GEOLOGIJA 27; 161—170 (1984) Ljubljana UDK 54.027:546.21.546.26:552.5:551.791:551.794(234.323.6) = 863 Izotopska sestava kisika in ogljika v recentnem sedimentu iz Blejskega jezera in v pleistocenski jezerski kredi Julijskih Alp The isotopie composition of oxygen and carbon of the recent sediment from the Bled Lake and of the Pleistocene lacustrine chalk from the Julian Alps Tadej Dolenec Inštitut za geologijo pri FNT, VTOZD Montanistika, Aškerčeva 20, 61000 Ljubljana in Inštitut »Jožef Stefan«, Jamova 39, 61000 Ljubljana Jože Pezdič Inštitut »Jožef Stefan«, Jamova 39, 61000 Ljubljana Bojan Ogorelec in Miha Mišic Geološki zavod Ljubljana, Parmova 37, 61000 Ljubljana Kratka vsebina Izotopska sestava kisika in ogljika v recentnem sedimentu iz jezerske plitvine v jugozahodnem delu Blejskega jezera kaže, da gre za kemični sédiment, to je za pravo jezersko kredo, ki nastaja večinoma z izločanjem kalcita v izotopskem ravnotežju s kisikom iz jezerske vode pri tempe- raturi med približno 5 "C in 18 "C. Povsem drugačna izotopska sestava kisika in ogljika pa je značilna za jezersko kredo iz nekaterih slovenskih nahajališč alpskega prostora. Ta je pretežno detritičnega izvora in ima podobno izotopsko sestavo obeh prvin kot mezozojski apnenci in dolomiti, ki sc njene matične kamnine. Abstract The isotopie composition of oxygen and carbon in the recent sediment from the SW part of the Bled Lake indicates a chemical precipitate, the so-called lacustrine chalk, which was formed mostly by precipitation of calcite in isotopie equilibrium with oxygen from the lake water at temperatures between about 5 and 18 "C. An entirely different isotopie conxposition of oxygen and carbon is typical for the lake chalk from some deposits in Slovenia. The latter is most probably of detrital origin, and its isotopie composition of both chemical elements is the same as that of rocks which furnished the material for its formation. 11 — Geologija 27 162_Tadej Dolenec, Jože Pezdič, Bojan Ogorelec in Miha Mišič Uvod Recentni sediment iz Blejskega jezera so sedimentološko raziskovali F. M. M o 1 n a r in sodelavci (1978). Iz osrednjih delov obeh kadunj so analizirali vzorce 15 zajemov s površja jezerskega dna ter vzorce iz dveh 45 cm globokih jeder. Ugotovili so, da pripada sediment karbonatnemu glinastemu melju, ki vsebuje v zgornjih 3 centimetrih do 10,7 "/o organskega ogljika. Delež karbonata v raziskanih vzorcih se giblje med 55 in 79 "/o, kalcit močno prevladuje nad dolomitom. Nekarbonatno komponento sestavljajo minerali glin, kremen, gli- nenci ter skeleti diatomej. F. M. M o 1 n a r in sodelavci (1978) sklepajo, da je recentni sediment Blejskega jezera pretežno detritičnega izvora, za del kalcita pa predvidevajo možnost avtohtonega nastanka ob udeležbi vodnih rast- lin, predvsem alg. Po analizah peloda cenijo, da je sediment do globine 45 cm mlajši od 400 do 500 let. Za boljše razumevanje značilnosti in okoliščin recentne sedimentacije v Blejskem jezeru smo sklenili jezerski sediment še nadrobno izotopsko raz- iskati in tako dopolniti predhodne analize, ki so jih napravili F. M. M o 1 n a r in sodelavci (1978). V ta namen smo v letu 1983 masnospektrometrično anali- zirali izotopsko sestavo kisika in ogljika v recentnem sedimentu na lokaciji B-10. Ta je neposredno ob obali v jugozahodnem delu Blejskega jezera, kjer raste v plitvem zalivu precej trstičja (si 1). Za primerjavo smo analizirali tudi vzorce pleistocenske jezerske krede iz Radovne, Srpenice, Plužne pri Bovcu, jugozahodno od Mlinega, Bohinja in Planice (si. 2). Vzorčevanje Vzorce recentnega sedimenta iz Blejskega jezera smo vzeli v profilu A-B s pomočjo steklenega valja, in sicer v globinah, 1, 2, 3 in 4 m (si. 3). Vsi vzorci pripadajo belemu karbonatnemu blatu, ki vsebuje lupine in drobne hišice raz- ličnih polžev ter odlomke školjke Anodonta cygnaea (jezerska brezzobka). Pri podvodnem kartiranju obrežnega predela jezera smo ugotovili, da do- seže debelina recentnega sedimenta v profilu A-B do 60 cm. Globina vode v zalivu, kjer raste trstičje, znaša 50 doi 80 cm, nato pa se v smeri proti otoku globina jezera hitro povečuje in doseže v osrednjem delu zahodne kotanje do 29,6 m. Na območju, kjer smo vzorčevali recentni sediment, smo opazili vse polno školjčnih lupin vrste Anodonta cygnaea, a le redke žive primerke. Razen sedimenta smo vzeli za izotopsko analizo tudi hišice različnih polžev in lupine jezerske brezzobke. Vzorce jezerske krede iz Radovne smo vzeli iz 20 m globoke vrtine V-2, jezersko kredo iz Srpenice pa iz 23 m globoke vrtine C-8 in iz dnevnega kopa. Ostali vzorci krede so iz površinskih izdankov (jugozahodno od Mlinega, Bo- hinj, Planica in Plužna pri Bovcu). Priprava vzorcev in masnospektrometrično določevanje Vzorce recentnega sedimenta hišice polžev in lupine školjke Anodonta cygnaea ter vzorce jezerske krede smo najprej posušili, nato pa zdrobili in raztopili v 100 H3PO4 pri temperaturi 50 ± 0,5 ®C. Pri reakciji med karbo- nati in H.PO4 je nastal CO^, ki smo mu izmerili izotopsko sestavo z masnim Izotopska sestava kisika in ogljika v sedimentih Blejskega jezera in Julijskih Alp 163 Slika 1. Lokacija odvzetih vzorcev jezerske krede iz Blejskega jezera Fig. 1. Location map of samples of lacustrine chalk from the Bled Lake Slika 2. Lokacije odvzetih vzorcev pleistocenske jezerske krede Julijskih Alp Fig. 2. Location map of samples of the Pleistocene lacustrine chalk from the Julian Alps 164 Tadej Dolenec, Jože Pezdič, Bojan Ogorelec in Miha Mišič spektrometrom VARIAN MAT 50. Izotopsko sestavo kisika in ogljika v raz- iskanih vzorcih podajamo v tabeli 1 kot relativne vrednosti oziroma ó^^C, izražene v promilih glede na standard (SMOW) oziroma (PDB). Masnospek- trometrične meritve izotopske sestave kisika in ogljika so bile napravljene na Inštitutu »Jožef Stefan;< v Ljubljani. Natančnost meritev tako za ô^^O kot ò^ac znaša ± 0,05 %o. Razlaga rezultatov izotopske raziskave Recentni sediment Blejskega jezera Z masnospektrometrično analizo smo ugotovili, da niha v recentnem karbonatnem sedimentu iz profila A-B (si. 3) v sorazmerno ozkem razponu od + 22,05 %o do + 22,91 %o (tab. 1), medtem ko se giblje Ô^^C od — l,03%o do —2,36 %o (T. Dolenec in sod. 1984). Rentgenska analiza vzorcev kaže, da je sediment kemično zelo čist, saj vsebuje izključno le kalcit in je brez primesi detritičnih mineralov. Na podlagi dobljenih podatkov sklepamo, da gre za pravo jezersko kredo, to je za kemični sediment, ki nastaja v jezeru z izločanjem kalcita iz vode. Kreda je zelo čist karbonatni sediment, vsebuje nad 98 "/o karbonata (rentgensko določen le nizko-magnezijev kalcit), njegova srednja zrnavost pa je okrog 10//m, kar ga po zrnavosti uvršča v drobnozrnati melj. Pri izločanju kalcita iz jezerske vode igrajo pomembno vlogo alge in druge jezerske rastline ter fitoplankton. S fotosintezo te znižujejo vsebnost CO^ v vodi, kar vodi do prenasičenja razstopine s Ca^^, do višjega pH ter do izločanja CaCO,. Ta proces poteka po splošno znani enačbi Slika 3. Odvzcmna mesta vzorcev recentnega sedimenta v profilu A—B, na lokaciji B—10, Blejsko jezero Fig. 3. Sampling sites of the recent sediment in profile A—B, locality B—10, Bled Lake Izotopska sestava kisika in ogljika v sedimentih Blejskega jezera in Julijskih Alp 165 Tabela 1. Izotopska sestava kisika in ogljika v preiskanih vzorcih Table 1. Oxygen and carbon isotopie composition of investigated samples Vzorec - Sample % (SMOW) б^^С %<, (PDB) Blejsko jezero, lokacija B-10 Bled Lake, location B-10 Recentni sediment (jezerska kreda) Recent sediment (lacustrine chalk) globina - depth 1 m +22,78 -1,05 globina - depth 2 m +22,69 -1.^6 globina - depth 3 m +22,05 -2,36 globina - depth 4 m +22,91 -1,03 Lupine organizmov - povprečne vrednosti Molluscan skelets - average values Anodonta oygnaea +23,14 -8,08 Planorbis planorbis +23,78 -6,73 Radix ovata +24,26 -6,69 Pleistocenska jezerska kreda Pleistocene lacustrine chalk Radovna, vrtina - borehole V-2 5,6 - 7,0 m +27,00 +2,34 7,0 - 10,0 m +27,08 +2,49 10,0 - 13,7 m +27,04 +2,39 13,0 - 16,0 m +27,04 +2,39 16,0 - 20,0 m +27,22 +2,39 Srpenica, vrtina - borehole C-8 1 m +28,12 +1,45 6 m +27,75 +2,45 12 m +28,12 +2,20 18 m +27,82 +2,45 Srpenica, izdariek - outcrop S-380 +27,75 +2,54 S-381 +28,45 +2,20 S-1 +28,12 +1,45 Plužna +27,95 +1,83 Jugozahodno od Mlinega +28,35 +2,50 Bohinj, Sv. Duh +27,82 +2,06 Planica +27,39 +3,34 166 Tadej Dolenec, Jože Pezdič, Bojan Ogorelec in Miha Mišič Izotopska sestava kisika Ker je izotopska sestava kisika v kalcitu, ki se izloča iz vodne raztopino, odvisna od izotopske sestave te prvine v raztopini in od njene temperature, lahko s pomočio splošne enačbe: ki podaja temperaturno odvisnost faktorja izotopske frakcionacije (a) v siste- mu mineral-voda, izračunamo temperaturo nastanka kalcita. Temperaturo iz- ločanja kalcita lahko izračunamo tudi s pomočjo enačbe: To je modificirana C r a i g o v a enačba (H. Craig 1965), ki izraža od- visnost izotopske sestave kisika v kalcitu od izotopske sestave te prvine v vodi in od temperature vode. Običajno jo uporabljamo za računanje paleotempera- ture. V enačbi pomeni ô Ok izotopsko sestavo kisika v CO2, ki smo ga dobili pri reakciji med 100 "/o Н.^РО^ in kalcitom, ó Ov pa je izotopska sestava kisika v CO., uravnoteženem z vodo 'pri 25 "C. Gre za vodo, iz katere se izloča kalcit. Oba parametrá morata biti merjena na isti standard. S pomočjo enačbe (1) ali (2) lahko torej določimo temperaturo nastanka kalcita. Pri tem pa moramo poznati poleg izotopske sestave kisika v kalcitu tudi izotopsko sestavo kisika v vodi, iz katere je kalcit kristaliziral. Zavedati se moramo, da bo tako izračunana temperatura pravilna le v primeru, da se je izločal kalcit v izotopskem ravnotežju s kisikom iz vode. Ce vzamemo, da niha v kalcitu, ki tvoti recentni jezerski sediment, od + 22,05 %o do + 22,91 %o, medtem ko se spreminja (^^^O v jezerski vodi na lokaciji B-10 v teku leta od —9,56 %o do —7,72 %o, dobimo za temperaturo nastanka kalcita vrednosti 5,4 "C in 16,5 "C. Temperaturo smo izračunali s pomočjo enačbe (1), pri čemer smo za parametra A in B vzeli vrednosti ^ 2,78 in 3,40, ki jih navajajo J. R. O'Neil et al. (1969). Nekoliko višjo temperaturo nastanka kalcita, nekako med 7,9 "C in 18,4 "C, smo dobili pri računanju z enačbo (2). Na podlagi dobljenih podatkov sklepamo, da se izloča kalcit, ki tvori recentni jezerski sediment na lokaciji B-10, veči- noma v izotopskem ravnotežju s kisikom iz vode pri temperaturi približno med 5 "C in 18 ''C. Temperatura jezerske vode se namreč na raziskanem ob- močju v teku leta giblje večinoma od 4 do 20 ®C. Izotopska sestava ogljika Za recentni sediment smo ugotovili, da ima ó^^C v območju od — 1,03 %o do — 2,36 %o. S pomočjo frakcionacijske enačbe, ki ima za sistem CaC0;^-C02 obliko lahko izračunamo izotopsko sestavo ogljika v CO., ki je pri dani temperaturi v izotopskem ravnotežju z nastajajočim kalcitom. Ce vstavimo v omenjeno Izotopska sestava kisika in ogljika v sedimentih Blejskega jezera in Julijskih Alp 167 enačbo za parametra A in B vrednosti + 1,194 in —3,63 (P. Deines et al. 1974), za ô^^C vrednosti — 1,03 %o in — 2,36 %o ter izračunano temperaturo nastanka kalcita, ki tvori jezersko kredo, dobimo za izotopsko sestavo ogljika v CO,^ iz vode vrednosti med —11,50 %o in —14,18 %o. Dobljene vrednosti kažejo, da ima pri nastanku recentnega karbonatnega sedimenta (jezerske krede) pomembno vlogo tudi ogljik organskega izvora. Ta je v primerjavi s CO2, katerega гЗ^® je okrog — 7 %o, obogaten z lahkim izotopom (З^^С. Lupine organizmov Masnospektrometrična analiza Izotopske sestave kisika in ogljika v lupinah različnih organizmov, ki jih najdemo na lokaciji B-10 v Blejskem jezeru, je pokazala, da ima ò^^O v lupinah jezerske brezzobke {Anodonta cygnaea) v povprečju vrednost + 23,14 %o, medtem ko znaša v povprečju — 8,08 %o. Nekoliko večji s povprečjem + 23,78 %o, je značilen za hišice polža svitka {Planorhis planorbis). Njihov ima srednjo vrednost — 6,73 %o. Se več težkega kisikovega izotopa, v povprečju + 24,26 %o, smo ugotovili v hišicah polža mlakarja {Radix ovata). Njegov znaša v povprečju —6,69 %o. Dobljeni podatki povedo, da so lupine organizmov nekoliko obogatene s težkim kisikovim izotopom, pri čemer pa vsebujejo precej več lahkega oglji- kovega izotopa v primerjavi z recentnim karbonatnim sedimentom (jezersko kredo). Kaj pravzaprav vpliva na variabilnost parametra v lupinicah organizmov, za zdaj še ne vemo natančno. Vendar predpostavljamo, da sta glavna faktorja izotopska sestava kisika v vodi in temperatura, ki se med letom precej spreminjata. Vzrok variabilnosti izotopske sestave kisika je v manjši meri lahko tudi posledica različne mineralne sestave karbonatnih lupinic. Za jupinice jezerske brezzobke smo z rentgensko analizo ugotovili, da so zgrajene tako iz kalcitnih kot aragonitnih zrn. Kakšna je pravzaprav frakcionacija ogljikovih izotopov pri nastanku lupinic različnih organizmov, za zdaj še ne vemo. Na podlagi dobljenih podakov pa lahko sklepamo, da vgrajujejo omenjeni organizmi v svoje lupine več lahkega ogljikovega izotopa kot kalcit, ki tvori jezersko kredo. Pleistocenska jezerska kreda Kot vidimo iz tabele 1, niha v jezerski kredi iz raznih nahajališč alp- skega prostora od + 27,00 %o do + 28,45 %o, medtem ko se giblje f^^^c od + 1,45 %o do + 3,34 %o. Dobljeni rezultati jasno kažejo, da ima ta jezerska kreda drugačno izotopsko sestavo kisika in ogljika kot recentni karbonatni sediment z obrobja Blejskega jezera. V povprečju je namreč za več kot 5 %o bogatejša s težkim kisikovim izotopom, poleg tega pa ima tudi več kot 2,88 %o večji ^^^C v primerjavi z recentnim blejskim sedimentom. Rentgenska ana- liza jezerske krede iz Radovne in Srpenice je pokazala, da je poleg kalcita prisoten od karbonatnih mineralov še dolomit. Razmerje med kalcitom in dolomitom v kredi iz Radovne je približno 2 : 1 (59,2 do 68,5 "/o kalcita in 20,6 do 32,6 "/o dolomita), medtem ko vsebuje kreda iz Srpenice nekoliko manj dolomita. Delež kalcita v njej niha med 41 do 72 '•/o, medtem ko se količina 168 Tadej Dolenec, Jože Pezdič, Bojan Ogorelec in Miha Mišič Tabela 2. Mineralna sestava nekarbonatnega dela je- zerske krede. Radovna, vrtina V-2 (analize treh vzor- cev) Table 2. Mineral composition of non-carbonate compo- nent of the lacustrine chalk. Radovna, borehole V-2 (three samples determined) dolomita giblje med 11 in 38%. Mineralne parageneze raziskanih vzorcev je- zerske krede iz Radovne dopolnjujejo še kremen, minerali glin, glinenci, v sledovih pa najdemo še zrna pirita, granata, cirkona, stavrolita, amfibolov, rutila in klorita. V tabeli 2 je prikazana povprečna mineralna sestava nekar- bonatnega deleža jezerske krede iz Radovne. Po zrnavosti uvrščamo jezersko kredo iz Radovne v glinasti melj s srednjo zrnavostjo med 4 in 10 /