Bohrkern Sectioning und Gewinnung von Porenwasser unter anoxischen Bedingungen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Sedimentkerne zu schneiden und Porenwässer aus diesen Sedimentkernen zu extrahieren, wobei der ursprüngliche Oxidationszustand erhalten bleibt. Diese Methode ermöglicht es Forschern im Bereich der Geochemie, die Speziation von Metallen in Porenwässern und Sedimenten aus redoxsensiblen Bereichen wie Seen und Feuchtgebieten zu untersuchen. Die wichtigsten Vorteile dieser Technik sind ihre Flexibilität und Anpassungsfähigkeit, ihre Eignung für den Feldgebrauch, ihre Kostengünstigkeit und die Tatsache, dass sie die Sedimentschichten nicht stört.

Den Ablauf wird Rahul Sinha, ein Student aus meinem Labor, demonstrieren. Beginnen Sie mit der Vorbereitung des Feldlabors, indem Sie die Handschuhhaube aufbauen. Befestigen Sie zunächst die Kernführungsplatte an einer Arbeitsfläche.

Positionieren Sie das Loch für den Kernliner so, dass es vor der Arbeitsplatte liegt, um sicherzustellen, dass es offen ist. Befestigen Sie anschließend den Stickstofftank mit einer Schraubzwinge. Stellen Sie dann die Handschuhbox über die Platte und führen Sie den Schlauch zwischen der Box und dem Gasregler.

Strecken Sie etwa zwanzig Zentimeter Schlauch in die Tüte hinein. Versiegeln Sie nun die Schlauchverbindung an der Tüte mit Isolierband, und schieben Sie innerhalb der Tüte eine Klemme auf den Schlauch, lassen Sie die Klemme jedoch geöffnet. Schneiden Sie danach ein X in den Boden der Tüte über der Öffnung in der Platte, und befüllen Sie die Tüte mit den aufgeführten Gegenständen.

Überprüfen Sie die Listen nochmals, da das Vergessen eines Elements sehr umständlich ist. Die nächste Aufgabe besteht darin, den Kern aufzubauen. Stellen Sie zunächst einen Laborkreuztisch auf den Boden unter die Arbeitsfläche.

Der Labortisch sollte eine Sperrholzplatte mit einem Loch in der Mitte haben, um den Kern zu stabilisieren. Anschließend wird der Kern in aufrechter Position durch die Kernführungsplatte und durch das X im Handschuhbeutel geschoben. Etwa zehn bis fünfzehn Zentimeter des Kerns sollten über die Platte hinausragen.

Während eine Person den Kern stützt, befestigen Sie den Kern mit Isolierband an der Tasche um das X herum. Richten Sie dann den Kernextruder ein. Stecken Sie zunächst den Griff in einen sechs Zoll langen, zwei Zoll durchmessenden PVC-Abstandshalter, gefolgt von einer drei Zoll langen Kupplung und dann einem weiteren Abstandshalter und einer weiteren Kupplung und so weiter, bis der Griff vollständig bedeckt ist.

Platzieren Sie nun den Kernextruder unterhalb des Kerns und stützen Sie ihn mit dem Wagenheber ab. Der Wagenheber sollte so weit wie möglich abgesenkt werden. Schneiden Sie anschließend mit einem Cuttermesser vorsichtig um die Unterseite der Kernkappe herum.

Lassen Sie einen Ring der Kernkappe um die Kernhülse herum stehen und ein kreisförmiges Stück der Kappe an den Kernmaterialien anliegen. Nun muss eine Person in den Handschuhbeutel greifen, um den Kern zu sichern, während die andere Person den Hebel hebt. Bewegen Sie den Kernextruder allmählich in die Kernhülse hinein, wodurch das Sediment nach oben gehoben wird.

Es kann notwendig sein, den Extruder leicht zu bewegen. Setzen Sie das Anheben des Kerns fort, bis das Sediment und das darüberliegende Wasser bis zur Oberkante des Kernrohrs reichen. Die letzte Aufgabe besteht darin, die Tüte zu verschließen.

Zunächst überprüfen Sie noch einmal, ob alles vorhanden ist. Öffnen Sie dann alle Gegenstände in der Tasche, die eingeschlossene Luft enthalten. Entleeren Sie nun idealerweise mit Hilfe einer weiteren Person den Handschuh dreimal.

Zunächst die Hauptöffnung mit einigen Gummispannern verschließen, während der Beutel so weit wie möglich entleert ist. Dann, mit einem Assistenten, der den Stickstofffluss auf 50 psi reguliert, das Gas um den Beutel herumleiten, insbesondere in Spalten und Fugen, in denen Luft eingeschlossen sein könnte. Wenn der Beutel stark aufgeblasen ist, das Regulierventil schließen oder die Klemme zudrehen, um das Gas abzustellen.

Öffnen Sie dann die Hauptöffnung und drücken Sie so viel Gas wie möglich aus der Tasche heraus. Wiederholen Sie den Vorgang des Befüllens der Tasche mit Stickstoff, einschließlich aller Falten und Ecken, und des anschließenden Leerens der Tasche noch zweimal. Sobald dies abgeschlossen ist, sollte die Handschuhbox sehr geringe Sauerstoffkonzentrationen enthalten.

Schließen Sie das Verfahren ab, indem Sie eine angenehme Menge an Gas in der Handschuhbox belassen. Dieses Verfahren sollte am besten zu zweit durchgeführt werden. Tragen Sie für diesen Schritt ein Paar Einweghandschuhe über die fest eingebauten Handschuhe in der Box.

Wechseln Sie diese Handschuhe, sobald sie schmutzig oder zerrissen sind. Entfernen Sie zunächst das stehende Wasser von der Oberseite des Kerns mit einer Spritze. Danach filtrieren Sie dieses Wasser durch einen 0,45-Mikrometer-Spritzenfilter.

Als Nächstes legen Sie einen Kernsegmentierungsring über die Oberseite des Kernfutters. Heben Sie dann den Kern an, bis das Sediment an die Oberkante des Rings stößt. Sichern Sie innerhalb der Tüte das Kernfutter, sodass es nicht verrutscht, wenn sich der Kern bewegt.

Es kann notwendig sein, dass der Bediener innerhalb des Handschuhbeutels leicht auf den Kernliner drückt, damit das Kernmaterial oben am Ring sitzt. Danach wird ein Kernschneider zwischen die Oberseite des Liners und den Ring geschoben, sodass der Sedi­mentabschnitt über dem Schneidwerkzeug liegt. Dies ist der erste Kernabschnitt.

Mit Plastiklöffeln die Probe in ein 50-Milliliter-Konischgefäß überführen und dieses fest verschließen. Die Werkzeuge reinigen und den Vorgang wiederholen, bis der gesamte Kern geschnitten und in Gefäße gegeben ist. Während des Schneidens des Kerns kann der Laborhubtisch vollständig ausgefahren werden.

Falls dies auftritt, halten Sie den Kern an Ort und Stelle, senken Sie den Wagen ab, und positionieren Sie die PVC-Teile, um den Kernextruder zu verlängern. Befestigen Sie anschließend den Wagen wieder an seiner Position. Während dieses Vorgangs kann sich die Tasche übermäßig entleeren oder aufblasen.

Nehmen Sie Anpassungen vor, indem Sie das Stickstoffgasventil kurz öffnen oder die Hauptöffnung der Tasche kurz öffnen, um Gas abzulassen. Sobald der Kern geschnitten ist und sich das gesamte Sediment in Zentrifugenröhrchen befindet, können diese Röhrchen aus der Handschuhbox entfernt und die Handschuhbox geschlossen werden. Bereiten Sie anschließend die gesammelten Röhrchen gemäß der schriftlichen Protokollanleitung für die Zentrifugation vor.

Danach bei 1.100 g oder schneller 20 Minuten lang zentrifugieren. Nach der Zentrifugation die Röhrchen in die sauerstofffreie Umgebung zurückbringen und einige leere Röhrchen zur Probenentnahme hinzufügen. Der Beutel sollte anschließend erneut zwei- bis dreimal wie zuvor entleert werden.

Öffnen Sie nun ein zentrifugiertes Röhrchen und entnehmen Sie das Porenwasser mit einer Spritze, die am Ende einen Schlauch aufweist. Anschließend filtrieren Sie das Wasser mithilfe eines 0,45-Mikrometer-Spritzenfilters in ein Sammelröhrchen. Im schriftlichen Protokoll wird erläutert, wie die Proben weiterverarbeitet werden.

Mithilfe des beschriebenen Protokolls wurde neun Monate nach dem Deepwater-Horizon-Unfall ein Kern aus einem Feuchtgebiet in der Nähe von New Orleans entnommen. Dieses Feuchtgebiet war stark mit Öl kontaminiert. Mithilfe eines tragbaren Spektralphotometers Hach DR 2700 zeigten die Daten extrem hohe Sulfidkonzentrationen.

Die Eisenkonzentrationen waren niedrig, und Eisen im dreifach positiv geladenen Zustand wurde nicht nachgewiesen. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man den Handschuhkasten von Sauerstoff befreit, den Kern im Inneren des Handschuhkastens extrudiert, um eine Schnittführung zu ermöglichen, und die Porenwässer von den Sedimenten trennt. Sobald diese Technik beherrscht ist, kann sie je nach Länge des Kerns innerhalb von einer bis drei Stunden pro Kern durchgeführt werden.

Während des Durchführens dieses Verfahrens ist es wichtig, den Handschuhkasten gründlich zu spülen und die Kernhöhe langsam anzupassen. Mithilfe dieses Verfahrens können Methoden wie die Eisen-Speziation durch Ferrozinierung, die Arsen-Speziation durch Voltammetrie oder Säulenseparation sowie die Methyllquecksilber-Trennung durchgeführt werden, um Fragen zum Redoxzustand des Systems zu beantworten. Vergessen Sie nicht, dass das Arbeiten mit Druckgasen äußerst gefährlich sein kann und die Sicherung des Tanks beim Durchführen dieses Verfahrens unerlässlich ist.

Einige Sedimentproben können mit gefährlichen Materialien kontaminiert sein, und es sollten angemessene Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.