Eltűnő és áradó préritavak

Megjegyzés: Ezek az oldalak a Firefox vagy Safari böngészővel működnek a legjobban

Az Északi-síkság beállítása

A nyugat-kanadai Észak-Alföld (NGP) geomorfológiai tartomány Észak-Amerika egy hatalmas, több mint 350 000 km2 területű régiója. A régió a manitobai Winnipeg melletti prekambriumi pajzstól több mint 1600 km hosszan húzódik nyugat felé, a Sziklás-hegység lábáig, Kanada mezőgazdasági központja, és itt él Nyugat-Kanada lakosságának nagy része is. Az NGP-t sík vagy enyhén domborodó domborzat jellemzi, és hideg, félszáraz éghajlat jellemzi. A pleisztocén kontinentális eljegesedés következtében vastag, nem konszolidált glaciális, glaciofluviális és glaciolakusztrális üledéksorozat borítja az általában sík fekvésű kréta és tercier üledékes alapkőzetet.

A sós tavak geokémiája szempontjából a régió két legfontosabb fizikai jellemzője a magas párolgás-csapadék arány, valamint a nagy kiterjedésű endorheikus lefolyású területek jelenléte. Bár a ~3°C-os éves átlaghőmérséklet viszonylag alacsony párolgási arányt feltételezne, a nagy szél, az alacsony páratartalom és a meleg nyári hőmérséklet miatt a párolgás/csapadék értékek általában 3 és 10 közöttiek. A régió átlagos éves nedvességhiánya körülbelül 350 mm.

Ezek az éghajlati jellemzők a rosszul integrált vízelvezetéssel kombinálva, amelyben Dél-Saskatchewan és Kelet-Alberta közel 45%-a topográfiailag zárt, nagyszámú, változatos morfológiájú és geokémiai jellemzőkkel rendelkező sós tavat eredményeznek. Ellentétben a világ számos más területével, ahol a sós tavak bőséges számban fordulnak elő (pl, lásd összefoglalók: Jones és Bowser, 1978; Jones és Deocampo, 2003), az Észak-Alföld tektonikailag nagyon stabil, nem mutat feltűnő topográfiai domborzatot, és sem a glaciális üledékek, sem az alapkőzet litológiai változatossága nem drámai helyi vagy regionális szinten.

Sós tavak geokémiája

A Great Plains északi részén található felszíni vizek és a hozzájuk kapcsolódó tólepedékek sós jellege jól ismert volt a helyi őslakos csoportok előtt a 19. század közepén, amikor az európaiak terjeszkedtek és letelepedtek a régióban. Bár a régióból származó sós tavak vizének első kémiai elemzéseit az 1890-es években publikálták, csak közel fél évszázaddal később ismerték fel a sós tavak teljes kiterjedését és változatosságának mértékét. Az 1890-es évek után több mint harminc éven át az egyetlen tudományos erőfeszítés és adat ezekkel a tavakkal kapcsolatban a gazdasági geológusoktól származott, akiket a tavak kezdetben nitrát-, később nátrium- és magnéziumsók kitermelhető készletei érdekeltek. A kanadai kormány által az 1920-as évek elején végzett, e gazdasági lelőhelyek regionális felmérésének eredményei (Cole, 1926) még mindig a sós tavak hidrogeokémiájának egyik legjobb és legkiterjedtebb összefoglalójának számítanak.

Noha még mindig nem olyan fejlettek, mint Észak-Amerika más részein, a kanadai Alföld felszíni vizeinek kémiájára vonatkozó ismereteink némileg fejlődtek ezekhez a korai geológiai/geokémiai felderítési erőfeszítésekhez képest. A régió egyik első szisztematikus limnológiai felmérésében Rawson és Moore (1944) 53 dél-saskatchewani tó vízkémiájáról számolt be. Rutherford (1970) több száz saskatchewani tó (beleértve az édes és sós medencéket is) összetételére vonatkozó adatokat állított össze. Hammer (1978) Saskatchewan déli részén 60, főként évelő sós vizű tó vízkémiájáról számolt be. E korai regionális munka nagy részének eredményeit Northcote és Larkin (1963), Hammer (1986) és Last (1989a) foglalta össze.
A Great Plains kisebb földrajzi területeit lefedő további fontos hozzájárulások a következők: Govett (1958) Bierhuizen és Prepas (1985), Derry et al. (2003), valamint Evans és Prepas (1996) Alberta középső és keleti részén; Hartland-Rowe (1966) Alberta délkeleti részén; Rozkowski (1967) és Roskowska és Roskowski (1969) Saskatchewan déli részének Moose Mountain területén; Lieffers és Shay (1983), valamint Driver és Peden (1977) Saskatchewan középső részén; valamint Driver (1965) és Barica (1975; 1977) Manitoba nyugati részén. A közelmúltban Pham et al. (2008; 2009), Kelly és Holmden (2001), valamint Lemmen és Vance (1999) jelentései ~65 nyugat- és közép-szaskatchewani sóstó vízkémiai adatait tartalmazzák.

Jelenleg a Kanada északi Alföldjén található sóstavak közül mintegy 800 sóstóról rendelkezünk sókémiai adatokkal. Bár ezen adatok többsége egyetlen minta elemzését jelenti, némelyik hónapok, évek vagy évtizedek alatt gyűjtött számos minta átlaga. Általában a nagyobb tavak (pl. Manitoba-tó, Quill-tó, Manito-tó stb.) rendelkeznek a leghosszabb időbeli adatokkal, amelyek néhány esetben a huszadik század elejéig nyúlnak vissza. A kanadai prérin azonban egyetlen tó sem rendelkezik négy évtizednél hosszabb időtartamú folyamatos megfigyelési feljegyzéssel. Azoknak a tavaknak, amelyekről vannak adatok, 10%-a Manitobában, 72%-a Saskatchewanban és 18%-a Albertában található.

Bár a nyugat-kanadai Alföldön található tavak többsége összességében hasonló eredetű, ennek ellenére a vizek ionos összetétel és koncentráció tekintetében jelentős változatosságot mutatnak. A korai kutatók (főként a legkoncentráltabb sós sósvizekre koncentráló gazdasági geológusok) a tavakban a Na és SO4 erős túlsúlyát hangsúlyozták (pl. Cole, 1926; Tomkins, 1954a, b). Rutherford (1970) és Hammer (1978) hasonlóan hangsúlyozta a nátrium-, magnézium- és szulfátkomponensek fontosságát a saskatchewani évelő tavakban, de az ionarányok alapján a víztípusok széles spektrumát is elismerték. Rutherford (1970) a víztípusok térbeli eltéréseit a tartományon belüli éghajlati gradiensekkel és a sekély talajvíz összetételével tudta összefüggésbe hozni.

Ma már tudjuk, hogy nemcsak a sótartalmak teljes spektruma létezik a viszonylag híg víztől (0,1 ppt TDS) a tengervíznél több mint egy nagyságrenddel nagyobb sós vizekig, hanem gyakorlatilag minden vízkémiai típus képviselteti magát a régió tavaiban. Bár nyilvánvalóan félrevezető az átlagok és átlagok megadásával általánosítani, az “átlagos” tóvíz körülbelül 30 ppt TDS-t tartalmaz, és (meq%-ban) mutatja: Na≈Mg>Ca>K és SO4>HCO3>Cl>CO3.

A hatalmas földrajzi területet és az eltérő hidrológiai, geomorfológiai és éghajlati viszonyokat figyelembe véve aligha meglepő, hogy az Észak-Alföld tóvizei ilyen jelentős eltérést mutatnak az ionösszetétel és koncentráció tekintetében. A sótartalom ilyen széles skálájából következik, hogy az egyes ionkomponensek koncentrációja is nagymértékben változik. A tó vizében a Mg, Na, Cl és SO4 koncentrációjának gyakorisági eloszlása általában multimodális, szemben a Ca és HCO3 ionokkal, amelyek sokkal szűkebb eloszlási mintázatot mutatnak. Az Alföldön egyértelműen a szulfátban és karbonátban gazdag tavak dominálnak, amelyek az összes tó több mint 95%-át teszik ki. A Cl-gazdag tavak ilyen csekély száma szokatlanná teszi a régiót a világ számos más területéhez képest (pl. Ausztrália, USA nyugati része; Eugster és Hardie, 1978; Williams, 1981). A kationarányok sokkal változatosabbak, mindhárom fő típus gyakorisága megközelítőleg alul-egyenlőtlen arányokat mutat.

Amint az várható volt, a legtöbb oldott anyag koncentrációja a tavak vizében a teljes sótartalom növekedésével nő. A szulfát-, klorid- és nátriumionok mutatják a statisztikailag legjelentősebb összefüggést a TDS-sel, míg a kalcium- és karbonátkoncentráció kevésbé van közvetlen kapcsolatban a sótartalommal.
Néhány oldott anyag aránya is szisztematikus változást mutat a sótartalommal. A szulfát relatív ionaránya a híg tavak kevesebb mint 30%-os egyenértékéről általában több mint 70%-ra nő a 10 ppt TDS-nél nagyobb TDS-t tartalmazó tavakban. A kalcium és a bikarbonát + karbonát aránya fordított összefüggést mutat a sótartalommal, a híg vizek több mint 70%-os egyenértékéről közel 5%-ra csökken a 25 ppt TDS-t meghaladó tavakban.

A vízkémiai adatokkal rendelkező tavak viszonylag egyenletes eloszlása az Észak-Alföldön lehetővé teszi az iontartalom területi alapon történő vizsgálatát. Last és Schweyen (1983) és Last (1988; 1989a) tárgyalja ezeket a regionális tendenciákat, és izohalin térképeket mutat be Saskatchewan, Alberta, Észak-Dakota és Montana sós tavaira. A legmagasabb Na-, Mg- és SO4-koncentrációjú tavak általában Alberta keleti középső, nyugati középső és déli részén, Saskatchewan területén fordulnak elő, míg a magas lúgosságú és Cl-tartalmú tavak Alberta középső és Saskatchewan nyugati részén találhatók. A Ca és Mg viszonylag alacsony arányú tavak az Alföld északi és középső részén fordulnak elő.

A statisztikai elemzés megközelítése: Insight Into Water Composition Controlling Factors

A tavak főion-összetétele és koncentrációja a következők eredménye: (i) a vízgyűjtő medencében lévő nem konszolidált gleccser üledékek, az alapkőzet és a csapadék/olvadékvíz közötti összetett kölcsönhatás, (ii) a talajvíz feltöltődésének (és lefolyásának) és a patakok áramlásának összetétele és mennyisége az egyes medencékben, valamint (iii) számos egyéb, magában a vízoszlopban működő fizikai, kémiai és biológiai folyamat. Általában többféle geokémiai megközelítést alkalmaztak a felszíni vizek kémiáját szabályozó főbb tényezők megértéséhez. Ezek közé tartoznak a tömegmérleg-számítások, a termodinamikai egyensúlyi megfontolások és a statisztikai értékelések (lásd az áttekintést Drever, 1988-ban). Kanada nyugati részén mind a tömegmérleg-, mind a termodinamikai számítások értékesnek bizonyultak a víz összetételében helyi szinten fontos belső (vízgyűjtőn belüli) folyamatok megfejtésében (pl. Roskowski, 1965; Wallick és Krouse, 1977; Wallick, 1981; Last, 1984). Ezzel szemben regionális léptékben különböző statisztikai technikákat alkalmaztak sikeresen a víz kémiája és az olyan külső környezeti tényezők, mint az éghajlat, az alapkőzet, a geomorfológia és a talaj összetétele közötti kapcsolatok megértéséhez (pl. Dean és Gorham, 1976; Last, 1992; Winter, 1977). Ezek a statisztikai megközelítések azonban nem képesek feloldani a gyakran fontos helyi feltételeket és folyamatokat, azonban nélkülözhetetlenek a régió egészének lacustrin geokémiai környezetének átfogó megértéséhez.
Az adatsoron belüli összefüggések elemzésének egyik legegyszerűbb módja az, hogy megvizsgáljuk a különböző paraméterek között fennálló egyszerű lineáris korrelációkat. A Na, Ca és Mg koncentrációja e tavak sósvizében szignifikánsan pozitívan korrelál, csakúgy, mint az SO4 és a Cl. Ezenkívül az Mg-SO4, Mg-Cl és Na-Cl ionpárok erősen korrelálnak egymással. Fontos, hogy a Na és SO4 koncentrációja nem mutat statisztikailag szignifikáns lineáris korrelációt, ami arra utal, hogy a folyamatok különböző csoportjai befolyásolják az egyes ionok mennyiségét. A Ca és a HCO3 aránya szignifikáns pozitív kovariációt mutat, míg a Mg és a Na, valamint a HCO3 és a SO4 aránya fordítottan függ össze.

A Q-módú klaszterelemzés (tavak közötti asszociációk) segítségével Last (1992) a tavakat két fő kategóriára osztotta: a magas sótartalmú (> 20 ppt TDS) tavak csoportjára és a viszonylag alacsonyabb TDS értékekkel jellemezhető csoportra. E fő csoportok mindegyikét tovább osztották a tavak kisebb csoportjaira a főion-összetételük alapján.

Morfológiai (medence területe, maximális mélység), geológiai (alapkőzet típusa, mélység az alapkőzetig, talajvíz típusa), hidrológiai (vízgyűjtő terület, tóba torkolló patakok száma, magasság, talajvíz összetétele) és éghajlati (átlagos éves csapadék, párolgás, hőmérséklet) változók kombinálásával Last (1988, 1992) R-módú faktorelemzéssel hét statisztikai faktorcsoportot azonosított, amelyek az adatok varianciájának több mint 90%-át magyarázták. Ezek a statisztikai faktorok a víz összetételének és koncentrációjának legfontosabb intrinsikus és extrinsikus szabályozói szempontjából regionális szinten a következőképpen értelmezhetők: (i) Az adatok teljes varianciájának több mint egyharmadát a befolyó talajvíz összetétele magyarázza. (ii) A medence párolgás-csapadék aránya a variancia mintegy 20%-át magyarázza, ezt követi (iii) a tó magassága vagy elhelyezkedése a vízgyűjtőn belül. Az alapkőzet típusával, a glaciális drift összetételével, a fluviális beáramlással és a tó morfológiájával kapcsolatos változók statisztikailag kevésbé fontosak.

A sók forrása

Az általánosan elfogadott tény, hogy a talajvíz nagyon fontos szerepet játszik nemcsak a sós tavak általános hidrológiájában, hanem hidrokémiájuk diktálásában is. Néhány figyelemre méltó kivételtől eltekintve (pl. Birks és Remenda, 1999; Freeze, 1969; Kelley és Holmden, 2001; Van der Kamp és Hayashi, 1998; Wallick, 1981) azonban az Észak-Alföldön található egyes sós tavi medencékkel való felszín alatti víz kölcsönhatási folyamatai még mindig kevéssé ismertek. Ezzel szemben a regionális felszín alatti víz összetétele, változása és hidrodinamikája meglehetősen jól ismert. Amint azt máshol összefoglaltuk (lásd az áttekintéseket Betcher et al. (1995), Brown (1967), Lennox et al. (1988), Pupp et al. (1981), Remenda és Birks (1999), Rutherford (1967)), a régió felszín alatti vízösszetétele több fő típusba sorolható. A megszilárdulatlan felszíni lerakódásokban található talajvíz nagy része alacsony vagy közepes sótartalmú (3 ion. A legkevesebb csapadékkal sújtott területeken (Saskatchewan délnyugati részén és Alberta délkeleti részén) a sekély felszín alatti talajvizet általában inkább az SO4 ion uralja, mint a HCO3. A sekély rétegvizek (felső kréta és fiatalabb kőzetek) Dél-Albertában főként nátrium-bikarbonátosak, Saskatchewanban kalcium-magnézium-nátrium-szulfátosak, Manitoba nyugati részén pedig kalcium-magnézium-nátrium-bikarbonátosak. A mélyebb paleozoikus és kainozoikus alapkőzet sokkal magasabb sótartalmú vizet tartalmaz (akár 300 ppt TDS), amelyben általában a Na és a Cl dominál.

Míg aligha vitatják, hogy a talajvíz fontos tényező a sós tavak hidrológiájában, az Észak-Alföld tavaiban lévő ionok konkrét eredete és végső forrása jelentős vita tárgyát képezi. A korai munkák egy része azt sugallta, hogy a mélyen a felszín alatt található paleozoikumból származó evaporitok lehetnek a tavakban lévő sók lehetséges forrásai. Grossman (1968) kimutatta, hogy összefüggés van a felszíni tavakban lévő nátrium-szulfát lerakódások előfordulása és a régióban a devon prairie formációban található különböző sóegységek jelenléte és tendenciái között. Ezzel szemben a sekély kréta és harmadidőszaki alapkőzetet, szemben a mély paleozoikum szekvenciával, a tavakban lévő oldott komponensek legalább egy részének forrásaként jelölték meg (Cole, 1926; Sahinen, 1948; Wallick és Krouse, 1997).
Végezetül, ahelyett, hogy az alapkőzetre hivatkoznának, jelentős támogatás van arra nézve, hogy az ionok forrása a negyedidőszaki lerakódás, amelyben a tavak közvetlenül helyezkednek el (Kelley és Holmden, 2001; Rozkowski, 1967; Rutherford, 1970). Számos fiziokémiai és biokémiai reakció dokumentálható, beleértve a kationcserét, a földpátok oldódását és az autogén szulfát-, karbonát- és szilikátfázisok kicsapódását a tillsókban, amelyek ez utóbbi hipotézist támasztják alá. Továbbá számos kutató (pl., Freeze, 1969; Last, 1984b; Rueffel, 1968a; Rueffel, 1968b; Witkind, 1952) hangsúlyozta, hogy a sósabb tóvízi sók és az eltemetett preglaciális és glaciális völgyek szoros kapcsolatban állnak, és arra a következtetésre jutottak, hogy ezek az eltemetett völgyek a tavakba oldott anyagot szállító talajvíz csatornáiként működnek.

Egyéb fontos szempontok

Rövid távú időbeli változások:

Az NGP sós tavai kémiájának jellemzését jelentősen megnehezíti, hogy sok tó playa jelleggel rendelkezik, tavasszal és kora nyáron megtelik vízzel, majd késő nyárra vagy őszre teljesen kiszárad. Last és Ginn (2005) becslése szerint a régió sós tavainak 85%-át befolyásolja ez a fajta szezonális hidrológiai ciklus. A vízszintek ilyen erős szezonalitása drámai változásokat eredményez mind az ionkoncentrációkban, mind az arányokban, amint azt számos tanulmány kimutatta. Például a Ceylon-tó, a Saskatchewan déli részén található, sók által dominált playa évente körülbelül 30 ppt TDS koncentrációtól több mint 300 ppt-ig változik (Last, 1990). Ez a tó az ionarányok drámai ingadozását is mutatja évszakonként a kora tavaszi Ma-(Mg)-SO4-HCO3 típustól az őszi Mg-(Na)-Cl-SO4 összetételig (Last, 1989b). Hammer (1978, 1986) és Last (1984a) a régió több más sós tavának rövid távú időbeli sótartalom- és kémiai változásait foglalja össze. Sajnos az Észak-Alföldön csak néhány medencében végeztek rendszeres, részletes mintavételezést több éven keresztül.

Brine Evolution:

Bármely zárt medencés tavi sóoldat összetételét végső soron két fő tényező határozza meg: (i) az oldott anyagokat a híg beáramló vizek az időjárási folyamatok és a légköri lehullás révén szerzik be, és (ii) az ezt követő párolgás és az ionok koncentrációja az ásványok kicsapódásához vezet, ami tovább befolyásolja a végső sóoldat összetételét. A tóvíz összetételének ez utóbbi változását nevezik a sóoldat evolúciójának, és jelentős tudományos érdeklődés tárgyát képezi (pl. Jones, 1966; Jones és van Denburgh, 1966). Az Egyesült Államok nyugati részén található Sierra Nevada régió természetes vizeivel dolgozva Garrels és McKenzie (1967) mutatott rá először arra, hogy a párolgási koncentráció által kiváltott ásványkiválás a sósavfejlődés elsődleges szabályozója. Hardie és Eugster (1970) később általánosította az evolúciós sémát, és arra a következtetésre jutott, hogy három fő sóoldat-fejlődési útvonal van, amelyek öt domináns sóoldattípust eredményeznek az evaporitos lakkmedencékben.

Bár az alapvető Hardie-Eugster evolúciós sémán számos módosítás történt, a modell legfontosabb hozzájárulása a kémiai felosztás. A kémiai szakadék egy olyan pont a sóoldat fejlődési sorrendjében, ahol egy ásvány kicsapódása bizonyos kationokban vagy anionokban kimeríti a vizet, és a további párolgás az oldatot egy meghatározott útvonalon mozgatja. Ennek a folyamatnak az az eredménye, hogy a tó híg kiindulási összetételében lévő ionarányok kis különbségei a tóvíz fejlődése során felerősödnek, és különböző és változatos összetételű sósvizet eredményeznek.
Viszonylag alacsony oldhatóságuk miatt általában a kalcium-karbonátok (kalcit, aragonit) csapódnak ki először; ezek alkotják a legtöbb kontinentális sósvíz esetében az első osztódást. A híg alapoldatban lévő Mg, Ca és HCO3 aránya határozza meg ezután a későbbi párolgási utat, és az Mg/Ca arány határozza meg, hogy melyik konkrét karbonátásvány fog kicsapódni. Ha a karbonátlúgossághoz képest kalciumban gazdag, akkor a sóoldat a kezdeti CaCO3-csapadék osztódása után az I. útvonalat fogja követni. Az ilyen típusú sóoldat további párolgása egy második osztódáshoz vezet: a gipsz kicsapódásához. Ezt követően a további fejlődést a Ca és SO4 relatív aránya fogja irányítani (azaz a III. és IV. útvonal).
Ha azonban a híg beáramló oldatban a HCO3 a Ca-hoz képest feldúsul, akkor a sóoldat fejlődése a kezdeti osztódás után a II. útvonalat fogja követni. Ezen az úton a kalcium végül kimerül, így HCO3-felesleg marad, amely viszont Mg-gal és Na-val egyesülve különféle összetett Na-Mg-karbonátos-szulfátos evaporitokat hozhat létre. Az evolúciós útvonal második osztódása a szepiolit . A további sósavfejlődést ezt az osztódást követően az Mg2+ és a HCO3- relatív koncentrációja szabályozza. Ha a magnéziumkoncentráció nagyobb, mint a maradék lúgosság, akkor a sóoldat szulfát vagy klorid végtaggá (V) fejlődik. Ezzel szemben a víz alkáli-karbonátos sóoldattá (VI) válik, ha a szepiolit kicsapódása után a magnézium mennyisége kisebb, mint a HCO3 lúgossága.

Míg ez a modell elméletben jól működik, és a kémiai osztódások és fejlődési utak elvei érvényesek, a modell egyértelműen túlságosan leegyszerűsíti az üledékes és geokémiai folyamatok összetett sorozatát. Csak viszonylag nemrég kezdtük megérteni ezt az összetettséget (pl. Drever, 1988; Herczeg et al., 2001; Jones és Deocampo, 2003). Valójában kevés kontinentális sóoldat követi a modellben felvázolt utak bármelyikét. Például a II. úton az Mg-szilikát (szepiolit) ritkán fordul elő elsődleges ásványként, és így nem tűnik ésszerű felosztásnak. A modell azt is feltételezi, hogy egy tipikus híg beáramlásból csak viszonylag kevés sótípus fejlődik ki; ez nyilvánvalóan nem így van, és sok gyakori sótípus nem képviselteti magát. Például a tipikus Na-Mg-SO4-HCO3 sósav, amely nagyon gyakori az Alföld északi részén, nem képviselteti magát.
Az Alföld tavai által mutatott vízkémiai típusok széles spektruma miatt azonban ezek a tavak kritikus információt szolgáltatnak a kontinentális sósavfejlődés jobb megértéséhez. Mivel a sóásványok termodinamikailag és kinetikailag reagálnak még a sóoldat összetételének viszonylag csekély változásaira is, a Great Plains azon medencéi, amelyek viszonylag vastag, folyamatos holocén evaporitok sorozatával rendelkeznek, bepillantást engednek az evolúciós szekvenciák összetett sorozatába. Last (1995) Markov-láncelemzéssel négy általános anionszekvenciát és öt kationszekvenciát azonosított a Great Plains több tucatnyi tavának holocén evaporitjaiban. Az anionok között a leggyakrabban előforduló ciklikusság (a tavak ~50%-ában fordul elő): CO3 → CO3-SO4 → SO4. Ez az anionszekvencia a dél-középső Saskatchewanban található Ceylon-tóban volt a legjobban reprezentálva, és ezért Ceylon-típusnak neveztük el. A három másik, ritkábban előforduló anionszekvencia a következő:
Alsak-típus (~20%): CO3 → Cl-SO4 → SO4
Metiskow-típus (~10%): SO4 → CO3-SO4 → CO3
Waldsea-típus (~10%): SO4 → CO3
A 24 vizsgált tóban jelenlévő kationfejlődési szekvenciák lényegesen összetettebbek voltak, mint az anionszekvenciák, és a rétegtani szelvények mintegy 20%-a nem mutatott statisztikailag szignifikáns időbeli összetételbeli tendenciákat. A leggyakoribb kationszekvenciák, amelyek a tavak mintegy 60%-ában jelen vannak, a Lydden-típusúak (33%): Ca → Ca-Mg → Na → Na-Mg-Ca és az Ingebright-típus (28%): Ezt követi:
Metiskow-típus (~15%): Na-Mg → Ca-Na-Mg → Na-Mg → Naf: Ca → Na-Mg → Ca-Mg-Na → Na
Little Manitou típus (~10%): Ca-Mg → Mg-Na → Mg
Freefight típus (~5%): Ca → Mg-Ca → Mg-Na
A belső folyamatok (azaz az üledékes, geokémiai, hidrológiai és biológiai folyamatok, amelyek magában a tómedencében működnek) és a külső folyamatok (azaz a “külső” tényezők, mint például az éghajlatváltozás, a vízgyűjtő medence módosítása) közötti kölcsönhatás összetettsége miatt a különböző fejlődési sorrendek ok-okozati mechanizmusainak azonosítása nem egyszerű. Nyilvánvaló, hogy sokkal több mennyiségi adatot kell gyűjteni ezen és a régió más sós tavainak evaporitjaiból a megfigyelt összetételi trendek magyarázatához és megfelelő modellezéséhez.

A sós tavak kémiáját befolyásoló biológiai folyamatok: Összességében a nyugat-kanadai sós tavakban zajló biológiai folyamatok hasonlóak az édes állóvizekben zajló folyamatokhoz, a fizikai és kémiai szélsőségek ellenére. A biota azonban jelentősen különbözik az édes és a sós tavak között (Hammer, 1986). Alacsony sótartalomnál a sós tavak fajösszetétele hasonló az édesvízi társaikéhoz (Evans, 1993). A sótartalom növekedésével a fajok diverzitása csökken (Haynes és Hammer, 1978), és ahogy a sótartalom eléri a rendkívül magas értékeket, a fajok diverzitása nagyon alacsony lesz. Ilyen magas sótartalom mellett a tavakban általában csak a halotoleráns szervezetek dominálnak.
A só- és hipersós tavakban a világon az egyik legmagasabb a mért szerves termelékenység (Warren, 1986). Mérsékelt és magas sótartalomnál (30-100 ppt TDS) ennek a biomasszának a fő alkotói a zöld algák és a cianobaktériumok. Magasabb sótartalomnál a halofil baktériumok uralják az ökoszisztémát.
Számos biológiai folyamat befolyásolhatja a sós tavak kémiáját. Például a vízi növények fotoszintézise, az ammonifikáció, a denitrifikáció, a szulfátredukció és az anaerob szulfidoxidáció a pH emelkedését okozza, mivel a növényzet szén-dioxidot hasznosít, és a HCO3 koncentrációjának növekedését. Az élőlények bomlása viszont ionok, például Mg és Ca felszabadulásához, valamint a HCO3 megemelkedett szintjéhez vezethet, ami kedvező feltételeket teremt a karbonátkiváláshoz (Castanier, 1999; Riding, 2000; Visscher et al., 1992).
A sós tavakban a magas sótartalom mellett boldogulni képes élőlények száma erősen korlátozott. A magas sókoncentrációban való élet jelentős energiát igényel az ozmoregulációhoz szükséges meredek iongradiens fenntartásához a membránon keresztül (Orhen, 2002). Az anyagcsere sajátos típusa is meghatározza a szervezet által elviselhető sókoncentráció határát. Így a legtöbb sós tavi környezetben a sótartalom növekedésével csökken az élőlények diverzitása.

Az ionösszetétel szintén hatással van a fajok diverzitására. A klorid, a bikarbonát és a szulfát a legfontosabb a sós tavak fajösszetételének szabályozásában (Herbst, 2001). A SO4 arányának feltűnő növekedése a sótartalom növekedésével az Észak-Alföld tavaiban azt jelenti, hogy a szulfát redukáló baktériumok (SRB) domináns taxonok. A szulfát SRB általi redukciója bikarbonátionok termeléséhez és így a lúgosság keletkezéséhez vezet az alábbiak szerint: SO42- + 2CH2O → HS- + 2HCO3-, ahol a 2CH2O szerves anyagot jelent. Az SRB által a környezetre gyakorolt közvetlen hatások (azaz, a szulfát redukciója, H2S és lúgosság keletkezése) viszont közvetlenül befolyásolhatják az ásványok széles körének oldhatóságát és kicsapódását/feloldódását, beleértve a karbonátokat, szilikátokat, oxidokat, szulfidokat és számos evaporitot Így a bakteriális szulfátredukció fontos mineralizációs folyamat Nyugat-Kanada sós és hipersós rendszereiben.

Ha a szulfátredukció végterméke, S2- keletkezik, a szulfid sorsa kulcsfontosságú annak meghatározásában, hogy bizonyos ásványok kicsapódnak-e vagy sem (Castanier, 1999). Ha a keletkezett szulfid gáztalanodik, a szulfátredukciós folyamat a vizes környezet pH-értékének emelkedését eredményezi, ami elősegíti a karbonátásványok kicsapódását. Hasonlóképpen, ha a szulfidot szulfid-oxidáló mikrobák veszik fel, a pH szintén emelkedni fog, és a karbonát kicsapódik. Ezzel szemben, ha a szulfid a vizes környezetben szulfáttá oxidálódik vissza, erős sav, H2SO4 képződhet, ami csökkenti a pH-t és visszatartja a karbonát kicsapódását. Végül, ha a szulfid a környezetben marad, a pH csökken, és nem fog karbonát kicsapódni.
Az Észak-Alföld sós tavi ökoszisztémáiban ezen organizmusok szerepe kritikus vizsgálati terület, különösen a karbonátásványok kialakulásában és diagenezisében játszott potenciálisan fontos szerepük tekintetében. Az ezekben a tavakban lejátszódó biomineralizációs folyamatok jobb megértése fontos betekintést nyújt a sóoldatrendszerek fejlődésébe, és lehetővé teszi a környezeti feltételek változásainak kritikus proxie-k kifejlesztését. Továbbá ezek a biomineralizációs folyamatok segítenek jobban megérteni, hogy mit keressünk a földönkívüli környezetben lévő élet után kutatva.

• Barica, J., 1975. A délnyugat-manitobai Erickson-Elphinstone körzetben lévő sós eutróf tavak geokémiája és tápanyag-rendszere. Canadian Fisheries and Marine Services Research Development Technical Report 511.
• Barica, J., 1977. Variability in Ionic Composition and Phytoplankton Biomass of Saline Eutrophic Prairie Lakes within a Small Geographic Area. Archiv Fur Hydrobiologie, 81(3): 304-326.
• Batt, B.D., Anderson, M.G., Anderson, C.D. és Caswell, F.D., 1989. A préri gödrök használata az észak-amerikai kacsák által. Northern Prairie Wetlands: 204 – 227.
• Betcher, R., Grove, G. és Pupp, C., 1995. Groundwater in Manitoba: Hydrogeology, Quality Concerns, Management. Nemzeti Hidrológiai Kutatóintézet CS-93017 számú hozzájárulása.
• Bierhuizen, J.F.H. és Prepas, E.E., 1985. Kapcsolat a tápanyagok, a domináns ionok és a fitoplankton állóállománya között a préri sós tavakban. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 42(10): 1588-1594.
• Birks, S.J. és Remenda, V.H., 1999. Egy zárt medencés sós tó, a Chappice-tó (Alberta) felszín alatti vízbevitele. Holocén éghajlati és környezeti változások a Palliser-háromszögben, Dél-Kanadai prérik: Geological Survey of Canada Bulletin 534: 23 – 55.
• Brown, I.C., 1967. A felszín alatti vizek Kanadában. Economic Geology Report Number 24, 228 pp.
• Cameron, D.R., 1986. Sós vizek: mezőgazdasági felhasználás. A sós vizek értékelése síkvidéki környezetben. Canadian Plains Proceedings, 17: 75-100.
• Carpenter, 1978. A sóoldatok eredete és kémiai fejlődése az üledékes medencékben. Oklahoma Geological Survey Circular 79: 60-77.
• Castanier, S., 1999. Ca-karbonátok kicsapódása és mészkőgenezis – a mikrobiogeológus nézőpontja. Sedimentary Geology, 126(1): 9-23.
• Cole, L.H., 1926. Nyugat-Kanada nátrium-szulfátja. Előfordulás, felhasználás és technológia. Canadian Department of Mines Publication Number 646, 155 pp.
• Conly, F. és van der Kamp, G., 2001. A kanadai préri vizes élőhelyek hidrológiájának megfigyelése az éghajlatváltozás és a földhasználati változások hatásainak kimutatására. Environmental Monitoring and Assessment, 67(1): 195-215.
• Dean, W.E. és 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. és Hebert, P.D.N., 2003. Zooplankton közösségek összehasonlítása változó anion összetételű sós tavi vízben. Hydrobiologia, 505(1-3): 199-215.
• Desai, K. és Moore, E.J., 1969. Egyenértékű NaCl meghatározása ionkoncentrációkból. Log Analyst, 10: 12-21.
• Drever, J.I., 1988. A természetes vizek geokémiája. Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 437 pp.
• Driver, 1965. Nyugat-középső Manitoba néhány sós tavának limnológiai vonatkozásai. Journal of Fisheries Research Board of Canada, 22: 1165-1173.
• Driver, E.A. és Pedden, D.G., 1977. A felszíni vizek kémiája a préri tavakban. Hydrobiologia, 53: 33 – 48.
• Eugster, H.P. és Hardie, L.A., 1978. Sós tavak, tavak, kémia, geológia, fizika. Springer, New York, pp. 237-293.
• Evans, J., 1993. Sós tavak paleolimnológiai vizsgálatai. Journal of Paleolimnology, 8(2): 97-101.
• Evans, J. és Prepas, 1996. Az éghajlatváltozás lehetséges hatásai a préri sós tavak ionkémiájára és fitoplanktonközösségeire. Limnology and Oceanography: 1063-1076.
• Freeze, R.A., 1969. Regionális talajvízáramlás – Old Wives Lake vízgyűjtő medence, Saskatchewan. Scientific Series No 5. Canadian Inland Waters Directorate, Burlington, Ontario, 234 pp.
• Garrels, R.M. és Mackenzie, F.T., 1967. Néhány forrás és tó kémiai összetételének eredete. Egyensúlyi koncepciók a természetes vízrendszerekben. Am. Chem. Soc. Adv. Chem. Ser, 67: 222-242.
• Govett, G.J.S., 1958. Nátrium-szulfát lelőhelyek Albertában. Alberta Research Council Preliminary Report 58-5.
• Grossman, I.G., 1968. A nátrium-szulfát lelőhelyek eredete Kanada és az Egyesült Államok északi síkságain. United States Geological Survey Professional Paper 600-B, 104-109 pp.
• Hammer, U.T., 1978. Saskatchewan sós tavai .3. Kémiai jellemzés. Internationale Revue der Gesamten Hydrobiologie, 63(3): 311-335.
• Hammer, U.T., 1986. A világ sós tavi ökoszisztémái. Dr W. Junk Publishers Dordrecht, Hollandia 616 pp.
• Hardie, L.A. és Eugster, H.P., 1970. A zárt medencés sósvizek fejlődése. Mineral. Soc. Am. Spec. Publ, 3: 273-290.
• Harrington, R., Johnson, B. és Hunter, F., 1997. A globális éghajlatváltozásra való reagálás a prérin, a Canada Country Study III. kötete: Climate Impacts and Adaptation. Environment Canada, Prairie and Northern Region.
• Hartland-Rowe, R., 1966. Az ideiglenes medencék faunája és ökológiája Nyugat-Kanadában. Verh. Internat. Verein. Limnol. 16: 577-584.
• Haynes, R.C. és 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. A sóterhelés, a környezeti stabilitás és a vízkémia gradienciája, mint a belvízi sós vizek élőhelytípusainak és fiziológiai stratégiáinak meghatározásának próbaköve. Hydrobiologia, 466: 209 – 219.
• Herczeg, A.L., Dogramaci, S.S. és Leaney, F.W.J., 2001. Az oldott sók eredete egy nagy, félsivatagi talajvízrendszerben: Murray-medence, Ausztrália. Marine & Freshwater Research, 52(1): 41-52.
• Jones, B.F., 1966. A zárt medencék vizének geokémiai fejlődése a Nagy-medence nyugati részén, Proceedings of the Second Symposium on Salt. Észak- Ohioi Geológiai Társaság, pp. 181-200.
• Jones, B.F. és Bowser, C.J., 1978. A tóüledékek ásványtana és a kapcsolódó kémia. Lakes: Chemistry, Geology, Physics. Springer-Verlag, New York, 323: 179-235.
• Jones, B.F. és Deocampo, D.M., 2003. 13. fejezet: A sós tavak geokémiája. In: J.I. Drever (szerkesztő), Treatise on Geochemistry. Elsevier Scientific Publishers.
• Jones, B.F. és van Denburgh, A.S., 1966. Geokémiai hatások a zárt tavak kémiai jellegére. Garda szimpózium, Hydrology of Lakes and Reservoirs, Proceedings of the International Association for Scientific Hydrology, Publication 70: 438 – 446.
• Kelley, L. és 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. A kanadai Manitoba-tó modern szedimentológiája és hidrológiája. Environmental Geology, 5(4): 177-190.
• Last, W.M., 1984b. Az Észak-Alföld playa tavainak üledéktana. Canadian Journal of Earth Sciences, 21(1): 107-125.
• Last, W.M., 1988. Nyugat-Kanada sós tavai: térbeli és időbeli geokémiai perspektíva. Proceedings of Symposium on Water Management Affecting the Wet-to-Dry Transition: 99-113.
• Last, W.M., 1989a. A kontinentális sók és evaporitok Kanada északi síkságain. Sedimentary Geology, 64: 207-221.
• Last, W.M., 1989b. Egy sós playa szedimentológiája a kanadai Great Plains északi részén. Sedimentology, 36(1): 109-123.
• Last, W.M., 1990. A Ceylon-tó paleokémiája és paleohidrológiája, egy sódominált playa-medence az Észak-Alföldön, Kanadában. Journal of Paleolimnology, 4(3): 219-238.
• Last, W.M., 1992. A nyugat-kanadai Észak-Alföld sós és szubszalós tavainak kémiai összetétele. International Journal of Salt Lake Research, 1: 47 – 76.
• Last, W.M., 1994. A playák paleohidrológiája az Észak-Alföldön: a Palliser-háromszög távlatai. Paleoklíma és a Playa rendszerek medencefejlődése. Geological Society of America, Special Paper 289: 69 – 80.
• Last, W.M., 1995. A nyugat-kanadai sós tavak fejlődése. In: I.D. Campbell, C. Campbell, D. Lemmen és B. Vance (szerkesztők), Climate, Landscape, and Vegetation Change in the Canadian Prairie Provinces, Edmonton, pp. 55-64.
• Last, W.M. és Ginn, F.M., 2005. A nyugat-kanadai Nagy-síkságok sós rendszerei: a limnogeológia és paleolimnológia áttekintése. Saline Systems, 1(1): 10.
• Last, W.M. és Schweyen, T.H., 1983. Az Észak-Alföld sós tavainak üledéktana és geokémiája. Hydrobiologia, 105: 245-263.
• Last, W.M. és Slezak, L.A., 1987. Nyugat-Kanada nátrium-szulfát lelőhelyei. Economic Minerals of Saskatchewan. Saskatchewan Geological Society Special Publication, 8: 197 – 205.
• Lemmen, D.S. és Vance, R.E., 1999. Holocén klíma- és környezeti változások a Palliser-háromszögben, a dél-kanadai prérin. Geological Survey of Canada Bulletin 534. Geological Survey of Canada Bulletin 534, 295 pp.
• Lennox, D.H., Maathuis, H. és Pederson, D., 1988. Region 13, Western glaciated plains. Észak-Amerika geológiája, O-2. kötet, Hidrogeológia.
• Lieffers, V.J. és 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. és Larkin, P.A., 1963. 16. fejezet: Nyugat-Kanada. In: D.G. Frey (szerkesztő), Limnology in North America. University of Wisconsin Press, Madison, Wisconson, pp. 451-485.
• Orhen, A., 2002. Halofil mikroorganizmusok és környezetük. Kluwer, Dordrecht, 575 pp.
• Palliser, J., 1862. Journals, detailed reports and observations relative to the exploration by Captain Palliser by the exploration of a part of British North America, London, 325 pp.
• Pham, S.V., Leavitt, P.R., McGowan, S. és Peres-Neto, P., 2008. Az éghajlat és a földhasználat hatásainak térbeli változékonysága az Észak-Alföld tavaira. Limnology And Oceanography, 53(2): 728-742.
• Pham, S.V., Leavitt, P.R., McGowan, S., Wissel, B. és Wassenaar, L., 2009. A préri tavak hidrológiájának térbeli és időbeli változékonysága a hidrogén és az oxigén stabil izotópjainak felhasználásával. Limnol. Oceanogr, 54(1): 101-118.
• Pupp, C., Maathuis, H. és Grove, G., 1981. Groundwater Quality in Saskatchewan: Hydrogeology, Quality Concerns, Management. Nemzeti Hidrológiai Kutatóintézet CS-91028 számú hozzájárulása.
• Rawson, D.S. és Moore, G.E., 1944. Saskatchewan sós tavai. Canadian Journal of Research (D sorozat), 22: 141 – 201.
• Remenda, V.H. és Birks, S.J., 1999. A Palliser-háromszög felszín alatti vizei: a sérülékenység és az éghajlati információk archiválásának lehetőségeinek áttekintése. Holocén éghajlati és környezeti változások a Palliser-háromszögben, Kanada déli prérijei: Geological Survey of Canada Bulletin 534: 23 – 55.
• Riding, R., 2000. Mikrobiális karbonátok: meszes baktérium-algás szőnyegek és biofilmek geológiai feljegyzései. Sedimentology, 47(s 1): 179-214.
• Rozkowska, A.D. és Roskowski, A., 1969. A lápok és tavak vízkémiai viszonyainak szezonális változásai a kanadai Saskatchewan déli részén. Journal of Hydrology, 7: 1 – 13.
• Rozkowski, A., 1967. A hidrokémiai minták eredete a buckás morénában. Canadian Journal of Earth Sciences, 4: 1065 – 1092.
• Rueffel, P.G., 1968a. Kanada legnagyobb nátrium-szulfát lelőhelyének fejlődése. Canadian Mining and Metallurgical Bulletin, 61: 1217-1228.
• Rueffel, P.G., 1968b. Természetes nátrium-szulfát Észak-Amerikában, Third Symposium on Salt, Northern Ohio Geological Society, pp. 429-451.
• Rutherford, A.A., 1967. A saskatchewani felszín alatti vizek vízminőségi vizsgálata. Saskatoon: Saskatchewan Research Council, Report C-66-1, 267 pp.
• Rutherford, A.A., 1970. Saskatchewan felszíni vizeinek vízminőségi felmérése, C-66-1. Saskatchewan Research Council, Saskatoon, 133 pp.
• Sahinen, U.M., 1948. Előzetes jelentés a montanai nátrium-szulfátról. Bureau of Mines and Geology, Montana School of Mines Report, 9 pp.
• Scott, M.D. és Scott, S.A., 1986. Sós tavak kezelése a vízimadár-állományok érdekében Észak-Amerika nyugati részén: az elképzelések áttekintése. Evaluating Saline Waters in a Plains Environment (Sós vizek értékelése síkvidéki környezetben). Canadian Plains Proceedings, 17: 23 – 38.
• Sorenson, L.G., Goldberg, R., Root, T.L. és Anderson, M.G., 1998. A globális felmelegedés lehetséges hatásai az Észak-Alföldön költő vízimadár-populációkra. Climatic Change, 40(2): 343-369.
• Tomkins, R.V., 1954a. Magnézium Saskatchewanban. Saskatchewan Department of Mineral Resources Report No 11, 23 pp.
• Tomkins, R.V., 1954b. Természetes nátrium-szulfát Saskatchewanban. Saskatchewan Department of Mineral Resources Report No 6, 71 pp.
• Van der Kamp, G. és Hayashi, M., 1998. A kis vizes élőhelyek talajvíz-utánpótlási funkciója a félszáraz északi prérikben. Great Plains Research, 8(1): 39-56.
• Visscher, P.T., Prins, R.A. és van Gemerden, H., 1992. A szulfát redukció és a tioszulfát fogyasztás sebessége egy tengeri mikrobiális szőnyegben. FEMS Microbiol. Ecol, 86: 283-294.
• Wallick, E.I., 1981. A talajvíz kémiai fejlődése egy holocén korú vízgyűjtő medencében, kelet-közép-Alberta, Kanada. Journal of Hydrology, 54: 245-283.
• Wallick, E.I. és 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, Franciaország: 2nd International Symposium on Water-rock Interaction: II56 – II64.
• Warren, J.K., 1986. Sekélyvízi evaporitos környezetek forráskőzet-potenciálja. American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 70(5): 442-454.
• Williams, W., 1981. Belvízi sós tavak – bevezetés. Hydrobiologia, 81(2): 1-14.
• Williams, W.D., 1967. A lencsés felszíni vizek kémiai jellemzői Ausztráliában. In: A.H. Weatherley (szerkesztő), Australian Inland Waters and Their Fauna. The Australian National University Press, Canberra, pp. 18-77.
• Williams, W.D. és Sherwood, J.E., 1994. A sótartalom meghatározása és mérése sós tavakban. International Journal of Salt Lake Research, 3: 53 – 63.
• Winter, T.C., 1977. A tavak hidrológiai környezetének osztályozása az Egyesült Államok észak-középső részén. Water Resources Res, 13: 753 – 767.
• Witkind, I.J., 1952. A nátrium-szulfát lelőhelyek lokalizációja Montana északkeleti részén és Észak-Dakota északnyugati részén. American Journal of Science, 250: 667-676.