Biogeochemical processes and fluxes of nutrients and ions, at coastal, pelagic and extreme marine environments

Abstract

This thesis investigates the pore water geochemistry of surficial sediments in diverse marine environments, including the deep sea, a coastal area, and a mud volcano field in the Eastern Mediterranean Sea. By analyzing nutrients, DIC, δ13CDIC and major ions distributions in pore water samples collected from Elefsis Bay, the Olimpi Mud Volcano Field (OMVF) on the crests of the Gelendzhik, Heraklion, Moscow, Leipzig, and Milano mud volcanoes (MVs), located south of Crete on the Mediterranean Ridge, and deep sea sediments south of Crete, distinct patterns of oxic, suboxic, and anoxic conditions in sedimentary settings are revealed. Emphasis is placed on processes that affect nitrogen and phosphorous distribution, sulfate reduction, and anaerobic oxidation of methane, the latter at the OMVF. The spatial variability observed in nutrient and dissolved inorganic carbon pore water concentrations in the deep sea sediments is likely attributed to the S1 sapropel burn down. In Elefsis Bay, significant variability in nutrient concentrations is observed in the part experiencing oxygen deficiency. Ex situ incubation experiments highlight the rapid response of the seafloor to changes in oxygen availability near the bottom water, influencing processes affecting mainly nitrate and phosphate concentrations. Oxygen deficiency at the bottom water leads to very low concentrations of nitrates in the pore waters, resulting in the accumulation of nitrogen, as the denitrification process appears to be significantly impeded. The pore fluid composition reveals significant spatial heterogeneity in surficial sediments in the OMVF, mainly due the supply of ammonium, major ions and methane from the deeper substrata. Geochemical evidence suggests that sulfate reduction and anaerobic oxidation of methane occur in the hypersaline environments of Heraklion and Gelendzhik mud volcanoes. Overall, the pore-fluid composition suggests the OMVF is a dynamic ecosystem, active in terms of fluid and gas expulsion. The research underscores the complex interplay between biogeochemical processes and environmental factors, providing valuable insights into the response of marine sedimentary systems to changing conditions. These findings contribute to a better understanding of biogeochemical cycling in marine environments.

Στη διατριβή αυτή μελετάται η γεωχημεία νερών πόρων επιφανειακών ιζημάτων σε διαφoρετικά θαλάσσια περιβάλλοντα. Οι περιοχές μελέτης περιλαμβάνουν παράκτια ιζήματα στον Κόλπο της Ελευσίνας, ιζήματα βαθιάς θάλασσας νότια της Κρήτης, καθώς και ιζήματα από τα λασποηφαίστεια Gelendzhik, Moscow, Leipiz, Heraklion και Milano στο Olimpi Field. Μελετήθηκαν βιογεωχημικές διεργασίες πρώιμης διαγένεσης αναλύοντας δείγματα νερών πόρων για θρεπτικά, ανόργανο διαλυτό άνθρακα και το σταθερό ισότοπο του και κύρια ιόντα. Δόθηκε έμφαση στη μελέτη του κύκλου του αζώτου και του φωσφόρου, και επιπλέον στην αναγωγή των θειικών ιόντων και την αναερόβια οξείδωση του μεθανίου στην περιοχή του Olimpi Field. Η χωρική μεταβλητότητα που παρατηρείται στις συγκεντρώσεις θρεπτικών και διαλυτού ανόργανου άνθρακα στα ιζήματα βαθιάς θάλασσας αποδίδεται στη θέση του σαπροπηλού S1 και της αποδόμησης του. Στον Κόλπο της Ελευσίνας, παρατηρείται σημαντική εποχική διακύμανση στις συγκεντρώσεις θρεπτικών στα νερά πόρων στο τμήμα που καταγράφεται εποχική ανοξία στο νερό πλησίον του πυθμένα. Τα πειράματα επώασης που πραγματοποιήθηκαν έδειξαν ότι αλλαγές της διαθεσιμότητας οξυγόνου πλησίον του πυθμένα επηρεάζουν άμεσα διεργασίες που λαμβάνουν χώρα πλησίον της μεσεπιφάνειας νερού-ιζήματος ιδιαίτερα για τα νιτρικά και φωσφορικά. Η έλλειψη οξυγόνου πλησίον του πυθμένα, οδηγεί σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις νιτρικών οδηγώντας σε συσσώρευση αζώτου στα νερά πόρων καθώς η διεργασία της απονιτροποίησης φαίνεται να παρεμποδίζεται σημαντικά. Τα νερά πόρων που συλλέχθηκαν από τα λασποηφαίστεια στο Olimpi Field παρουσίασαν μεγάλη μεταβλητότητα κυρίως λόγω μεταφοράς ρευστών και αερίων από βαθύτερα στρώματα ιζημάτων, οδηγώντας σε εμπλουτισμό κύριων ιόντων, αμμωνιακών και μεθανίου. Στο υπερ-άλμυρο περιβάλλον που εντοπίστηκε στα λασποηφαίστεια Heraklion and Gelendzhik υπάρχουν γεωχημικές ενδείξεις ότι λαμβάνουν χώρα αναγωγή θειικών και αναερόβια οξείδωση μεθανίου. Τα δεδομένα των νερών πόρων υποδεικνύουν ότι η περιοχή Olimpi είναι ενεργή όσον αφορά την μεταφορά ρευστών και αερίων.