Søer på prærien forsvinder og oversvømmes

Bemærk: Disse sider fungerer bedst med Firefox- eller Safari-browsere

De nordlige Great Plains Setting

Den geomorfiske provins Northern Great Plains (NGP) i det vestlige Canada er et stort område i Nordamerika, der omfatter over 350.000 km2. Regionen strækker sig fra det prækambriske skjold nær Winnipeg, Manitoba, vestpå i over 1600 km til foden af Rocky Mountains og er Canadas landbrugskerneområde og rummer også det meste af befolkningen i det vestlige Canada. NGP er kendetegnet ved en flad til let kuperet topografi og har et koldt, halvtørt klima. Pleistocæn kontinental istid har resulteret i en tyk sekvens af ukonsoliderede glaciale, glaciofluviale og glaciolakustriske sedimenter, der dækker den generelt fladtliggende kridt- og tertiære sedimentære undergrund.

Set ud fra saltsøers geokemi er de to vigtigste fysiske træk ved regionen de høje forhold mellem fordampning og nedbør og tilstedeværelsen af store områder med endorheisk afvanding. Selv om den årlige middeltemperatur på ~3 °C ville indebære relativt lave fordampningsrater, skaber de kraftige vinde, den lave luftfugtighed og de varme sommertemperaturer fordampnings-/nedbørsværdier på generelt mellem 3 og 10. Det gennemsnitlige årlige fugtighedsunderskud i regionen er på ca. 350 mm.

Disse klimatiske træk kombineret med den dårligt integrerede afvanding, hvor næsten 45% af det sydlige Saskatchewan og det østlige Alberta er topografisk lukket, resulterer i et stort antal saltvandssøer af forskellig morfologi og geokemiske karakteristika. I modsætning til mange andre områder i verden, hvor der findes en overflod af saltsøer (f.eks, se oversigter i Jones og Bowser, 1978; Jones og Deocampo, 2003), er den nordlige Great Plains-region tektonisk meget stabil og udviser ikke et markant topografisk relief, og der er heller ikke en dramatisk lithologisk diversitet i hverken de glaciale aflejringer eller grundfjeldet på lokalt eller regionalt plan.

Saline Lake Geochemistry

Den salte natur af overfladevandet og de tilhørende søaflejringer i de nordlige Great Plains var velkendt af de lokale aboriginalgrupper på tidspunktet for den europæiske ekspansion og bosættelse i regionen i midten af det 19. århundrede. Selv om de første kemiske analyser af saltvandet fra denne region blev offentliggjort i 1890’erne, var det først næsten et halvt århundrede senere, at man blev klar over saltsøernes fulde omfang og diversitetsgrad. I over tredive år efter 1890’erne kom den eneste videnskabelige indsats og de eneste videnskabelige data om disse søer fra økonomiske geologer, der var interesseret i udnyttelige reserver af først nitratsalte og senere natrium- og magnesiumsalte i søerne. Faktisk er resultaterne af en regional undersøgelse af disse økonomiske forekomster, som blev foretaget af den canadiske regering i begyndelsen af 1920’erne (Cole, 1926), stadig en af de bedste og mest omfattende oversigter over saltsøernes hydrogeokemi.

Og selv om vores viden om kemien i overfladevandet i de canadiske Great Plains stadig ikke er så avanceret som i nogle andre dele af Nordamerika, er vores viden om kemien i overfladevandet i de canadiske Great Plains gået en del frem i forhold til disse tidlige geologiske/geokemiske rekognosceringsbestræbelser. I en af de første systematiske limnologiske undersøgelser i regionen rapporterede Rawson og Moore (1944) om vandkemien i 53 søer fra det sydlige Saskatchewan. Rutherford (1970) samlede data om sammensætningen af flere hundrede søer i Saskatchewan (herunder både ferske og saltholdige bassiner). Hammer (1978) rapporterede om vandkemien i 60 hovedsageligt flerårige saltvandssøer i det sydlige Saskatchewan. Resultaterne af en stor del af dette tidlige regionale arbejde er blevet sammenfattet af Northcote og Larkin (1963), Hammer (1986) og Last (1989a).
Andre vigtige bidrag, der dækker mindre geografiske områder af Great Plains, omfatter: Govett (1958), Bierhuizen og Prepas (1985), Derry et al. (2003) og Evans og Prepas (1996) i det centrale og østlige Alberta; Hartland-Rowe (1966) i det sydøstlige Alberta; Rozkowski (1967) og Roskowska og Roskowski (1969) i Moose Mountain-området i det sydlige Saskatchewan; Lieffers og Shay (1983) og Driver og Peden (1977) i det centrale Saskatchewan; og Driver (1965) og Barica (1975; 1977) i det vestlige Manitoba. I nyere rapporter fra Pham et al. (2008; 2009), Kelly og Holmden (2001) og Lemmen og Vance (1999) indgår vandkemidata fra ~65 saltvandssøer i det vestlige og centrale Saskatchewan.

Vi har nu saltvandskemidata fra ca. 800 af saltvandssøerne i de nordlige Great Plains i Canada. Selv om de fleste af disse data repræsenterer analyser af enkeltprøver, er nogle af dem gennemsnit af mange prøver, der er indsamlet over en periode på måneder, år eller årtier. Generelt har de større søer (f.eks. Manitobasøerne, Quill, Manito osv.) de længste tidsregistreringer, der i nogle tilfælde går helt tilbage til begyndelsen af det tyvende århundrede. Ingen sø i de canadiske prærieområder har imidlertid en kontinuerlig overvågningsoptegnelse af mere end fire årtiers varighed. Af de søer, for hvilke der foreligger data, ligger 10 % i Manitoba, 72 % i Saskatchewan og 18 % i Alberta.

Selv om de fleste af søerne på de store sletter i det vestlige Canada har samme overordnede oprindelse, udviser vandet ikke desto mindre en betydelig diversitet med hensyn til ionisk sammensætning og koncentration. De tidlige undersøgere (hovedsagelig økonomiske geologer, der koncentrerede sig om de mest koncentrerede saltvandssalte), fremhævede en stærk dominans af Na og SO4 i søerne (f.eks. Cole, 1926; Tomkins, 1954a, b). Rutherford (1970) og Hammer (1978) understregede på samme måde betydningen af natrium-, magnesium- og sulfatkomponenterne i de flerårige søer i Saskatchewan, men anerkendte også et bredt spektrum af vandtyper på grundlag af ionforhold. Rutherford (1970) var i stand til at relatere den rumlige variation i vandtyperne til klimatiske gradienter inden for provinsen og til sammensætningen af det lavvandede grundvand.

Vi er nu klar over, at der ikke alene findes et komplet spektrum af saltholdigheder fra relativt fortyndet vand (0,1 ppt TDS) til saltvand, der er mere end en størrelsesorden større end havvand, men også at stort set alle vandkemiske typer er repræsenteret i søer i regionen. Selv om det naturligvis er misvisende at generalisere ved at nævne middelværdier og gennemsnit, har det “gennemsnitlige” søvand ca. 30 ppt TDS og viser (i meq%): Na≈Mg>Ca>K og SO4>HCO3>Cl>CO3.

Det er næppe overraskende, at søvandet i de nordlige Great Plains udviser en så betydelig variation i ionisk sammensætning og koncentration i betragtning af det enorme geografiske område og de varierende hydrologiske, geomorfologiske og klimatiske forhold. Med et så stort spektrum af saltholdigheder følger det, at koncentrationerne af de enkelte ioniske komponenter også varierer meget. Frekvensfordelingerne af Mg-, Na-, Cl- og SO4-koncentrationerne i søens vand har tendens til at være multimodale i modsætning til Ca- og HCO3-ionerne, som viser et meget smallere fordelingsmønster. Sulfat- og karbonatrige søer dominerer klart de store sletter og udgør over 95 % af de samlede søer. Denne mangel på Cl-rige søer gør regionen usædvanlig sammenlignet med mange andre områder i verden (f.eks. Australien, det vestlige USA; Eugster og Hardie, 1978; Williams, 1981). Kationforholdene er meget mere forskelligartede, idet forekomsten af alle tre hovedtyper viser omtrent under lige store proportioner.

Som man kunne forvente, stiger de fleste af de opløste stoffer i søernes vand i koncentration med stigende samlet saltholdighed. Sulfat-, chlorid- og natriumioner viser de mest statistisk signifikante korrelationer med TDS, mens calcium- og karbonatkoncentrationerne er mindre direkte relateret til saltholdigheden.
Andelen af nogle af de opløste stoffer viser også en systematisk ændring med saltholdigheden. Sulfat stiger i relativ ionisk andel fra mindre end 30 % ækvivalenter i fortyndede søer til generelt mere end 70 % i søer med mere end 10 ppt TDS. Andelen af calcium og bicarbonat + carbonat viser et omvendt forhold til saltholdigheden, idet den falder fra over 70 % ækvivalenter i de fortyndede vande til næsten 5 % i søer med mere end 25 ppt TDS.

Den relativt ensartede fordeling af søer på de nordlige Great Plains, for hvilke der foreligger vandkemidata, gør det muligt at undersøge ionindholdet på et geografisk grundlag. Last og Schweyen (1983) og Last (1988; 1989a) diskuterer disse regionale tendenser og præsenterer isohaline kort for de saltholdige søer i Saskatchewan, Alberta, North Dakota og Montana. Søer med de højeste Na-, Mg- og SO4-koncentrationer forekommer generelt i det østlige centrale Alberta, det vestlige centrale og sydlige Saskatchewan, mens søer med højt alkalinitets- og Cl-indhold findes i det centrale Alberta og det vestlige Saskatchewan. Søer med relativt lave andele af Ca og Mg forekommer i den nordlige og centrale del af Plains.

En statistisk analysemetode: Indsigt i kontrollerende faktorer for vandsammensætning

Den vigtigste ioners sammensætning og koncentration i disse søer er et resultat af: (i) et komplekst samspil mellem ukonsoliderede gletsjersedimenter, grundfjeld og nedbør/smeltevand i afvandingsbassinet, (ii) sammensætningen og mængden af grundvandstilførsel (og udledning) og vandløbsstrømmen i hvert bassin, og (iii) en lang række andre fysiske, kemiske og biologiske processer, der fungerer i selve vandsøjlen. Generelt er der blevet anvendt flere typer geokemiske metoder til at forstå de vigtigste faktorer, der styrer overfladevandets kemi. Disse omfatter massebalanceberegninger, termodynamiske ligevægtsbetragtninger og statistiske vurderinger (se oversigt i Drever, 1988). I det vestlige Canada har både massebalance- og termodynamiske beregninger vist sig at være værdifulde til at tyde mange af de intrinsiske (inden for afvandingsområdet) processer, der er vigtige for vandets sammensætning på lokalt plan (f.eks. Roskowski, 1965; Wallick og Krouse, 1977; Wallick, 1981; Last, 1984). På regionalt plan har man derimod med succes anvendt forskellige statistiske teknikker til at forstå sammenhængen mellem vandkemien og ydre miljøfaktorer som klima, grundfjeld, geomorfologi og jordbundssammensætning (f.eks. Dean og Gorham, 1976; Last, 1992; Winter, 1977). Disse statistiske tilgange mangler imidlertid evnen til at opløse de ofte vigtige lokale forhold og processer, men de er dog væsentlige for vores overordnede forståelse af de lakustriske geokemiske rammer i regionen som helhed.
En af de mest enkle måder at analysere sammenhængene inden for et datasæt på er at undersøge de simple lineære korrelationer, der findes mellem de forskellige parametre. Koncentrationerne af Na, Ca og Mg i saltvandet i disse søer er alle signifikant positivt korreleret, og det samme gælder SO4 og Cl. Desuden har ionparrene Mg-SO4, Mg-Cl og Na-Cl tendens til at være stærkt samvarierende. Det er vigtigt at bemærke, at koncentrationerne af Na og SO4 ikke udviser statistisk signifikant lineær korrelation, hvilket tyder på, at forskellige processer påvirker forekomsten af hver af disse ioner. Andelene af Ca og HCO3 udviser signifikant positiv samvariation, mens andelene af Mg og Na og HCO3 og SO4 er omvendt relateret.

Ved hjælp af en Q-mode klyngeanalyse (associationer mellem søer) opdelte Last (1992) søerne i to hovedkategorier: en gruppe af søer med høj saltholdighed (> 20 ppt TDS) og en gruppe, der er karakteriseret ved relativt lavere TDS-værdier. Hver af disse hovedgrupper blev yderligere opdelt i mindre grupper af søer i forhold til deres hovedion-sammensætning.

Ved at kombinere en række morfologiske (bassinområde, maksimal dybde), geologiske (grundfjeldstype, dybde til grundfjeld, till-type), hydrologiske (afvandingsområde, antal vandløb, der løber ind i søen, højde, grundvandssammensætning) og klimatiske (gennemsnitlig årlig nedbør, fordampning, temperatur) variabler med en database over søers vandkemi, brugte Last (1988, 1992) R-mode faktoranalyse til at identificere et sæt af syv statistiske faktorer, der forklarede over 90 % af variansen i dataene. Disse statistiske faktorer kan fortolkes i form af de vigtigste intrinsiske og extrinsiske kontroller af vandets sammensætning og koncentration på regionalt plan som følger (i) Over en tredjedel af den samlede varians i dataene forklares af sammensætningen af det indstrømmende grundvand. (ii) Bækkenets forhold mellem fordampning og nedbør forklarer ca. 20 % af variansen, efterfulgt af (iii) søens højde eller placering i afvandingsbækkenet. Variabler relateret til bjergartstypen, sammensætningen af gletsjerdrift, fluvialt input og søens morfologi er statistisk set mindre vigtige.

Saltkilde

Det er generelt velkendt, at grundvandet spiller en meget vigtig rolle ikke blot i den overordnede hydrologi af saltvandssøer, men også i dikteringen af deres hydrokemi. Med nogle få bemærkelsesværdige undtagelser (f.eks. Birks og Remenda, 1999; Freeze, 1969; Kelley og Holmden, 2001; Van der Kamp og Hayashi, 1998; Wallick, 1981) er grundvandets interaktionsprocesser med de enkelte saltvandsbassiner i de nordlige Great Plains dog stadig dårligt forstået. Derimod er den regionale sammensætning, variation og hydrodynamik af underjordisk vand rimeligt velkendt. Som opsummeret andetsteds (se oversigter i Betcher et al. (1995), Brown (1967), Lennox et al. (1988), Pupp et al. (1981), Remenda og Birks (1999), Rutherford (1967)), er der flere hovedtyper af underjordisk vandsammensætning i regionen. Det meste af grundvandet i de ukonsoliderede overfladiske aflejringer har et lavt til moderat saltindhold (3 ioner. I områderne med den laveste nedbørsmængde (det sydvestlige Saskatchewan og det sydøstlige Alberta) er det lavvandede drivgrundvand normalt domineret af SO4-ionen snarere end af HCO3. De lavvandede grundvandsmagasiner (bjergarter fra den øvre kridttid og yngre bjergarter) består hovedsagelig af natrium-bicarbonat i det sydlige Alberta, calcium-magnesium-natrium-sulfat i Saskatchewan og calcium-magnesium-natrium-bicarbonat i det vestlige Manitoba. Det dybere palæozoiske og kenozoiske grundfjeld indeholder vand med meget højere saltholdighed (op til 300 ppt TDS), som normalt domineres af Na og Cl.

Mens der ikke er megen uenighed om, at grundvandet er en vigtig faktor i saltsøernes hydrologi, har den specifikke oprindelse og den endelige kilde til ionerne i søerne i de nordlige Great Plains været genstand for betydelig diskussion. Noget af det tidlige arbejde foreslog, at de dybt begravede palæozoiske evaporitter, som forekommer i undergrunden, kunne være en mulig kilde til saltene i søerne. Grossman (1968) viste, at der er en sammenhæng mellem forekomsten af natriumsulfataflejringer i søer ved overfladen og tilstedeværelsen og tendenserne af forskellige saltenheder i den devoniske Prairie Formation i regionen. I modsætning hertil er det lavvandede kridt- og tertiære grundfjeld, i modsætning til den dybe palæozoiske sekvens, blevet impliceret som kilde til i det mindste nogle af de opløste komponenter i søerne (Cole, 1926; Sahinen, 1948; Wallick og Krouse, 1997).
Finalt, snarere end at påberåbe sig kilder fra grundfjeldet, er der betydelig støtte for, at kilden til ionerne er de kvartære aflejringer, inden for hvilke søerne er umiddelbart beliggende (Kelley og Holmden, 2001; Rozkowski, 1967; Rutherford, 1970). Der kan dokumenteres en række fysiokemiske og biokemiske reaktioner, herunder kationudveksling, opløsning af feldspat og udfældning af authigene sulfat-, karbonat- og silikatfaser i tills, som understøtter sidstnævnte hypotese. Desuden har mange forskere (f.eks, Freeze, 1969; Last, 1984b; Rueffel, 1968a; Rueffel, 1968b; Witkind, 1952) har understreget den tætte forbindelse mellem de mere salte lakustrine saltvandssalte og begravede præglaciale og glaciale dale, og har konkluderet, at disse begravede dale fungerer som kanaler for grundvand, der tilfører opløst materiale til søerne.

Andre vigtige overvejelser

Kortsigtet tidsmæssig variation:

En vigtig komplicerende faktor ved karakteriseringen af kemien i saltsøerne i NGP er, at mange af søerne udviser playa-karakteristika, idet de fyldes med vand i løbet af foråret og forsommeren og tørrer helt ud i sensommeren eller efteråret. Last og Ginn (2005) anslår, at 85 % af saltsøerne i denne region er påvirket af denne type sæsonbestemt hydrologisk cyklus. Denne stærke sæsonafhængighed af vandstanden giver anledning til dramatiske ændringer i både ionkoncentrationer og ionforhold, hvilket er blevet påvist i talrige undersøgelser. F.eks. undergår Ceylon Lake, en saltdomineret playa i det sydlige Saskatchewan, årlige ændringer i koncentrationen fra ca. 30 ppt TDS til mere end 300 ppt (Last, 1990). Denne sø udviser også dramatiske udsving i ionforholdet på årstidsbasis fra en Ma-(Mg)-SO4-HCO3-type i det tidlige forår til en Mg-(Na)-Cl-SO4-sammensætning i efteråret (Last, 1989b). Hammer (1978, 1986) og Last (1984a) opsummerer de kortvarige tidsmæssige ændringer i saltholdighed og kemi i flere andre saltvandssøer i regionen. Desværre er der kun få bassiner i de nordlige Great Plains, som har været genstand for periodisk detaljeret prøvetagning over en årrække.

Brine Evolution:

Sammensætningen af enhver lukket bassinet lakustrin saltvand er i sidste ende bestemt af to hovedfaktorer: (i) de opløste stoffer erhverves af fortyndet indstrømmende vand gennem forvitringsprocesser og atmosfærisk nedfald, og (ii) efterfølgende fordampning og koncentration af ioner fører til udfældning af mineraler, hvilket yderligere påvirker den endelige sammensætning af saltvandsvandet. Sidstnævnte ændring i søvandets sammensætning betegnes som saltvandsudvikling og har været genstand for betydelig videnskabelig interesse (f.eks. Jones, 1966; Jones og van Denburgh, 1966). Garrels og McKenzie (1967), der arbejdede med naturligt vand i Sierra Nevada-regionen i det vestlige USA, påpegede først, at mineraludfældning, der udløses af fordampningskoncentration, er den primære kontrol af saltvandsudviklingen. Hardie og Eugster (1970) generaliserede efterfølgende udviklingsskemaet og konkluderede, at der er tre hovedveje for udvikling af saltvand, der resulterer i fem dominerende saltvandstyper i evaporitiske lakustrine bassiner.

Selv om der har været mange ændringer af det grundlæggende Hardie-Eugster-udviklingsskema, er modellens vigtigste bidrag den kemiske opdeling. En kemisk skillelinje er et punkt i en saltvands udviklingssekvens, hvor udfældning af et mineral udtømmer vandet på visse kationer eller anioner, og yderligere fordampning flytter opløsningen ad en bestemt vej. Resultatet af denne proces er, at små forskelle i ionforholdet i søens fortyndede startsammensætning forstærkes, efterhånden som søvandet udvikler sig og giver saltvand af forskellig og forskelligartet sammensætning.
På grund af deres relativt lave opløselighed er kalciumkarbonaterne (calcit, aragonit) normalt de første, der udfældes; disse udgør det første skillepunkt for de fleste kontinentale saltvand. Forholdet af Mg, Ca og HCO3 i den fortyndede moderopløsning bestemmer derefter den efterfølgende fordampningsvej, og Mg/Ca-forholdet bestemmer, hvilket specifikt karbonatmineral der vil udfælde. Hvis calcium er beriget i forhold til karbonatalkalinitet, vil saltvandet følge vej I efter den første udfældning af CaCO3. Yderligere fordampning af denne type saltvand vil føre til en anden deling: udfældning af gips. Herefter vil den videre udvikling blive styret af de relative proportioner af Ca og SO4 (dvs. vej III og IV).
Hvis HCO3 imidlertid er beriget i forhold til Ca i den fortyndede indstrømningsopløsning, vil saltvandsudviklingen følge vej II efter den første deling. På denne vej vil calcium i sidste ende blive udtømt og efterlade et overskud af HCO3, som igen kan kombineres med Mg og Na for at frembringe en række komplekse Na-Mg-carbonat-sulfat-evaporitter. En anden deling i denne udviklingsvej er sepiolit . Den videre udvikling af saltvandet efter denne deling styres af de relative koncentrationer af Mg2+ i forhold til HCO3-. Hvis magnesiumkoncentrationen er større end den resterende alkalinitet, vil saltvandet udvikle sig til et sulfat- eller kloridholdigt slutprodukt (V). Omvendt vil vandet blive en alkali-carbonat-saltlage (VI), hvis magnesiumkoncentrationen er mindre end HCO3-alkaliniteten efter sepiolitudfældning.

Selv om denne model fungerer godt i teorien, og principperne om kemiske skillelinjer og udviklingsveje er gyldige, er modellen tydeligvis en overforenkling af en kompleks række sedimentære og geokemiske processer. Det er først for relativt nylig, at vi er begyndt at forstå denne kompleksitet (f.eks. Drever, 1988; Herczeg et al., 2001; Jones og Deocampo, 2003). Faktisk er det kun få kontinentale saltvand, der rent faktisk følger nogen af de veje, der er skitseret i denne model. For eksempel i sti II findes Mg-silikat (sepiolit) sjældent som et primært mineral og synes derfor ikke at være en rimelig opdeling. Modellen antyder også, at kun et relativt lille antal saltvandstyper vil udvikle sig fra en typisk fortyndet tilstrømning; dette er tydeligvis ikke tilfældet, og der er mange almindelige saltvandstyper, som ikke er repræsenteret. For eksempel er den typiske Na-Mg-SO4-HCO3-saltlage, som er meget almindelig på de nordlige Great Plains, ikke repræsenteret.
På grund af det brede spektrum af vandkemiske typer, som søerne på Great Plains udviser, giver disse søer imidlertid kritisk information, som kan bidrage til en bedre forståelse af udviklingen af kontinentale saltlag. Da saltmineraler reagerer termodynamisk og kinetisk på selv relativt små ændringer i saltvandssammensætningen, giver de bassiner i Great Plains, der har relativt tykke, sammenhængende sekvenser af holocæne evaporitter, et glimt af en kompleks række evolutionære sekvenser. Last (1995) brugte Markov-kædeanalyse til at identificere fire generaliserede anionsekvenser og fem kationsekvenser i de holocæne evaporitter fra flere dusin Great Plains-søer. Den hyppigst forekommende cyklus blandt anionerne (som forekommer i ~50% af søerne) er: CO3 → CO3-SO4 → SO4. Denne anionsekvens var bedst repræsenteret i Ceylon-søen i den sydlige centrale del af Saskatchewan og blev derfor kaldt Ceylon-typen. De tre andre anionsekvenser, som forekommer mindre hyppigt, er:
Alsak-typen (~20%): CO3 → Cl-SO4 → SO4
Metiskow-type (~10%): SO4 → CO3-SO4 → CO3
Waldsea-typen (~10%): SO4 → CO3-SO4 → CO3
Waldsea-typen (~10%): SO4 → CO3
Kationernes evolutionære sekvenser i de 24 undersøgte søer var betydeligt mere komplekse end anionsekvenserne, og ca. 20% af de stratigrafiske sektioner udviste ingen statistisk signifikante tidsmæssige tendenser i sammensætningen. De mest almindelige kationsekvenser, der findes i ca. 60 % af søerne, er af Lydden-typen (33 %): Ca → Ca-Mg → Na → Na → Na-Mg-Ca og Ingebright-typen (28 %): Na-Mg → Ca-Na-Mg → Na-Mg → Na-Mg → Nafølget af:

Metiskow-typen (~15%): Ca → Na-Mg → Ca-Mg-Na → Na
Little Manitou type (~10%): Ca → Na-Mg-Na → Ca-Mg-Na → Na
Little Manitou type (~10%): Ca-Mg → Mg-Na → Mg
Freefight type (~5%): Ca-Mg → Mg-Na → Mg
Freefight type (~5%): Ca → Mg-Ca → Mg-Na
På grund af kompleksiteten i samspillet mellem intrinsiske processer (dvs. sedimentære, geokemiske, hydrologiske og biologiske processer i selve søens bassin) og extrinsiske processer (dvs. “eksterne” faktorer som f.eks. klimaændringer, ændring af afvandingsområdet) er det ikke ligetil at identificere årsagsmekanismerne for disse forskellige evolutionære sekvenser. Det er klart, at der skal indsamles langt flere kvantitative data fra evaporitterne i disse og andre saltvandssøer i regionen for at kunne forklare og modellere de observerede tendenser i sammensætningen korrekt.
Biologiske processer, der påvirker saltsøernes kemi: Generelt set ligner de biologiske processer i saltsøer i det vestlige Canada dem i ferske stående vandområder, uanset deres fysiske og kemiske ekstremer. Der er dog betydelige forskelle i biotaen mellem ferske og salte søer (Hammer, 1986). Ved lav saltholdighed er artssammensætningen i saltsøer sammenlignelig med den i ferskvandssøer (Evans, 1993). Efterhånden som saltholdigheden stiger, falder artsdiversiteten (Haynes og Hammer, 1978), og når saltholdigheden når ekstremt høje værdier, bliver artsdiversiteten meget lav. Ved disse forhøjede saltholdigheder er søen normalt kun domineret af halotolerante organismer.
Saltede og hypersaltede søer har nogle af de højeste målte satser for organisk produktivitet i verden (Warren, 1986). Ved moderat til høj saltholdighed (30-100 ppt TDS) er de vigtigste bidragydere til denne biomasse grønalger og cyanobakterier. Ved højere saltholdighed dominerer halofile bakterier økosystemet.
Mange biologiske processer kan påvirke kemien i saltvandssøer. F.eks. forårsager vandplanters fotosyntese, ammonificering, denitrifikation, sulfatreduktion og anaerob sulfidoxidation en stigning i pH-værdien, da kuldioxid udnyttes af floraen, og en stigning i koncentrationen af HCO3. Organismernes nedbrydning kan til gengæld føre til frigivelse af ioner som Mg og Ca samt forhøjede niveauer af HCO3, hvilket skaber gunstige betingelser for udfældning af karbonat (Castanier, 1999; Riding, 2000; Visscher et al., 1992).
De organismer, der kan trives ved høje saltholdigheder i en saltvandssø, er stærkt begrænsede. Livet ved høje saltkoncentrationer kræver betydelig energi for at opretholde den stejle iongradient over membranen, som er nødvendig for osmoregulering (Orhen, 2002). Den specifikke type stofskifte bestemmer også grænsen for den saltkoncentration, som en organisme kan tåle. I de fleste saltholdige sømiljøer falder diversiteten af organismer således i takt med, at saltholdigheden stiger.

Ionisk sammensætning påvirker også artsdiversiteten. Klorid, bicarbonat og sulfat er vigtigst for at kontrollere artssammensætningen i saltsøer (Herbst, 2001). Den markante stigning i andelen af SO4 med stigende saltholdighed i søerne på de nordlige Great Plains betyder, at sulfatreducerende bakterier (SRB) er en dominerende taxa. SRB’s reduktion af sulfat fører til produktion af bicarbonat-ioner og dermed til dannelse af alkalinitet iht: SO42- + 2CH2O → HS- + 2HCO3-, hvor 2CH2O repræsenterer organisk materiale. De direkte virkninger, som SRB har på miljøet (f.eks, reduktion af sulfat og produktion af H2S og alkalinitet) kan til gengæld direkte påvirke opløseligheden og udfældningen/opløsningen af en lang række mineraler, herunder karbonater, silater, oxider, sulfider og mange evaporitter Således er bakteriel sulfatreduktion en vigtig mineraliseringsproces i de salte og hypersalpine systemer i det vestlige Canada.
Når slutproduktet af sulfatreduktion, S2-, produceres, er sulfidets skæbne afgørende for, om visse mineraler vil udfælde eller ej (Castanier, 1999). Hvis det dannede sulfid afgases, vil sulfatreduktionsprocessen resultere i en stigning i pH-værdien i det vandige miljø og derved fremme udfældning af karbonatmineraler. På samme måde vil pH-værdien stige, hvis sulfidet optages af sulfid-oxiderende mikrober, og karbonat vil udfælde. Hvis sulfidet derimod oxideres tilbage til sulfat i det vandige miljø, kan der dannes en stærk syre, H2SO4, som sænker pH-værdien og modvirker udfældning af karbonat. Endelig vil pH-værdien falde, hvis sulfidet forbliver i miljøet, og der vil ikke udfældes karbonat.
Den rolle, som disse organismer spiller i de saltholdige søers økosystemer på de nordlige Great Plains, er et kritisk område, der skal undersøges, især med hensyn til deres potentielt vigtige rolle i dannelsen og diagenesen af karbonatmineraler. En bedre forståelse af biomineraliseringsprocesserne i disse søer giver en vigtig indsigt i udviklingen af saltvandssystemerne og vil gøre det muligt at udvikle kritiske proxies for ændringer i miljøforholdene. Desuden vil disse biomineraliseringsprocesser hjælpe os til bedre at forstå, hvad vi skal lede efter i vores søgen efter liv i extraterrestriske miljøer.

• Barica, J., 1975. Geokemi og næringsstofregime i saline eutrofe søer i Erickson-Elphinstone-distriktet i det sydvestlige Manitoba. Canadian Fisheries and Marine Services Research Development Technical Report 511.
• Barica, J., 1977. Variabilitet i ionisk sammensætning og fytoplanktonbiomasse i saline eutrofe præriesøer inden for et lille geografisk område. Archiv Fur Hydrobiologie, 81(3): 304-326.
• Batt, B.D., Anderson, M.G., Anderson, M.G., Anderson, C.D. og Caswell, F.D., 1989. Nordamerikanske ænders brug af præriehuller. Northern Prairie Wetlands: 204 – 227.
• Betcher, R., Grove, G. og Pupp, C., 1995. Grundvand i Manitoba: Hydrogeologi, kvalitetsproblemer og forvaltning. Bidrag nr. CS-93017 fra det nationale hydrologiske forskningsinstitut.
• Bierhuizen, J.F.H. og Prepas, E.E., 1985. Forholdet mellem næringsstoffer, dominerende ioner og Phytoplankton Standing Crop in Prairie Saline Sakes. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 42(10): 1588-1594.
• Birks, S.J. og Remenda, V.H., 1999. Grundvandstilførsel til en saltvandssø i et lukket bassin, Chappice Lake, Alberta. Holocene Climate and Environmental Changes in the Palliser Triangle, Southern Canadian Prairies: Geological Survey of Canada Bulletin 534: 23 – 55.
• Brown, I.C., 1967. Groundwater in Canada. Economic Geology Report Number 24, 228 pp.
• Cameron, D.R., 1986. Saltholdigt vand: anvendelse i landbruget. Evaluating Saline Waters in a Plains Environment (Evaluering af saltvand i et slettemiljø). Canadian Plains Proceedings, 17: 75 – 100.
• Carpenter, 1978. Oprindelse og kemisk udvikling af saltvand i sedimentære bassiner. Oklahoma Geological Survey Circular 79: 60-77.
• Castanier, S., 1999. Ca-carbonatudfældning og kalkstensgenese – det mikrobiogeologiske synspunkt. Sedimentary Geology, 126(1): 9-23.
• Cole, L.H., 1926. Natriumsulfat i det vestlige Canada. Forekomst, anvendelse og teknologi. Canadian Department of Mines Publication Number 646, 155 pp.
• Conly, F. og van der Kamp, G., 2001. Overvågning af hydrologien i canadiske prærievådområder med henblik på at påvise virkningerne af klimaændringer og ændringer i arealanvendelsen. Environmental Monitoring and Assessment, 67(1): 195-215.
• Dean, W.E. og Gorham, E., 1976. Major chemical and mineral components of profundal surface sediments n Minnesota Lakes. Limnol Ocean, 21: 259 – 284.
• Derry, A.M., Prepas, E.E. og Hebert, P.D.N., 2003. En sammenligning af zooplanktonsamfund i saltholdigt søvand med varierende anionsammensætning. Hydrobiologia, 505(1-3): 199-215.
• Desai, K. og Moore, E.J., 1969. Bestemmelse af ækvivalent NaCl ud fra ionkoncentrationer. Log Analyst, 10: 12-21.
• Drever, J.I., 1988. The Geochemistry of Natural Waters. Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 437 sider.
• Driver, 1965. Limnologiske aspekter af nogle saltvandssøer i den vestlige del af Manitoba. Journal of Fisheries Research Board of Canada, 22: 1165-1173.
• Driver, E.A. og Pedden, D.G., 1977. Kemien i overfladevand i præriens søer. Hydrobiologia, 53: 33 – 48.
• Eugster, H.P. og Hardie, L.A., 1978. Saline søer, Søer, kemi, geologi, geologi, fysik. Springer, New York, s. 237-293.
• Evans, J., 1993. Paleolimnologiske undersøgelser af saltvandssøer. Journal of Paleolimnology, 8(2): 97-101.
• Evans, J. og Prepas, 1996. Potentielle virkninger af klimaændringer på ionkemi og fytoplanktonsamfund i saltvandssøer i prærien. Limnology and Oceanography: 1063-1076.
• Freeze, R.A., 1969. Regional groundwater flow – Old Wives Lake drainage basin, Saskatchewan. Scientific Series No 5. Canadian Inland Waters Directorate, Burlington, Ontario, 234 pp.
• Garrels, R.M. og Mackenzie, F.T., 1967. Oprindelse af den kemiske sammensætning af nogle kilder og søer. Equilibrium Concepts in Natural Water Systems. Am. Chem. Soc. Adv. Chem. Ser, 67: 222-242.
• Govett, G.J.S., 1958. Natriumsulfatforekomster i Alberta. Alberta Research Council Preliminary Report 58-5.
• Grossman, I.G., 1968. Oprindelse af natriumsulfatforekomster fra de nordlige Great Plains i Canada og USA. United States Geological Survey Professional Paper 600-B, 104-109 pp.
• Hammer, U.T., 1978. Saline Lakes of Saskatchewan .3. Chemical Characterization. Internationale Revue der Gesamten Hydrobiologie, 63(3): 311-335.
• Hammer, U.T., 1986. Saline Lake Ecosystems of the World. Dr. W. Junk Publishers Dordrecht, Nederlandene 616 sider.
• Hardie, L.A. og Eugster, H.P., 1970. Udviklingen af saltvandsbassiner i lukkede bassiner. Mineral. Soc. Am. Spec. Publ, 3: 273-290.
• Harrington, R., Johnson, B. og Hunter, F., 1997. Responding to Global Climate Change in the Prairies, Volume III of the Canada Country Study: Climate Impacts and Adaptation. Environment Canada, Prairie and Northern Region.
• Hartland-Rowe, R., 1966. Faunaen og økologien i midlertidige vandhuller i det vestlige Canada. Verh. Internat. Verein. Limnol. 16: 577-584.
• Haynes, R.C. og Hammer, U.T., 1978. Saline Lakes of Saskatchewan .4. Primary Production by Phytoplankton in Selected Saline Ecosystems. Internationale Revue der Gesamten Hydrobiologie, 63(3): 337-351.
• Herbst, D.B., 2001. Gradienter af saltholdighedsstress, miljøstabilitet og vandkemi som skabelon for definition af habitattyper og fysiologiske strategier i saltvandsområder i indlandssaltvand. Hydrobiologia, 466: 209 – 219.
• Herczeg, A.L., Dogramaci, S.S. og Leaney, F.W.J., 2001. Oprindelse af opløste salte i et stort, semi-aridt grundvandssystem: Murray Basin, Australien. Marine & Freshwater Research, 52(1): 41-52.
• Jones, B.F., 1966. Geochemical evolution of closed basin water in the western Great Basin., Proceedings of the Second Symposium on Salt. Northern Ohio Geological Society, pp. 181-200.
• Jones, B.F. og Bowser, C.J., 1978. Mineralogy and related chemistry of lake sediments. Lakes: Chemistry, Geology, Physics. Springer-Verlag, New York, 323: 179-235.
• Jones, B.F. og Deocampo, D.M., 2003. Kapitel 13: Geokemi af saltvandssøer. In: J.I. Drever (Editor), Treatise on Geochemistry. Elsevier Scientific Publishers.
• Jones, B.F. og van Denburgh, A.S., 1966. Geokemiske påvirkninger af den kemiske karakter af lukkede søer. Symposium of Garda, Hydrology of Lakes and Reservoirs, Proceedings of the International Association for Scientific Hydrology, Publication 70: 438 – 446.
• Kelley, L. og Holmden, C., 2001. Reconnaissance hydrogeochemistry of economic deposits of sodium sulfate (mirabilite) in saline lakes, Saskatchewan, Canada. Hydrobiologia, 466(1): 279-289.
• Last, W.M., 1984a. Modern Sedimentology and Hydrology of Lake Manitoba, Canada. Environmental Geology, 5(4): 177-190.
• Last, W.M., 1984b. Sedimentology of playa lakes of the northern Great Plains. Canadian Journal of Earth Sciences, 21(1): 107-125.
• Last, W.M., 1988. Saltsøer i det vestlige Canada: et rumligt og tidsmæssigt geokemisk perspektiv. Proceedings of Symposium on Water Management Affecting the Wet-to-Dry Transition: 99-113.
• Last, W.M., 1989a. Continental brines and evaporites of the northern Great Plains of Canada. Sedimentary Geology, 64: 207-221.
• Last, W.M., 1989b. Sedimentology of a saline playa in the northern Great Plains, Canada. Sedimentology, 36(1): 109-123.
• Last, W.M., 1990. Paleokemi og palæohydrologi af Ceylon Lake, et saltdomineret playa-bassin i de nordlige Great Plains, Canada. Journal of Paleolimnology, 4(3): 219-238.
• Last, W.M., 1992. Chemical composition of saline and subsaline lakes of the northern Great Plains, Western Canada. International Journal of Salt Lake Research, 1: 47 – 76.
• Last, W.M., 1994. Paleohydrology of playas in the northern Great Plains: perspectives from Palliser’s Triangle. Paleoclimate and Basin Evolution of Playa Systems. Geological Society of America, Special Paper 289: 69 – 80.
• Last, W.M., 1995. Evolution of saline lakes in western Canada. In: I.D. Campbell, C. Campbell, D. Lemmen og B. Vance (Red.), Climate, Landscape, and Vegetation Change in the Canadian Prairie Provinces, Edmonton, pp. 55-64.
• Last, W.M. og Ginn, F.M., 2005. Saline systems of the Great Plains of Western Canada: an overview of the limnogeology and paleolimnology. Saline Systems, 1(1): 10.
• Last, W.M. og Schweyen, T.H., 1983. Sedimentologi og geokemi af saltvandssøer i de nordlige Great Plains. Hydrobiologia, 105: 245-263.
• Last, W.M. og Slezak, L.A., 1987. Natriumsulfataflejringer i det vestlige Canada. Economic Minerals of Saskatchewan. Saskatchewan Geological Society Special Publication, 8: 197 – 205.
• Lemmen, D.S. og Vance, R.E., 1999. Holocene Climate and Environmental Changes in the Palliser Triangle, Southern Canadian Prairies. Geological Survey of Canada Bulletin 534. Geological Survey of Canada Bulletin 534, 295 sider.
• Lennox, D.H., Maathuis, H. og Pederson, D., 1988. Region 13, Western glaciated plains. The Geology of North America, bind O-2, Hydrogeology.
• Lieffers, V.J. og Shay, J.M., 1983. Ephemeral Saline Lakes on the Canadian Prairies – Their Classification and Management for Emergent Macrophyte Growth. Hydrobiologia, 105(SEP): 85-94.
• Northcote, T.G. og Larkin, P.A., 1963. Kapitel 16: Det vestlige Canada. In: D.G. Frey (Editor), Limnology in North America. University of Wisconsin Press, Madison, Wisconson, pp. 451-485.
• Orhen, A., 2002. Halofile mikroorganismer og deres miljøer. Kluwer, Dordrecht, 575 sider.
• Palliser, J., 1862. Journals, detailed reports and observations relative to the exploration by Captain Palliser of a portion of British North America, London, 325 pp.
• Pham, S.V., Leavitt, P.R., McGowan, S. og Peres-Neto, P., 2008. Spatial variabilitet af klimaets og arealanvendelsens virkninger på søer i de nordlige Great Plains. Limnology And Oceanography, 53(2): 728-742.
• Pham, S.V., Leavitt, P.R., McGowan, S., Wissel, B. og Wassenaar, L., 2009. Spatial and temporal variability of prairie lake hydrology as revealed using stable isotopes of hydrogen and oxygen. Limnol. Oceanogr, 54(1): 101-118.
• Pupp, C., Maathuis, H. og Grove, G., 1981. Grundvandskvalitet i Saskatchewan: Hydrogeologi, kvalitetsproblemer og forvaltning. Bidrag nr. CS-91028 fra det nationale hydrologiske forskningsinstitut.
• Rawson, D.S. og Moore, G.E., 1944. De saltholdige søer i Saskatchewan. Canadian Journal of Research (Series D), 22: 141 – 201.
• Remenda, V.H. og Birks, S.J., 1999. Grundvand i Palliser-trianglen: en oversigt over dets sårbarhed og muligheder for at arkivere klimaoplysninger. Holocene Climate and Environmental Changes in the Palliser Triangle, Southern Canadian Prairies: Geological Survey of Canada Bulletin 534: 23 – 55.
• Riding, R., 2000. Microbial carbonates: the geological record of calcified bacterial-algal matts and biofilms. Sedimentology, 47(s 1): 179-214.
• Rozkowska, A.D. og Roskowski, A., 1969. Seasonal changes of slough and lake water chemistry in southern Saskatchewan, Canada. Journal of Hydrology, 7: 1 – 13.
• Rozkowski, A., 1967. Oprindelsen af hydrokemiske mønstre i hummocky moræneler. Canadian Journal of Earth Sciences, 4: 1065 – 1092.
• Rueffel, P.G., 1968a. Udvikling af det største natriumsulfatforekomst i Canada. Canadian Mining and Metallurgical Bulletin, 61: 1217-1228.
• Rueffel, P.G., 1968b. Natural sodium sulfate in North America, Third Symposium on Salt, Northern Ohio Geological Society, pp. 429-451.
• Rutherford, A.A., 1967. Water Quality Survey of Saskatchewan Groundwaters. Saskatoon: Saskatchewan Research Council, rapport C-66-1, 267 sider.
• Rutherford, A.A., 1970. Water quality survey of Saskatchewan surface waters, C-66-1. Saskatchewan Research Council, Saskatoon, 133 sider.
• Sahinen, U.M., 1948. Foreløbig rapport om natriumsulfat i Montana. Bureau of Mines and Geology, Montana School of Mines Report, 9 pp.
• Scott, M.D. og Scott, S.A., 1986. Saline lake management for waterfowl resources in western North America: a review of concepts. Evaluating Saline Waters in a Plains Environment. Canadian Plains Proceedings, 17: 23 – 38.
• Sorenson, L.G., Goldberg, R., Root, T.L. og Anderson, M.G., 1998. Potential Effects of Global Warming on Waterfowl Populations Breeding in the Northern Great Plains. Climatic Change, 40(2): 343-369.
• Tomkins, R.V., 1954a. Magnesium i Saskatchewan. Saskatchewan Department of Mineral Resources Report No 11, 23 pp.
• Tomkins, R.V., 1954b. Naturligt natriumsulfat i Saskatchewan. Saskatchewan Department of Mineral Resources Report No 6, 71 pp.
• Van der Kamp, G. og Hayashi, M., 1998. Grundvandsdannelsesfunktionen af små vådområder i de halvtørre nordlige prærieområder. Great Plains Research, 8(1): 39-56.
• Visscher, P.T., Prins, R.A. og van Gemerden, H., 1992. Sulfatreduktion og thiosulfatforbrug i en marine mikrobielle matte. FEMS Microbiol. Ecol, 86: 283-294.
• Wallick, E.I., 1981. Chemical evolution of groundwater in a drainage basin of Holocene age, east-central Alberta, Canada. Journal of Hydrology, 54: 245 – 283.
• Wallick, E.I. og Krouse, H.R., 1997. Sulfur isotope geochemistry of a groundwater-generated Na2SO4/Na2CO3 deposit and the associated drainage basin of Horseshoe Lake, Metiskow, east central Alberta, Canada. Strasbourg, Frankrig: 2nd International Symposium on Water-rock Interaction: II56 – II64.
• Warren, J.K., 1986. Source rock potential of shallow-water evaporitic settings. American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 70(5): 442-454.
• Williams, W., 1981. Inland Salt Sakes – an Introduction. Hydrobiologia, 81(2): 1-14.
• Williams, W.D., 1967. De kemiske karakteristika for lentisk overfladevand i Australien. In: A.H. Weatherley (Editor), Australian Inland Waters and Their Fauna. The Australian National University Press, Canberra, pp. 18-77.
• Williams, W.D. og Sherwood, J.E., 1994. Definition og måling af saltindholdet i saltsøer. International Journal of Salt Lake Research, 3: 53 – 63.
• Winter, T.C., 1977. Klassifikation af de hydrologiske rammer for søer i det nordlige centrale USA. Water Resources Res, 13: 753 – 767.
• Witkind, I.J., 1952. Lokalisering af natriumsulfataflejringer i det nordøstlige Montana og det nordvestlige North Dakota. American Journal of Science, 250: 667-676.