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Interpretation of metal profiles in a sediment core from lake geneva: metal mobility or pollution

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Abstract

The transition elements Mn, Fe, Co, Zn, Cu and Cr together with Pb and P were determined in three sequential extractions of sediment and in the pore water of a 35-cm sediment core from Lake Geneva. A high percentage of the mobile Mn, Fe, P, Co, Pb and Zn was extracted in the first (inorganic) fraction, whereas the mobile Cu and Cr were mostly found in the second (organic and sulfide) fraction. Mn was subject to recycling with solubilization from the surface sediment to the oxic bottom water where it was precipitated. Highly enriched Co and P values were observed in the top few mm of the sediment resulting from post depositional solubilization with upward migration and precipitation with oxi-hydroxides at the sediment surface. The slower increase of Cu, Zn and Pb concentrations towards the sediment/water interface are the result of an increase of anthropogenic sources over the past decades. A further increase in Pb in the first cm of the core is believed to be related to the freshly precipitated Mn oxi-hydroxides.

Zusammenfassung

An einem Sedimentkern des Genfersees wurde eine geochemische Studie durchgeführt. Der 35 cm lange Kern stammt aus dem Einflussgebiet der stark sedimentbeladenen Rhone und wurde während der Stagnationsphase des Sees genommen (Fig. 1). Die Sedimentationsrate beträgt 4,5 mm J−1 (0,15 g cm−2 J−1). Einige Übergangsmetalle, Pb und P wurden in drei sich folgenden Extraktionen, nämlich einer inorganischen, einer organischen und sulfiden sowie einer residualen Fraktion, und im Porenwasser bestimmt. Mn, Fe und Cu wurden zusätzlich noch in über der Kernposition liegenden Sedimentfallen analysiert.

Ein hoher Prozentsatz des mobilen Mn (Fig. 5), Fe (Fig. 7), P, und Co (Fig. 6), Pb und Zn (Fig. 9) wurde in der inorganischen Fraktion extrahiert, während man das mobile Cu und Cr vor allem in der organischen und sulfiden Fraktion wiederfindet. Eine hohe Mn-Mobilität wird während der vorliegenden Stagnationszeit aufgezeigt. Die Mn-Oxyhydroxide werden an der Sediment-Wasser-Grenze gelöst, gelangen ins Bodenwasser des Sees wo sie ausfallen und in einem Kreislauf wieder zurück ins Sediment gelangen. Fe weist eine geringere Mobilität auf. Die Anreicherung von Co und P in den obersten Millimetern scheint eine Folge einer Auflösung im Sediment zu sein, gefolgt von einer Migration und einer Fixierung auf Oxyhydroxiden; für Co möglicherweise in der Grenzschicht und für P in der Grenzschicht und im Bodenwasser. Der Anstieg von Cu, Zn und Pb gegen oben ist das Resultat des zunehmenden anthropogenen Einflusses der letzten Dekaden. Für die zusätzliche Pb-Anreicherung im obersten cm schlagen wir als Ursache die hohe Affinität von Pb zu den frisch ausgefällten Mn-Oxyhydroxiden vor.

Résumé

Une étude géochimique d'une carotte de sédiments du Léman a été effectuée. La carotte mesurant 35 cm de long a été prélevé dans la zone soumise à l'influence de l'embouchure du Rhône et de sa forte charge sédimentaire, pendant la période de stagnation du lac (fig. 1). Le taux de sédimentation est d'environ 4,5 mm par an (0,15 g cm−2 an−1). Quelques métaux de transition ainsi que Pb et P ont été dosés dans trois extraits séquentiels, à savoir les fractions «inorganique», «organique et sulfures» et «résiduelle», ainsi que dans l'eau interstitielle. Conjointement, Mn, Fe et Cu ont été dosés dans des sédiments de trappes récoltés sur le même site.

La fraction inorganique permet de solubiliser un pourcentage élevé des formes mobiles de Mn (fig. 5), de Fe (fig. 7), de P et de Co (fig. 6), de Pb et de Zn (fig. 9) alors que les formes mobiles de Cu et de Cr se retrouvent surtout dans la fraction organique et sulfure. Mn présente une mobilité élevée pendant la période de stagnation (période d'échantillonnage): les oxy-hydroxydes de Mn sont très activement dissous à l'interface eau sédiments et cet élément migre dans l'eau du fond ou il précipite et resédimente, complétant le cycle. Fe présente une mobilité moindre. L'enrichissement en Co et en P dans les mm supérieurs de la carotte semble résulter de la dissolution après la sédimentation, migration et enfin co-fixation avec les oxy-hydroxydes. Pour Co ce mécanisme se limite peut être à l'interface, mais pour P il touche également l'eau du fond. L'enrichissement en Cu, Zn et Pb vers l'interface résulte de l'augmentation des apports anthropogéniques durant les dernières décades; il semble que les teneurs élevées en Pb du premier cm doivent également être mises en relation avec l'affinité de cet élément pour les oxy-hydroxydes de Mn.

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References

  1. Anthony, R. S.: Iron-rich rhythmically laminated sediments in lake Clouds, northeastern Minnesota. Limnol. Oceanogr.22, 45–54 (1977).

    Article  CAS  Google Scholar 

  2. Balistrieri, L. S., and Murray J. W.: Marine scavenging: Trace metal adsorption by interfacial sediment from MANOP site H. Geochim. cosmochim. Acta48, 921–929 (1984).

    Article  CAS  Google Scholar 

  3. Berner, R. A.: Authigenic mineral formation resulting from organic matter decomposition in modern sediments. Fortschr. Miner.59, 117–135 (1981).

    CAS  Google Scholar 

  4. Bonatti, E., Fisher, D. E., Joensuu, O., and Rydell, H. S.: Postdepositional mobility of some transition elements, phosphorus, uranium and thorium in deep sea sediments. Geochim. cosmochim. Acta39, 189–201 (1971).

    Article  Google Scholar 

  5. Bray, J. T., Bricker, O. P., and Troup, B. N.: Phosphate in interstitial waters of anoxic sediments: oxidation effects during sampling procedure, Science180, 1362–1364 (1973).

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  6. Bricker, O. P., and Troup, B. N.: Sediment-water exchange in Chesapeake bay. In: Cronin, L. E. (ed.): Estuarine research; vol. 1, p. 3–27. Academic Press, New York 1975.

    Google Scholar 

  7. Burrus, D.: Contribution à l'étude du transport du phosphore dans le Rhône alpin. Thèse ès Sciences, no 2135, Université de Genève (1984).

  8. Chester, R., and Hughes, M. I.: A chemical technique for the separation of ferro-managanese minerals, carbonate minerals and adsorbed trace elements from pelagic sediments. Chem. Geol.2, 249–263 (1967).

    Article  CAS  Google Scholar 

  9. Dominik, J., Rapin, F., Vernet, J.-P.: Sequential chemical extractions of Pb-210, Po-210, stable Pb and other metals from marine and lacustrine sediments. Int. Conf. Heavy metals in the environment2, 1078–1081 (1983).

    CAS  Google Scholar 

  10. Druart, J. C., Pelletier, J., Pongratz, E., and Revaclier, R.: Phytoplankton. In: Le Léman. Synthèse 1957–1982, p. 261–303, CIPEL, Lausanne 1984.

    Google Scholar 

  11. ElGhobary, H.: Fe, Mn, Cu and Zn in interstitial water of near-shore sediments. Mar. Geol.47, M11-M20 (1982).

    Article  CAS  Google Scholar 

  12. El Ghobary, H.: Diagénèse précoce en milieu littoral et mobilité des éléments métalliques. Thèse d'Etat ès Sciences, no 765, Univ. Bordeaux I (1983).

  13. El Ghobary, H., and Latouche, C.: Metal early diagenesis and pollution in the tidal flats of Marennes Oleron bay: application of metal sequential extraction. Proceedings International Symposium on Coastal Lagoons, SCOR/IABO/UNESCO, Bordeaux, 8–14 September 1981, Oceanol. Acta, sp. no. p. 119–128 (1982).

  14. El Ghobary, H., and Latouche, C.: A comparative study of partitioning of certain metals in sediments from four near shore environments of the Aquitaine coast (SW France). In: Sly, P. G. (ed.): Sediments water interactions. Springer-Verlag, in press (1985).

  15. Emerson, S.: Early diagenesis in anaerobic lake sediments: chemical equilibra in interstitial water. Geochim. cosmochim. Acta40, 925–934 (1976).

    Article  CAS  Google Scholar 

  16. Emerson, S., and Widmer, G.: Early diagnenesis in anaerobic lake sediments. II. Thermodynamic and kinetic factors controlling the formation of iron phosphate. Geochim. cosmochim. Acta42, 1307–1316 (1978).

    Article  CAS  Google Scholar 

  17. Förstner, U.: Metal concentrations in recent lacustrine sediments. Arch. Hydrobiol.80, 172–191 (1977).

    Google Scholar 

  18. Garrels, R. M., Thompson, M. E., and Siever, R.: Stability of some carbonates at 25°C and one atmosphere total pressure. Am. J. Sci.258, 402–418 (1960).

    Article  CAS  Google Scholar 

  19. Gregory, T. M., Moreno, E. C., and Brown, W. E.: Solubility of CaHPO4·2H2O in the system Ca(OH)2−H3PO4−H2O at 5, 15, 25 and 37.5°C. J. Res. NBS74A, 461–475 (1970).

    Google Scholar 

  20. Gupta, K., and Chen, K. Y.: Partitioning of trace metals in selective chemical fractions of near shore sediments. Envir. Lett.10, 129–158 (1975).

    Article  CAS  Google Scholar 

  21. Harned, H. S., and Scholes, S. R.: The ionization constant of HCO 3 from 0° to 50°. J. amer. Chem. Soc.63, 1706–1709 (1941).

    Article  CAS  Google Scholar 

  22. Hem, J. D.: Geochemical controls on lead concentrations in stream water and sediments. Geochim. cosmochim. Acta40, 599–609 (1976).

    Article  CAS  Google Scholar 

  23. jaquet, J.-M., Nembrini, G., Garcia, J., and Vernet, J.-P.: The Mn cycle in lac Léman, Switzerland: The role of Metallogenium. Hydrobiologia91, 323–340 (1982).

    Google Scholar 

  24. Jaquet, J.-M., Davaud, E., Rapin, F., and Vernet, J.-P.: Basic concepts and associated statistical methodology in the geochemical study of lake sediments. Hydrobiologia91, 139–146 (1982).

    Google Scholar 

  25. Jaquet, J.-M., Lapin, F., Davaud, E., and Vernet, J.-P.: Géochimie des sédiments du Léman. Matériaux pour la Géologie de la Suisse. Hydrologie30, 70 (1983).

    Google Scholar 

  26. Jouanneau, J. M., Latouche, C., and Pautrizel, F.: Analyse critique des extractions séquentielles à travers l'étude de quelques constituents des résidus d'attaque. Envir. Techn. Lett.4, 509–514 (1983).

    Article  CAS  Google Scholar 

  27. Li, Y. H., Bischoff, J., and Mathieu, G.: The migration of managanese in the Atlantic basin sediment. Earth planet. Sci. Lett.7, 265–270 (1969).

    Article  CAS  Google Scholar 

  28. Meguellati, N.: Mise au point d'un schéma d'extractions sélectives des polluants métalliques associés aux diverses constitutives des sédiments. Thèse de 3e cycle, Univ. de Pau et Pays de l'Adour, p. 105 (1982).

  29. Monod, R., Blanc, P., and Corvi, C.: Les formes du phosphore. In: Le Léman. Synthèse 1957–1982 p. 121–140 CIPEL, Lausanne 1984.

    Google Scholar 

  30. Nembrini, G., Capobianco, J. A., Garcia, J., and Jaquet, J.-M.: Interaction between interstitial water and sediments in two cores of lac Léman, Switzerland. Hydrobiologia92, 363–375 (1982).

    Google Scholar 

  31. Nissenbaum, A., and Swaine, D. J.: Organic matter-metal interactions in recent sediments: The role of humic substances. Geochim. cosmochim. Acta40, 809–816 (1976).

    Article  CAS  Google Scholar 

  32. Nriagu, J. O.: Stability of vivianite and ion-pair formation in the system Fe3(PO4)2−H3PO4−HO. Geochim. cosmochim. Acta36, 459–470 (1972).

    Article  CAS  Google Scholar 

  33. Oakley, S. M., Dephey, C. E., Williamson, K. J., and Nelson, P. O.: Kinetics of trace metal partitioning in model anoxic marine sediments. Water Res.14, 1067–1072 (1980).

    Article  CAS  Google Scholar 

  34. Postma, D.: The occurrence and chemical composition of recent Fe-rich mixed carbonates in river bog. J. sediment. Petrol.47, 1089–1098 (1977).

    CAS  Google Scholar 

  35. Postma, D.: Formation of siderite and vivianite and the pore water composition of a recent bog sediment in Denmark. Chem. Geol.31, 225–244 (1981).

    Article  CAS  Google Scholar 

  36. Rapin, F., Davaud, E., and Vernet, J.-P.: Etude générale de la pollution des sédiments du Léman. Rapport Comm. int. Protect. Léman, p. 294–309 (1978).

  37. Rapin, F., and Förstner, U.: Sequential leaching techniques for particulate metal speciation. In: International Conference, Heavy Metals in the Environment, vol. 2, Heidelberg, September 1983, p. 1074–1077 (1983).

  38. Rapin, F., Tessier, A., Campell, P. G. C., and Carignan, R.: Potential artifacts in the determination of metal partitioning in sediments by a sequential extraction procedure. Envir. Sci. Technol. in press (1986).

  39. Robbins, J. A., and Callender, E.: Diagenesis of manganese in lake sediments. Am. J. Sci.275, 512–533 (1975).

    Article  CAS  Google Scholar 

  40. Skei, J. M., and Paus, P. E.: Surface metal enrichment and partitioning of metals in a dated sediment core from Norwegian fjord. Geochim. cosmochim. Acta,43, 239–246 (1979).

    Article  CAS  Google Scholar 

  41. Smith, R. M., and Martell, A. E.: Critical stability constants. In: Inorganic Complexes, vol. 4, p. 257. Plenum Press, New York 1976.

    Google Scholar 

  42. Stumm, W. and Morgan, J. J.: Aquatic chemistry, an introduction emphasizing chemical equilibria in natural waters, p. 583. Wiley Interscience, New York 1981.

    Google Scholar 

  43. Swaine, D. J.: Lead in the environments. J. Proc. R. Soc. New South Wales3, 41–47 (1978).

    Google Scholar 

  44. Tessenow, U.: Losungs-, Diffusions- und Sorptionsprozesse in der Überschicht von Seesedimenten, III. Arch. Hydrobiol., Suppl. 42, 273–339 (1973).

    Google Scholar 

  45. Tessenow, U.: Losungs-, Diffusions- und Sorptionsprozesse in der Überschicht von Seesedimenten, IV. Arch. Hydrobiol., Suppl. 47, 79 (1974).

    Google Scholar 

  46. Tessier, A., Campbell, P. G. C., and Bisson, M.: Sequential extraction procedure for speciation of particulate trace metals. Analyt. Chem.51, 844–851 (1979).

    Article  CAS  Google Scholar 

  47. Tessier, A., Campbell, P. G. C., and Bisson, M.: Trace metal speciation in the Yamask and St. François rivers (Quebec). Ca. J. Earth Sci.17, 90–105 (1980).

    CAS  Google Scholar 

  48. Tessier, A., Campbell, P. G. C., and Bisson, M.: Particulate trace metal speciation in stream sediments and relationships with grain size: implications for geochemical exploration. J. Geochem. Explor.16, 77–104 (1982).

    Article  CAS  Google Scholar 

  49. Troup, N. B., Bricker, O. P., and Bray, J. T.: Oxidation effect of the analysis of iron in the interstitial water of recent sediments. Nature249, 237–239 (1974).

    Article  CAS  Google Scholar 

  50. Vernet, J. P., Dominik, J., and Favarger, P. Y.: Texture and sedimentation rates in Lake Geneva. Envir. Geol.5 (3), 143–149 (1984).

    Article  CAS  Google Scholar 

  51. Wang, Z.-J., Giovanoli, F., El Ghobary, El and Vernet, J.-P.: A speciation study of phosphorus in the interstitial water of Lake Geneva (Switzerland). In: Sly, J. G. (ed.): Sediments Water Interactions. Springer-Verlag, in press (1986).

  52. Zahner, P.: Sulfates. In: Le Léman. Synthèse 1957–1982, p. 193–198 CIPEL, Lausanne 1984.

    Google Scholar 

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Wang, Z.J., El Ghobary, H., Giovanoli, F. et al. Interpretation of metal profiles in a sediment core from lake geneva: metal mobility or pollution. Schweiz. Z. Hydrol 48, 1–17 (1986). https://doi.org/10.1007/BF02544112

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