Disappearing and Flooding Prairie Lakes

Note: Deze pagina’s werken het best met Firefox of Safari browsers

The Northern Great Plains Setting

De geomorfische provincie Northern Great Plains (NGP) van West-Canada is een uitgestrekte regio van Noord-Amerika die meer dan 350.000 km2 beslaat. De regio strekt zich uit van het Precambriumschild bij Winnipeg, Manitoba, westwaarts over een afstand van meer dan 1600 km tot aan de uitlopers van de Rocky Mountains, is het agrarische hart van Canada en herbergt tevens het grootste deel van de bevolking van West-Canada. De NGP wordt gekenmerkt door een vlakke tot zacht glooiende topografie en heeft een koud, semi-aride klimaat. Pleistocene continentale ijstijd heeft geresulteerd in een dikke opeenvolging van ongeconsolideerde glaciale, glaciofluviale en glaciolacustriene sedimenten die het over het algemeen vlakke Krijt en Tertiair sedimentair gesteente bedekken.

Vanuit het oogpunt van de geochemie van zoutmeren zijn de twee belangrijkste fysische kenmerken van de regio de hoge verdampings/neerslag verhoudingen, en de aanwezigheid van grote gebieden met endorheïsche drainage. Hoewel de gemiddelde jaartemperatuur van ~3°C een betrekkelijk lage verdamping zou impliceren, zorgen de sterke winden, de lage vochtigheid en de warme zomertemperaturen voor verdampings/neerslagverhoudingen van meestal tussen 3 en 10. Het gemiddelde jaarlijkse vochttekort in de regio bedraagt ongeveer 350 mm.

Deze klimatologische kenmerken in combinatie met de slecht geïntegreerde afwatering, waarbij bijna 45% van het zuiden van Saskatchewan en het oosten van Alberta topografisch gesloten is, resulteren in een groot aantal zoute meren met uiteenlopende morfologieën en geochemische kenmerken. In tegenstelling tot veel andere gebieden in de wereld waar er een overvloed aan zoutmeren is (bijv, zie samenvattingen in Jones en Bowser, 1978; Jones en Deocampo, 2003), is het noordelijke gebied van de Great Plains tektonisch zeer stabiel, vertoont het geen opvallend topografisch reliëf, noch is er sprake van een dramatische lithologische diversiteit van de glaciale afzettingen of het vaste gesteente op lokale of regionale schaal.

Geochemie van zoutmeren

Het zoute karakter van het oppervlaktewater en de bijbehorende meerafzettingen van de noordelijke Great Plains was welbekend bij de plaatselijke aboriginalgroepen ten tijde van de Europese expansie en vestiging in de regio in het midden van de 19e eeuw. Hoewel de eerste chemische analyses van zoutmeerwater uit deze regio in de jaren 1890 werden gepubliceerd, werd pas bijna een halve eeuw later de volledige omvang en diversiteit van de zoutmeren erkend. Gedurende meer dan dertig jaar na de jaren 1890 kwamen de enige wetenschappelijke inspanningen en gegevens over deze meren van economische geologen die geïnteresseerd waren in exploiteerbare reserves van aanvankelijk nitraatzouten en later natrium- en magnesiumzouten in de meren. De resultaten van een regionaal onderzoek naar deze economische afzettingen door de Canadese regering in het begin van de jaren 1920 (Cole, 1926) gelden nog steeds als een van de beste en meest uitgebreide samenvattingen van de hydrogeochemie van zoutmeren.

Hoewel onze kennis van de chemie van het oppervlaktewater in de Canadese Great Plains nog niet zo ver gevorderd is als in sommige andere delen van Noord-Amerika, is er toch wel enige vooruitgang geboekt ten opzichte van deze vroege geologisch/geochemische verkenningspogingen. In een van de eerste systematische limnologische onderzoeken in de regio rapporteerden Rawson en Moore (1944) de waterchemie van 53 meren in het zuiden van Saskatchewan. Rutherford (1970) verzamelde de samenstellingsgegevens van enkele honderden meren in Saskatchewan (waaronder zowel zoete als zoute bekkens). Hammer (1978) rapporteerde de waterchemie voor 60 voornamelijk overblijvende zoute meren in zuidelijk Saskatchewan. De resultaten van veel van dit vroege regionale werk zijn samengevat door Northcote en Larkin (1963), Hammer (1986) en Last (1989a).
Andere belangrijke bijdragen die kleinere geografische gebieden van de Great Plains bestrijken, zijn onder meer: Govett (1958) Bierhuizen en Prepas (1985), Derry et al. (2003), en Evans en Prepas (1996) in centraal en oostelijk Alberta; Hartland-Rowe (1966) in zuidoostelijk Alberta; Rozkowski (1967) en Roskowska en Roskowski (1969) in het Moose Mountain gebied van zuidelijk Saskatchewan; Lieffers en Shay (1983) en Driver en Peden (1977) in centraal Saskatchewan; en Driver (1965) en Barica (1975; 1977) in westelijk Manitoba. Meer recentelijk bevatten rapporten van Pham et al. (2008; 2009), Kelly en Holmden (2001), en Lemmen en Vance (1999) waterchemische gegevens van ~65 zoutmeren in westelijk en centraal Saskatchewan.

We beschikken nu over pekelchemische gegevens van ongeveer 800 van de zoutmeren in de noordelijke Great Plains van Canada. Hoewel de meeste van deze gegevens analyses van afzonderlijke monsters vertegenwoordigen, zijn sommige gemiddelden van talrijke monsters die over een periode van maanden, jaren of decennia zijn verzameld. In het algemeen hebben de grotere meren (b.v. de meren van Manitoba, Quill, Manito, enz.) de langste tijdgegevens, die in sommige gevallen teruggaan tot het begin van de twintigste eeuw. Geen enkel meer op de Canadese prairies heeft echter een continue monitoringrecord van meer dan vier decennia. Van de meren waarvoor gegevens beschikbaar zijn, ligt 10% in Manitoba, 72% in Saskatchewan, en 18% in Alberta.

Hoewel de meeste meren in de Great Plains van West-Canada een vergelijkbare algemene oorsprong hebben, vertonen de wateren toch een aanzienlijke diversiteit in termen van ionische samenstelling en concentratie. De eerste onderzoekers (vooral economische geologen die zich concentreerden op de meest geconcentreerde zoute pekel), benadrukten een sterk overwicht van Na en SO4 in de meren (b.v. Cole, 1926; Tomkins, 1954a, b). Rutherford (1970) en Hammer (1978) benadrukten eveneens het belang van natrium, magnesium en sulfaat componenten in de overblijvende meren van Saskatchewan, maar herkenden ook een breed spectrum van watertypes op basis van ionische verhoudingen. Rutherford (1970) was in staat om ruimtelijke variatie in watertypen te relateren aan klimatologische gradiënten binnen de provincie en aan de samenstelling van ondiep grondwater.

We beseffen nu dat er niet alleen een compleet spectrum van zoutgehaltes bestaat, van relatief verdund water (0,1 ppt TDS) tot pekel dat meer dan een orde van grootte groter is dan zeewater, maar dat ook vrijwel elk waterchemietype in de meren van de regio vertegenwoordigd is. Hoewel het natuurlijk misleidend is om te generaliseren door gemiddelden en gemiddelden te noemen, heeft het “gemiddelde” meerwater ongeveer 30 ppt TDS en vertoont (in meq%): Na≈Mg>Ca>K en SO4>HCO3>Cl>CO3.

Het is nauwelijks verrassend dat het meerwater van de noordelijke Great Plains zo’n aanzienlijke variatie in ionische samenstelling en concentratie vertoont, gezien het enorme geografische gebied en de variërende hydrologische, geomorfische en klimatologische omstandigheden. Met zo’n groot bereik aan zoutgehaltes volgt hieruit dat de concentraties van de individuele ionische componenten ook sterk variëren. De frequentieverdeling van Mg, Na, Cl, en SO4 concentraties in de meerwateren neigt naar een multimodale verdeling, in tegenstelling tot de Ca en HCO3 ionen die een veel smaller distributiepatroon vertonen. Sulfaat- en carbonaatrijke meren domineren duidelijk de Great Plains, met meer dan 95% van het totale aantal meren. Deze schaarste aan Cl-rijke meren maakt de regio ongewoon in vergelijking met veel andere gebieden in de wereld (b.v. Australië, westen van de VS; Eugster en Hardie, 1978; Williams, 1981). De kationenverhoudingen zijn veel gevarieerder, met een ongeveer ongelijke verhouding tussen de drie belangrijkste types.

Zoals te verwachten is, nemen de meeste opgeloste stoffen in het meerwater in concentratie toe met toenemend totaal zoutgehalte. Sulfaat-, chloride- en natriumionen vertonen de statistisch meest significante correlaties met TDS, terwijl calcium- en carbonaatconcentraties minder direct gerelateerd zijn aan het zoutgehalte.
De verhoudingen van sommige van de opgeloste stoffen vertonen ook een systematische verandering met het zoutgehalte. Sulfaat neemt toe in relatieve ionische verhouding van minder dan 30% equivalenten in verdunde meren tot over het algemeen meer dan 70% in meren met meer dan 10 ppt TDS. Het aandeel van calcium en bicarbonaat + carbonaat vertoont een omgekeerd evenredig verband met het zoutgehalte, waarbij het afneemt van meer dan 70% equivalenten in de verdunde wateren tot bijna 5% in meren met meer dan 25 ppt TDS.

De relatief uniforme verdeling van meren in de noordelijke Great Plains waarvoor waterchemische gegevens beschikbaar zijn, stelt ons in staat de ionengehalten op ruimtelijke basis te onderzoeken. Last en Schweyen (1983) en Last (1988; 1989a) bespreken deze regionale trends en presenteren isohaliene kaarten voor de zoute meren van Saskatchewan, Alberta, North Dakota, en Montana. Meren met de hoogste Na, Mg, en SO4 concentraties komen over het algemeen voor in het oostelijk centrale gebied van Alberta, het westelijk centrale gebied en het zuiden van Saskatchewan, terwijl meren met hoge alkaliniteit en Cl gehaltes worden gevonden in centraal Alberta en westelijk Saskatchewan. Meren met relatief lage Ca- en Mg-gehaltes komen voor in de noordelijke en centrale delen van de Plains.

A Statistical Analysis Approach: Inzicht in factoren die de watersamenstelling bepalen

De samenstelling en concentratie van de belangrijkste ionen in deze meren is het resultaat van: (i) een complexe interactie tussen ongeconsolideerde glaciale sedimenten, vast gesteente en neerslag/smeltwater in het afwateringsgebied, (ii) de samenstelling en hoeveelheid van de grondwateraanvulling (en -afvoer) en de stroming in elk bekken, en (iii) een grote verscheidenheid van andere fysische, chemische en biologische processen die in de waterkolom zelf werkzaam zijn. In het algemeen zijn verschillende soorten geochemische benaderingen gevolgd om meer inzicht te krijgen in de belangrijkste factoren die de chemie van het oppervlaktewater bepalen. Deze omvatten massabalansberekeningen, thermodynamische evenwichtsoverwegingen, en statistische evaluaties (zie overzicht in Drever, 1988). In West-Canada zijn zowel massabalans- als thermodynamische berekeningen waardevol gebleken bij het ontcijferen van veel van de intrinsieke (binnen het stroomgebied) processen die van belang zijn voor de watersamenstelling op lokale schaal (b.v. Roskowski, 1965; Wallick en Krouse, 1977; Wallick, 1981; Last, 1984). Op regionale schaal daarentegen zijn diverse statistische technieken met succes toegepast om de relaties te helpen begrijpen tussen de waterchemie en extrinsieke milieufactoren zoals klimaat, gesteente, geomorfologie en de samenstelling van de grondlaag (bijv. Dean en Gorham, 1976; Last, 1992; Winter, 1977). Deze statistische benaderingen missen echter het vermogen om de vaak belangrijke lokale omstandigheden en processen op te lossen, hoewel ze essentieel zijn voor ons algehele begrip van de lacustriene geochemische setting van de regio als geheel.
Een van de meest eenvoudige manieren om de onderlinge relaties binnen een dataset te analyseren is het onderzoeken van de eenvoudige lineaire correlaties die tussen de verschillende parameters bestaan. De concentraties van Na, Ca en Mg in de pekel van deze meren zijn alle significant positief gecorreleerd, net als SO4 en Cl. Bovendien hebben de ionenparen Mg-SO4, Mg-Cl, en Na-Cl de neiging sterk samen te hangen. Belangrijk is dat de concentraties van Na en SO4 geen statistisch significante lineaire correlatie vertonen, wat suggereert dat verschillende processen de abundantie van elk van deze ionen beïnvloeden. De verhoudingen van Ca en HCO3 vertonen een significante positieve covariatie, terwijl de verhoudingen van Mg en Na, en HCO3 en SO4 omgekeerd evenredig zijn.

Met behulp van een Q-mode clusteranalyse (associaties tussen meren) verdeelde Last (1992) de meren in twee grote categorieën: een groep van meren met een hoog zoutgehalte (> 20 ppt TDS) en een groep die werd gekenmerkt door relatief lagere TDS waarden. Elk van deze grote clusters werd verder onderverdeeld in kleinere groepen van meren in verband met hun belangrijkste ionensamenstelling.

Source Of Salts

Het is algemeen aanvaard dat grondwater een zeer belangrijke rol speelt, niet alleen in de algemene hydrologie van zoute meren, maar ook in het dicteren van hun hydrochemie. Echter, met een paar opmerkelijke uitzonderingen (b.v. Birks en Remenda, 1999; Freeze, 1969; Kelley en Holmden, 2001; Van der Kamp en Hayashi, 1998; Wallick, 1981), zijn grondwaterinteractieprocessen met individuele zoutmeerbekkens in de noordelijke Great Plains nog steeds slecht begrepen. Daarentegen zijn de regionale samenstelling, variatie en hydrodynamica van het grondwater redelijk goed bekend. Zoals elders samengevat (zie overzichten in Betcher et al. (1995), Brown (1967), Lennox et al. (1988), Pupp et al. (1981), Remenda en Birks (1999), Rutherford (1967)), zijn de samenstellingen van het grondwater in de regio van verschillende hoofdtypen. Het grootste deel van het grondwater in de ongeconsolideerde oppervlaktelagen heeft een laag tot matig zoutgehalte (3 ionen). In de gebieden met de minste neerslag (zuidwest Saskatchewan en zuidoost Alberta) wordt het ondiepe grondwater meestal gedomineerd door het SO4-ion in plaats van HCO3. De ondiepe aquifers in het vast gesteente (gesteenten uit het Boven-Krijt en jonger) bestaan voornamelijk uit natrium-bicarbonaat in zuidelijk Alberta, calcium-magnesium-natrium-sulfaat in Saskatchewan, en calcium-magnesium-natrium-bicarbonaat in westelijk Manitoba. Het diepere Paleozoïsche en Cenozoïsche gesteente bevat veel zouter water (tot 300 ppt TDS) dat gewoonlijk wordt gedomineerd door Na en Cl.
Hoewel er weinig onenigheid bestaat over het feit dat grondwater een belangrijke factor is in de hydrologie van de zoutmeren, zijn de specifieke oorsprong en de uiteindelijke bron van de ionen in de meren van de noordelijke Great Plains onderwerp geweest van aanzienlijke discussie. In een deel van het vroege werk werd gesuggereerd dat de diep begraven Paleozoïsche evaporieten die in de ondergrond voorkomen, een mogelijke bron voor de zouten in de meren zouden kunnen zijn. Grossman (1968) toonde aan dat er een correlatie bestaat tussen het voorkomen van natriumsulfaatafzettingen in meren aan de oppervlakte en de aanwezigheid en tendensen van verschillende zouteenheden in de Devoon Prairie Formatie in de regio. Daarentegen is ondiep gesteente uit het Krijt en het Tertiair, in tegenstelling tot de diepe Paleozoïsche opeenvolging, aangewezen als de bron van ten minste een deel van de opgeloste bestanddelen in de meren (Cole, 1926; Sahinen, 1948; Wallick en Krouse, 1997).
Ten slotte is er, in plaats van een beroep te doen op bronnen in het vast gesteente, aanzienlijke steun voor het feit dat de bron van de ionen de Kwartaire afzettingen zijn waarbinnen de meren onmiddellijk zijn gelegen (Kelley en Holmden, 2001; Rozkowski, 1967; Rutherford, 1970). Een verscheidenheid van fysiochemische en biochemische reacties, waaronder kationenuitwisseling, oplossing van veldspaten, en precipitatie van authigene sulfaat-, carbonaat-, en silicaatfasen in de afzettingen kan worden gedocumenteerd die deze laatste hypothese ondersteunen. Bovendien hebben veel onderzoekers (bijv, Freeze, 1969; Last, 1984b; Rueffel, 1968a; Rueffel, 1968b; Witkind, 1952) hebben de nauwe associatie van de meer zoute lacustrine pekels met begraven preglaciale en glaciale valleien benadrukt, en hebben geconcludeerd dat deze begraven valleien fungeren als kanalen voor grondwater dat opgelost materiaal aan de meren levert.

Andere belangrijke overwegingen

Temporele variatie op korte termijn:

Een belangrijke complicerende factor bij het karakteriseren van de chemie van de zoutmeren van het NGP is dat veel van de meren playa-kenmerken vertonen, waarbij ze zich in de lente en vroege zomer met water vullen en tegen het eind van de zomer of in de herfst volledig opdrogen. Last en Ginn (2005) schatten dat 85% van de zoutmeren in deze regio beïnvloed worden door dit type van seizoensgebonden hydrologische cyclus. Deze sterke seizoensgebondenheid van het waterpeil geeft aanleiding tot dramatische veranderingen in zowel ionenconcentraties als ionenverhoudingen, zoals blijkt uit talrijke studies. Ceylon Lake bijvoorbeeld, een door zout gedomineerde playa in het zuiden van Saskatchewan, ondergaat jaarlijks concentratieveranderingen van ongeveer 30 ppt TDS tot meer dan 300 ppt (Last, 1990). Dit meer vertoont ook dramatische fluctuaties in ionische verhoudingen op seizoensbasis van een Ma-(Mg)-SO4-HCO3 type in het vroege voorjaar tot een Mg-(Na)-Cl-SO4 samenstelling tegen de herfst (Last, 1989b). Hammer (1978, 1986) en Last (1984a) geven een overzicht van de temporele veranderingen op korte termijn in het zoutgehalte en de chemie van verscheidene andere zoute meren in de regio. Helaas zijn slechts in enkele bekkens in de noordelijke Great Plains periodieke gedetailleerde bemonsteringen over een periode van jaren uitgevoerd.

Grieenevolutie:

De samenstelling van elk gesloten bekken lacustrine pekel wordt uiteindelijk bepaald door twee belangrijke factoren: (i) de opgeloste stoffen worden verworven door verdund instromend water door verweringsprocessen en door atmosferische neerslag, en (ii) de daaropvolgende verdamping en concentratie van ionen leidt tot neerslag van mineralen, die de uiteindelijke pekelsamenstelling verder beïnvloedt. Deze laatste verandering in de samenstelling van het meerwater wordt pekelevolutie genoemd en is het onderwerp geweest van een aanzienlijke wetenschappelijke belangstelling (b.v. Jones, 1966; Jones en van Denburgh, 1966). Garrels en McKenzie (1967), die werkten met natuurlijke wateren in de Sierra Nevada regio in het westen van de Verenigde Staten, wezen er voor het eerst op dat minerale neerslag, veroorzaakt door verdampingsconcentratie, de primaire controle is van de pekelevolutie. Hardie en Eugster (1970) veralgemeenden vervolgens het evolutionaire schema en concludeerden dat er drie belangrijke pekelevolutieroutes zijn die resulteren in vijf dominante pekeltypen in evaporitische lacustrinebekkens.

Hoewel er vele modificaties zijn geweest van het basis Hardie-Eugster evolutionaire schema, is de belangrijkste bijdrage van het model die van de chemische scheidslijn. Een chemische scheidslijn is een punt in de evolutievolgorde van een pekel waarin de precipitatie van een mineraal het water uitput in bepaalde kationen of anionen en verdere verdamping de oplossing langs een verschillend pad beweegt. Het resultaat van dit proces is dat kleine verschillen in ionische verhoudingen in de verdunde beginsamenstelling van het meer worden versterkt naarmate het meerwater evolueert en pekels produceren van verschillende en diverse samenstelling.
Omwille van hun relatief lage oplosbaarheid, zijn de calciumcarbonaten (calciet, aragoniet) gewoonlijk de eersten die neerslaan; deze vormen de eerste deling voor de meeste continentale pekels. De verhouding Mg, Ca, en HCO3 in de verdunde moederoplossing bepaalt dan het verdere verdampingstraject en de Mg/Ca verhouding bepaalt welk specifiek carbonaatmineraal zal neerslaan. Als calcium verrijkt is ten opzichte van carbonaatalkaliteit, dan zal de pekel route I volgen nadat de initiële CaCO3 neerslag zich heeft verdeeld. Verdere verdamping van dit type pekel zal leiden tot een tweede splitsing: de neerslag van gips. Hierna zal de verdere evolutie worden bepaald door de relatieve verhoudingen van Ca en SO4 (d.w.z. de paden III en IV).
Als echter HCO3 verrijkt is ten opzichte van Ca in de verdunde instroomoplossing, dan zal de pekelevolutie pad II volgen na de initiële deling. In dit pad zal calcium uiteindelijk worden uitgeput, waardoor een overmaat aan HCO3 overblijft, dat zich op zijn beurt kan verbinden met Mg en Na om een verscheidenheid aan complexe Na-Mg-carbonaat-sulfaat evaporieten te produceren. Een tweede scheidslijn in deze evolutie route is die van sepioliet. De verdere pekelevolutie na deze splitsing wordt bepaald door de relatieve concentraties van Mg2+ tegenover HCO3-. Als de magnesiumconcentratie groter is dan de resterende alkaliteit, zal de pekel evolueren naar een sulfaat of chloride eindlid (V). Omgekeerd zal het water een alkalicarbonaat pekel worden (VI) als de magnesiumconcentratie lager is dan de HCO3 alkaliteit na sepioliet precipitatie.
Hoewel dit model in theorie goed werkt en de principes van chemische scheidslijnen en evolutionaire paden geldig zijn, is het duidelijk dat het model een oversimplificatie is van een complexe reeks sedimentaire en geochemische processen. Pas relatief recent zijn we deze complexiteit beginnen te begrijpen (b.v. Drever, 1988; Herczeg et al., 2001; Jones and Deocampo, 2003). In feite volgen maar weinig continentale pekels daadwerkelijk een van de paden die in dit model worden geschetst. Bijvoorbeeld, in pad II wordt Mg-silicaat (sepioliet) zelden gevonden als primair mineraal en lijkt dus geen redelijke scheidslijn te vormen. Ook impliceert het model dat slechts een relatief klein aantal pekeltypes zal evolueren uit een typische verdunde instroom; dit is duidelijk niet het geval en er zijn veel voorkomende pekeltypes niet vertegenwoordigd. Bijvoorbeeld, de typische Na-Mg-SO4-HCO3 pekel die veel voorkomt in de noordelijke Great Plains is niet gerepresenteerd.
Hoewel, vanwege het brede spectrum van waterchemietypes die de meren van de Great Plains vertonen, bieden deze meren kritische informatie om de continentale pekelevolutie beter te begrijpen. Omdat zoutmineralen thermodynamisch en kinetisch reageren op zelfs relatief kleine veranderingen in de pekelsamenstelling, bieden de bekkens in de Great Plains met relatief dikke, ononderbroken opeenvolgingen van Holocene evaporieten een glimp op een complexe reeks van evolutionaire opeenvolgingen. Last (1995) gebruikte Markov-keten analyse om vier algemene anion-sequenties en vijf kation-sequenties te identificeren in de Holocene verdampingen van enkele tientallen meren in de Grote Vlakten. De meest voorkomende cycliciteit onder de anionen (die in ~50% van de meren voorkomt) is: CO3 → CO3-SO4 → SO4. Deze anionenreeks was het best vertegenwoordigd in Ceylon Lake in zuid-centraal Saskatchewan en werd daarom het Ceylon-type genoemd. De drie andere anionenreeksen, die minder vaak voorkomen, zijn:
Alsak type (~20%): CO3 → Cl-SO4 → SO4
Metiskow type (~10%): SO4 → CO3-SO4 → CO3
Waldsea type (~10%): SO4 → CO3
De evolutiesequenties van de kationen in de 24 bestudeerde meren waren aanzienlijk complexer dan de sequenties van de anionen en ongeveer 20% van de stratigrafische secties vertoonde geen statistisch significante temporele compositietrends. De meest voorkomende kationsequenties die in ongeveer 60% van de meren voorkomen, zijn van het Lydden-type (33%): Ca → Ca-Mg → Na → Na-Mg-Ca en het Ingebright type (28%): Na-Mg → Ca-Na-Mg → Na-Mg → Naf gevolgd door:
Metiskow type (~15%): Ca → Na-Mg → Ca-Mg-Na → Na
Little Manitou type (~10%): Ca-Mg → Mg-Na → Mg
Freefight type (~5%): Ca → Mg-Ca → Mg-Na
Omwille van de complexiteit van de wisselwerking tussen intrinsieke processen (d.w.z. sedimentaire, geochemische, hydrologische en biologische processen die in het meerbekken zelf werkzaam zijn) en extrinsieke processen (d.w.z. “externe” factoren, zoals klimaatverandering, wijziging van het afwateringsgebied), is het niet eenvoudig om de oorzakelijke mechanismen voor deze verschillende evolutionaire opeenvolgingen te bepalen. Het is duidelijk dat veel meer kwantitatieve gegevens van de evaporieten van deze en andere zoute meren in de regio moeten worden verzameld om de waargenomen samenstellingstendensen te verklaren en goed te modelleren.
Biologische processen die de zoutmeerchemie beïnvloeden: Over het geheel genomen zijn de biologische processen in de zoutmeren van West-Canada vergelijkbaar met die in zoet stilstaand water, niettegenstaande hun fysische en chemische extremen. De biota verschillen echter aanzienlijk tussen zoete en zoute meren (Hammer, 1986). Bij lage zoutgehalten is de soortensamenstelling van zoute meren vergelijkbaar met die van hun zoetwater tegenhangers (Evans, 1993). Naarmate het zoutgehalte toeneemt, neemt de soortenrijkdom af (Haynes en Hammer, 1978), en naarmate het zoutgehalte een extreem hoge waarde bereikt, wordt de soortenrijkdom zeer gering. Bij deze hoge zoutgehalten wordt het meer gewoonlijk uitsluitend gedomineerd door organismen die halotolerant zijn.
Zoute en hypersaliene meren hebben enkele van de hoogste gemeten percentages organische productiviteit ter wereld (Warren, 1986). Bij matige tot hoge zoutgehalten (30-100 ppt TDS) zijn het vooral groene algen en cyanobacteriën die tot deze biomassa bijdragen. Bij hogere zoutgehalten overheersen halofiele bacteriën het ecosysteem.
Vele biologische processen kunnen de chemie van zoute meren beïnvloeden. Zo veroorzaken fotosynthese door waterplanten, ammoniakvorming, denitrificatie, sulfaatreductie en anaërobe sulfide-oxidatie een stijging van de pH-waarde doordat de flora kooldioxide verbruikt, en een stijging van de concentratie HCO3. De afbraak van organismen kan op zijn beurt leiden tot het vrijkomen van ionen zoals Mg en Ca, evenals verhoogde niveaus van HCO3 die gunstige omstandigheden creëren voor carbonaatneerslag (Castanier, 1999; Riding, 2000; Visscher et al., 1992).
De organismen die kunnen gedijen bij hoge zoutgehalten in een zout meer zijn sterk beperkt. Leven bij hoge zoutconcentraties vergt veel energie om de steile ionengradiënt over het membraan in stand te houden die nodig is voor osmoregulatie (Orhen, 2002). Het specifieke type metabolisme bepaalt ook de grens van de zoutconcentratie die een organisme kan verdragen. In de meeste zoute meren neemt de diversiteit van organismen af naarmate het zoutgehalte toeneemt.

Ook de samenstelling van ionen beïnvloedt de diversiteit van soorten. Chloride, bicarbonaat en sulfaat zijn het belangrijkst voor het bepalen van de soortensamenstelling in zoute meren (Herbst, 2001). De opvallende toename van het aandeel SO4 bij toenemend zoutgehalte in de meren van de noordelijke Great Plains betekent dat sulfaat reducerende bacteriën (SRB) een dominante taxa zijn. De reductie van sulfaat door SRB leidt tot de productie van bicarbonaationen en dus tot de vorming van alkaliteit volgens de formule SO42- + 2CH2O → HS- + 2HCO3-, waarbij 2CH2O staat voor organisch materiaal. De directe effecten die SRB op het milieu hebben (d.w.z, reductie van sulfaat en productie van H2S en alkaliteit) kunnen op hun beurt rechtstreeks van invloed zijn op de oplosbaarheid en de precipitatie/oplossing van een grote verscheidenheid van mineralen, waaronder carbonaten, silicaten, oxiden, sulfiden, en vele evaporieten Bacteriële sulfaatreductie is dus een belangrijk mineralisatieproces in de zoute en hypersalische systemen van West-Canada.
Wanneer het eindproduct van sulfaatreductie, S2-, wordt geproduceerd, is het lot van het sulfide bepalend of bepaalde mineralen al dan niet zullen neerslaan (Castanier, 1999). Als het gegenereerde sulfide ontgast, zal het sulfaatreductieproces resulteren in een verhoging van de pH in het waterige milieu, waardoor de neerslag van carbonaatmineralen wordt bevorderd. Indien het sulfide wordt opgenomen door sulfide-oxiderende microben, zal de pH eveneens stijgen en zal carbonaat neerslaan. Wordt het sulfide daarentegen in het waterige milieu teruggeoxideerd tot sulfaat, dan kan een sterk zuur, H2SO4, worden gevormd, waardoor de pH daalt en carbonaatneerslag wordt ontmoedigd. Tenslotte, als het sulfide in het milieu blijft, zal de pH dalen en zal er geen carbonaat neerslaan.
De rol van deze organismen in de ecosystemen van zoutmeren in de noordelijke Great Plains zijn kritische onderzoeksgebieden, vooral met betrekking tot hun mogelijk belangrijke rol in de vorming en diagenese van carbonaatmineralen. Een beter begrip van de biomineralisatieprocessen in deze meren verschaft een belangrijk inzicht in de evolutie van de pekelsystemen en zal de ontwikkeling van kritische proxies voor veranderingen in de milieuomstandigheden mogelijk maken. Bovendien zullen deze biomineralisatieprocessen ons helpen beter te begrijpen waarnaar we moeten zoeken bij het zoeken naar leven in buitenaardse milieus.

• Barica, J., 1975. Geochemistry and nutrient regime of saline eutrophic lakes in the Erickson-Elphinstone district of southwestern Manitoba. 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. and Caswell, F.D., 1989. The use of prairie potholes by North American ducks. Northern Prairie Wetlands: 204 – 227.
• Betcher, R., Grove, G. and Pupp, C., 1995. Groundwater in Manitoba: Hydrogeology, Quality Concerns, Management. Nationaal Hydrologie Onderzoek Instituut Bijdrage nr. CS-93017.
• Bierhuizen, J.F.H. and Prepas, E.E., 1985. Relationship between Nutrients, Dominant Ions, and Phytoplankton Standing Crop in Prairie Saline Lakes. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 42(10): 1588-1594.
• Birks, S.J. and Remenda, V.H., 1999. Groundwater inputs to a closed-basin saline lake, Chappice Lake, Alberta. Holocene klimaat- en milieuveranderingen in de Palliser-driehoek, Zuid-Canadese prairies: Geological Survey of Canada Bulletin 534: 23 – 55.
• Brown, I.C., 1967. Grondwater in Canada. Economic Geology Report Number 24, 228 pp.
• Cameron, D.R., 1986. Saline waters: agricultural uses. Evaluating Saline Waters in a Plains Environment. Canadian Plains Proceedings, 17: 75 – 100.
• Carpenter, 1978. Oorsprong en chemische evolutie van pekel in sedimentaire bekkens. Oklahoma Geological Survey Circular 79: 60-77.
• Castanier, S., 1999. Ca-carbonaat precipitation and limestone genesis-the microbiogeologist point of view. Sedimentaire geologie, 126(1): 9-23.
• Cole, L.H., 1926. Natriumsulfaat van West-Canada. Voorkomen, gebruik en technologie. Canadees Ministerie van Mijnen Publicatie Nummer 646, 155 pp.
• Conly, F. and van der Kamp, G., 2001. Monitoring the hydrology of Canadian prairie wetlands to detect the effects of climate change and land use changes. Environmental Monitoring and Assessment, 67(1): 195-215.
• Dean, W.E. and 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. and Hebert, P.D.N., 2003. A comparison of zooplankton communities in saline lakewater with variable anion composition. Hydrobiologia, 505(1-3): 199-215.
• Desai, K. and Moore, E.J., 1969. Equivalente NaCl bepaling uit ionische concentraties. Log Analyst, 10: 12-21.
• Drever, J.I., 1988. The Geochemistry of Natural Waters. Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 437 pp.
• Driver, 1965. Limnological aspects of some saline lakes in west-central Manitoba. Journal of Fisheries Research Board of Canada, 22: 1165-1173.
• Driver, E.A. and Pedden, D.G., 1977. De chemie van het oppervlaktewater in de prairievijvers. Hydrobiologia, 53: 33 – 48.
• Eugster, H.P. and Hardie, L.A., 1978. Zilte meren, Lakes, Chemistry, Geology, Physics. Springer, New York, pp. 237-293.
• Evans, J., 1993. Paleolimnologische studies van zoute meren. Tijdschrift voor Paleolimnologie, 8(2): 97-101.
• Evans, J. and Prepas, 1996. Potential effects of climate change on ion chemistry and phytoplankton communities in prairie saline lakes. Limnology and Oceanography: 1063-1076.
• Freeze, R.A., 1969. Regional groundwater flow – Old Wives Lake drainage basin, Saskatchewan. Wetenschappelijke serie nr. 5. Canadian Inland Waters Directorate, Burlington, Ontario, 234 pp.
• Garrels, R.M. and Mackenzie, F.T., 1967. Oorsprong van de chemische samenstellingen van sommige bronnen en meren. Equilibrium Concepts in Natural Water Systems. Am. Chem. Soc. Adv. Chem. Ser, 67: 222-242.
• Govett, G.J.S., 1958. Afzettingen van natriumsulfaat in Alberta. Alberta Research Council Voorlopig rapport 58-5.
• Grossman, I.G., 1968. Origin of sodium sulfate deposits of the Northern Great Plains of Canada and the United States. 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. Zilte Meer Ecosystemen van de Wereld. Dr W. Junk Uitgevers Dordrecht, Nederland 616 pp.
• Hardie, L.A. and Eugster, H.P., 1970. De evolutie van gesloten-bekken pekels. Mineral. Soc. Am. Spec. Publ, 3: 273-290.
• Harrington, R., Johnson, B. and Hunter, F., 1997. Responding to Global Climate Change in the Prairies, Volume III of the Canada Country Study: Climate Impacts and Adaptation. Milieu Canada, Prairie en Noordelijke regio.
• Hartland-Rowe, R., 1966. De fauna en ecologie van tijdelijke poelen in West-Canada. Verh. Internat. Verein. Limnol., 16: 577-584.
• Haynes, R.C. and 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. Gradients of salinity stress, environmental stability and water chemistry as a templet for defining habitat types and physiological strategies in inland salt waters. Hydrobiologia, 466: 209 – 219.
• Herczeg, A.L., Dogramaci, S.S. and Leaney, F.W.J., 2001. Oorsprong van opgeloste zouten in een groot, semi-aride grondwatersysteem: Murray Basin, Australië. 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. and Bowser, C.J., 1978. The mineralogy and related chemistry of lake sediments. Meren: Chemistry, Geology, Physics. Springer-Verlag, New York, 323: 179-235.
• Jones, B.F. and Deocampo, D.M., 2003. Chapter 13: Geochemistry of Saline Lakes. In: J.I. Drever (Editor), Verhandeling over Geochemie. Elsevier Scientific Publishers.
• Jones, B.F. and van Denburgh, A.S., 1966. Geochemische invloeden op het chemisch karakter van gesloten meren. Symposium van Garda, Hydrology of Lakes and Reservoirs, Proceedings of the International Association for Scientific Hydrology, Publikatie 70: 438 – 446.
• Kelley, L. and 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. Milieugeologie, 5(4): 177-190.
• Last, W.M., 1984b. Sedimentology of playa lakes of the northern Great Plains. Canadees Tijdschrift voor Aardwetenschappen, 21(1): 107-125.
• Last, W.M., 1988. Salt lakes of western Canada: a spatial and temporal geochemical perspective. 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. Sedimentologie, 36(1): 109-123.
• Last, W.M., 1990. Paleochemistry and paleohydrology of Ceylon Lake, a salt-dominated playa basin in the northern Great Plains, Canada. Tijdschrift voor Paleolimnologie, 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 and B. Vance (Editors), Climate, Landscape, and Vegetation Change in the Canadian Prairie Provinces, Edmonton, pp. 55-64.
• Last, W.M. and 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. and Schweyen, T.H., 1983. Sedimentology and geochemistry of saline lakes of the northern Great Plains. Hydrobiologia, 105: 245-263.
• Last, W.M. and Slezak, L.A., 1987. Sodium sulfate deposits of western Canada. Economische Mineralen van Saskatchewan. Speciale publicatie van de Saskatchewan Geological Society, 8: 197 – 205.
• Lemmen, D.S. and Vance, R.E., 1999. Holocene klimaat- en milieuveranderingen in de Palliser-driehoek, Zuid-Canadese prairies. Geological Survey of Canada Bulletin 534. Geological Survey of Canada Bulletin 534, 295 pp.
• Lennox, D.H., Maathuis, H. and Pederson, D., 1988. Regio 13, Westelijke vergletsjerde vlakten. De geologie van Noord-Amerika, deel O-2, Hydrogeologie.
• Lieffers, V.J. and 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. and Larkin, P.A., 1963. Hoofdstuk 16: West-Canada. In: D.G. Frey (Editor), Limnology in North America. University of Wisconsin Press, Madison, Wisconson, pp. 451-485.
• Orhen, A., 2002. Halophilic Microorganisms and Their Environments. Kluwer, Dordrecht, 575 pp.
• Palliser, J., 1862. Journalen, gedetailleerde verslagen en observaties betreffende de verkenning door Kapitein Palliser van een deel van Brits Noord-Amerika, Londen, 325 pp.
• Pham, S.V., Leavitt, P.R., McGowan, S. and Peres-Neto, P., 2008. Spatial variability of climate and land-use effects on lakes of the northern Great Plains. Limnology And Oceanography, 53(2): 728-742.
• Pham, S.V., Leavitt, P.R., McGowan, S., Wissel, B. and 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. and Grove, G., 1981. Groundwater Quality in Saskatchewan: Hydrogeology, Quality Concerns, Management. National Hydrology Research Institute Bijdrage nr. CS-91028.
• Rawson, D.S. and Moore, G.E., 1944. The saline lakes of Saskatchewan. Canadian Journal of Research (Series D), 22: 141 – 201.
• Remenda, V.H. and Birks, S.J., 1999. Groundwater in the Palliser Triangle: an overview of its vulnerability and potential to archive climate information. Holocene klimaat- en milieuveranderingen in de Palliser-driehoek, Zuid-Canadese prairies: Geological Survey of Canada Bulletin 534: 23 – 55.
• Riding, R., 2000. Microbial carbonates: the geological record of calcified bacterial-algal mats and biofilms. Sedimentology, 47(s 1): 179-214.
• Rozkowska, A.D. and Roskowski, A., 1969. Seasonal changes of slough and lake water chemistry in southern Saskatchewan, Canada. Tijdschrift voor Hydrologie, 7: 1 – 13.
• Rozkowski, A., 1967. The origin of hydrochemical patterns in hummocky morain. Canadian Journal of Earth Sciences, 4: 1065 – 1092.
• Rueffel, P.G., 1968a. Ontwikkeling van de grootste natriumsulfaatafzetting in 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 pp.
• Rutherford, A.A., 1970. Water quality survey of Saskatchewan surface waters, C-66-1. Saskatchewan Research Council, Saskatoon, 133 pp.
• Sahinen, U.M., 1948. Preliminary report on sodium sulfate in Montana. Bureau voor Mijnbouw en Geologie, Montana School of Mines Report, 9 pp.
• Scott, M.D. and 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. and Anderson, M.G., 1998. Potential Effects of Global Warming on Waterfowl Populations Broeding in the Northern Great Plains. Climatic Change, 40(2): 343-369.
• Tomkins, R.V., 1954a. Magnesium in Saskatchewan. Saskatchewan Department of Mineral Resources Report No 11, 23 pp.
• Tomkins, R.V., 1954b. Natuurlijk natriumsulfaat in Saskatchewan. Saskatchewan Department of Mineral Resources Report No 6, 71 pp.
• Van der Kamp, G. en Hayashi, M., 1998. The groundwater recharge function of small wetlands in the semi-arid northern prairies. Great Plains Research, 8(1): 39-56.
• Visscher, P.T., Prins, R.A. and van Gemerden, H., 1992. Rates of sulfate reduction and thiosulfate consumption in a marine microbial mat. FEMS Microbiol. Ecol, 86: 283-294.
• Wallick, E.I., 1981. Chemische evolutie van grondwater in een afwateringsbekken van Holocene ouderdom, oost-centraal Alberta, Canada. Tijdschrift voor Hydrologie, 54: 245 – 283.
• Wallick, E.I. and 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. Straatsburg, Frankrijk: 2e Internationale Symposium over de interactie tussen water en gesteente: 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 Lakes – an Introduction. Hydrobiologia, 81(2): 1-14.
• Williams, W.D., 1967. The chemical characteristics of lentic surface waters in Australia. In: A.H. Weatherley (Editor), Australian Inland Waters and Their Fauna. The Australian National University Press, Canberra, pp. 18-77.
• Williams, W.D. and Sherwood, J.E., 1994. Definitie en meting van het zoutgehalte in zoutmeren. International Journal of Salt Lake Research, 3: 53 – 63.
• Winter, T.C., 1977. Classification of the hydrologic settings of lakes in the North Central United States. Water Resources Res, 13: 753 – 767.
• Witkind, I.J., 1952. The localization of sodium sulfate deposits in northheastern Montana and northwestern North Dakota. American Journal of Science, 250: 667-676.