Mineralogy, O¹⁸/O¹⁶, and D/H Ratios of Clay-Rich Sediments from Deep Sea Drilling Project Site 180, Aleutian Trench

Abstract

Mineralogy, O¹⁸/O¹⁶, and D/H ratios have been determined in five size fractions (<0.1, 0.1–0.5, 0.5–1.0, 1.0–2.0, and >2.0µm) of seven samples taken from 500 m of Pleistocene deep-sea sediments cored at Deep Sea Drilling Project Site 180 in the Aleutian Trench. The depositional age of the samples spans the last 300,000 years; the samples have been interpreted by others to be continental detritus weathered from a mixed igneous, metamorphic, and sedimentary source area and then deposited by ice-rafting and turbidity currents. The minerals present are quartz, feldspar, illite, chlorite and/or non-expandable vermiculite, and expandable vermiculite and/or mixed-layer illite/expandable vermiculite. The relative amounts of quartz, feldspar, and total clay vary with particle size, but are nearly constant from sample to sample for a given particle size. δO¹⁸ is values of the four coarser size fractions range from +9.7 to +12.0‰ with variations attributable to changes in quartz/feldspar and clay/(quartz + feldspar) abundances. Values of δO¹⁸ for the expandable vermiculite-rich <0.1-µm size fraction range from +12.1 to +16.3‰ which indicates some oxygen isotope exchange at surface temperatures between meteoric waters and the parent rock during vermiculite formation. Values of δD range from −46 to −74‰ with variations attributable to changes in amounts of different clay minerals present. There is no mineralogic or isotopic evidence of post-depositional reactions in the coarser size fractions, but a general change in δD of the vermiculite-rich, <0.1-µm size fraction from about −50‰ to about −70‰ with increasing depth may be due either to post-depositional isotopic exchange or to climatic changes in the terrestrial weathering environment.

Резюме

Минералогия, соотношения O¹⁸/O¹⁶ и D/H были определены для пяти фракций (<0,1,0,1–0,5, 0,5–1,0, 1,0–2,0, и >2,0 µM) семи образцов, выбранных из 500 м плейстоценовых глубинно-морских осадков, взятых из места реализации Проекта Глубоко-Морского Бурения 180 в Алеутовом Рове. Осадочный период образцов охватывает последние 300 ООО лет. Образцы были описаны другими авторами, как континентальный детритус, выветренный из смешанных прирогенных, метаморфических и осадочных мест и потом осаждённый в результате ледникового движения и турбидительных течений. Присутствующие минералы это кварц, фельдшпат, иллит, хлорит и/или не расширяющийся вермикулит, а также расширяющийся вермикулит и/или смешанно-слойный иллит/расширяющийся вермикулит. Относительные количества кварца, фельдшпата и обшей глины изменяются с размером частиц, но почти постоянны для разных образцов данного размера частиц. Величины δO¹⁸ для четырёх грубозернистых фракций находятся в пределе +9,7−+12‰ с вариациями, связанными с изменениями в количествах кварц/фельдшпат и глина/(кварц + фепьдшпат). Величины δO¹⁸ для фракции размером <0,1 µM, богатой в расширяющийся вермикулит находятся в пределе +12,1–+16,3‰. Это указывает на изотопный обмен некоторого количества кислорода между атмосферными водами и материнской породой при температурах поверхности во время образования вермикулита. Величины SO наоодятся в пределе −46 до −74‰ с вариациями, связанными с изменениями количеств разных присутствующих глинистых минералов. Нет никаких минералогических или изотопных доказательств послеосаждительных реакций в грубозернистых фракциях, но основное изменение величины фракции размером <0,1 µM, богатой в вермикулит, от около −5‰ до около −70‰ с увеличивающейся глубиной может быть вызвано или послеосаждительным изотопным обменом, или климатическими изменениями в сухопутной среде выветривания. [Е.С.]

Resümee

Es wurden die Mineralogie sowie die O¹⁸O¹⁶- und D/H-Verhältnisse in 5 Kornfraktionen (<0,1; 0,1–0,5; 0,5–1,0; 1,0–2,0; und >2,0 µm) von sieben Proben untersucht, die aus einem 500 m Bohrkern von pleistozänen Tiefseesedimenten genommen wurden, der im Rahmen des Tiefseebohrungsprojektes Site 180 im Aleutenbogen gezogen wurde. Das Ablagerungsalter der Proben umfaßt die letzten 300 000 Jahre; die Proben wurden von anderen Autoren als kontinentaler Verwitterungsschutt gedeutet, der von magmatischen, metamorphen und sedimentären Liefergebieten stammt und dann durch Eisverfrachtung und Suspensionsströme abgelagert wurde. Die vorhandenen Minerale sind Quarz, Feldspat, Illit, Chlorit und/oder nichtquellbarer Vermiculit, sowie quellbarer Vermiculit und/oder Illit/quellbarer Vermiculit-Wechsellagerung. Die relativen Mengen an Quarz, Feldspat, und Gesamtton schwanken mit der Kornfraktion, sind aber bei gegebener Korngröße bei den verschiedenen Proben nahezu konstant. Die δO¹⁸-Werte von 4 gröberen Kornfraktionen reichen von +9,7 bis + 12,0‰ mit Schwankungen, die auf die Veränderungen in den Quarz/Feldspat- und Tord(Quarz + Feldspat)-Gehalten zurückzuführen sind. Die δO¹⁸-Werte der Fraktion <0,1 µm, die reich an quellfähigem Vermiculit ist, reichen von +12,1 bis +16,3‰. Dies deutet darauf bin, daß ein Sauerstoffisotopen-Austausch bei Oberflächentemperaturen zwischen Niederschlagswasser und Ausgangsgestein während der Vermiculit-Bildung stattgefunden hat. Die δD-Werte reichen von −46 bis −74‰ mit Schwankungen, die auf Veränderungen im Gehalt der verschiedenen Tonminerale zurückzuführen sind. Weder bei der Mineralogie noch bei den Isotopen gibt es in den gröberen Fraktionen einen Hinweis auf Reaktionen, die nach der Ablagerung stattgefunden haben. Eine generelle Veränderung des δD-Wertes der Vermiculit-reichen Fraktion <0,1 µm von etwa −50‰ bis etwa −70‰ mit zunehmender Tiefe kann entweder auf einen Isotopenaustausch nach der Ablagerung oder auf klimatische Schwankungen bei der terrestrischen Verwitterung zurückgeführt werden. [U.W.]

Résumé

La minéralogie, O¹⁸/O¹⁶ et les proportions D/H ont été déterminées dans cinq groupes de taille différente (<0,1, 0,1–0,5, 0,5–1,0, 1,0–2,0, et >2,0 µm) de sept échantillons pris dans 500 m de profonds sédiments marins pleistocènes tirés du Site 180 du Deep Sea Drilling Project dans la transhée aleutienne. L’âge de déposition des échantillons couvre les dernières 300 000 années, ces échantillons ont été interprétés par d'autres comme étant des détruitus continentaux altérés provenant d'une région-source à caractères mélangés ignée, métamorphique, et sedimentaire et ensuite déposés par transport par glace et par des courants de turbidité. Les minéraux présents sont le quartz, le feldspar, l'illite, la chlorite et/ou la vermiculite non-expansible, et la vermiculite expansible et/ou l'illite à couches mélangées/vermiculite expansible. Les quantités relatives de quartz, feldspar, et argile totale varient avec la taille de la particule, mais sont quasi constantes d’échantillon en échantillon pour une taille de particule donnée. Les valeurs δO¹⁸ pour les quatre groupes de tailles les plus grosses s’étagent de +9,7 à + 12,0‰ avec des variations qui peuvent être attribuées à des changements dans les abondances de quartz/feldspar et d'argile/(quartz + feldspar). Les valeurs δO¹⁸ du groupe de taille <0,1-µm riche en vermiculite expansible s’étagent de +12,1 à + 16,3‰, ce qui indique qu'aux températures de surface il y a un échange de l'isotope oxygène entre les eaux météoriques et la roche-mère pendant la formation de la vermiculite. Les valeurs δD s’étagent de −46 à −74‰, avec des variations qui peuvent être attribuées à des changements dans les quantités des différents minéraux argileux présents. Il n'y a pas d’évidence minéralogique ou isotopique de réactions se passant après la déposition dans les groupes de grosses tailles, mais un changement général de δD dans le groupe de taille <0,1-µm riche en vermiculite de −50‰ à à peu près −70‰ proportionnellement à la profondeur peut être dû soit à un échange isotopique après la déposition, soit à des changements climatiques dans l'environement d'altération terrestre. [D.J.]