskalen und dem Blick in die Vergangenheit der „Critical Zone“. Unser Fokus liegt auf den tiefen Prozessen (Grundwasser und Tiefenverwitterung), die am Grund der Zone stattfinden. Wir erkunden die „Critical Zone“ auf einer Skala, die vom Bodenprofil bis zum Einzugsgebiet reicht. Modelle sagen voraus, dass der Grad der Bodenverwitterung und der Nährstoffverfügbarkeit von der Landschaftsverjüngung durch Erosion abhängt. Wir testen diese in Berggebieten, die sich in ihren Erosionsraten unterscheiden und die alle granitische Gesteinsarten aufweisen: das langsam erodierende Hochland von Sri Lanka, ein mäßig schnell erodierendes Berggebiet in der Sierra Nevada (Kalifornien) und ein sich rasch hebender alpiner Gebirgsgürtel in den Schweizer Zentralalpen. Zusammen bieten diese Landschaften ein breites Spektrum an Denudationsraten von 5 bis 5600 Tonnen/km²/Jahr, mit denen wir die Muster der Erosions-Verwitterungs-Kopplung effektiv untersuchen können. An diesen Standorten wählten wir Bodenprofile entlang freigelegter Straßenabschnitte aus, an denen wir von Oberflächenböden über Saprolith bis hin zu Grundgestein beprobten. Wir extrahierten auch Porenwässer aus Böden und Saprolithen, den Hauptvegetationstypen und sammelten Bachwasser.