Sjöar som försvinner och översvämmas

Notera: Dessa sidor fungerar bäst med Firefox eller Safari

The Northern Great Plains Setting

Den geomorfiska provinsen Northern Great Plains (NGP) i västra Kanada är en vidsträckt region i Nordamerika som omfattar mer än 350 000 km2. Regionen sträcker sig från den prekambriska skölden nära Winnipeg, Manitoba, västerut i över 1 600 km till Klippiga bergens utlöpare och är Kanadas jordbrukslandskap och innehåller också större delen av befolkningen i västra Kanada. NGP kännetecknas av en platt till svagt böljande topografi och upplever ett kallt, halvtorrt klimat. Den pleistocena kontinentala istiden har resulterat i en tjock sekvens av okonsoliderade glaciala, glaciofluviala och glaciolakustrinsediment som täcker den generellt sett flacka sedimentära berggrunden från krita och tertiär.

Ur saltsjögeokemisk synvinkel är de två viktigaste fysikaliska egenskaperna i regionen den höga kvoten mellan avdunstning och nederbörd, och närvaron av stora områden med endorheisk dränering. Även om den årliga medeltemperaturen på ~3 °C skulle innebära en relativt låg avdunstning, skapar de starka vindarna, den låga luftfuktigheten och de varma sommartemperaturerna värden för avdunstning/nederbörd på i allmänhet mellan 3 och 10. Det genomsnittliga årliga fuktunderskottet i regionen är cirka 350 mm.

Dessa klimatiska egenskaper i kombination med den dåligt integrerade avrinningen, där nästan 45 % av södra Saskatchewan och östra Alberta är topografiskt slutna, resulterar i ett stort antal saltsjöar med olika morfologi och geokemiska egenskaper. I motsats till många andra områden i världen där det finns ett överflöd av saltsjöar (t.ex, se sammanfattningar i Jones och Bowser, 1978; Jones och Deocampo, 2003), är den norra Great Plains-regionen tektoniskt mycket stabil, uppvisar ingen slående topografisk relief och det finns inte heller någon dramatisk litologisk mångfald av vare sig glaciala avlagringar eller berggrunden på lokal eller regional nivå.

Saline Lake Geochemistry

Den salthaltiga karaktären hos ytvattnet och tillhörande sjöavlagringar i norra Great Plains var välkänd för de lokala urfolksgrupperna vid tiden för den europeiska expansionen och bosättningen i regionen under mitten av 1800-talet. Även om de första kemiska analyserna av saltsjövatten från denna region publicerades på 1890-talet, var det inte förrän nästan ett halvt sekel senare som man kände till saltsjöarnas fulla omfattning och grad av mångfald. Under mer än trettio år efter 1890-talet kom de enda vetenskapliga insatserna och uppgifterna om dessa sjöar från ekonomiska geologer som var intresserade av exploaterbara reserver av först nitratsalter och senare natrium- och magnesiumsalter i sjöarna. Resultaten av en regional undersökning av dessa ekonomiska fyndigheter som genomfördes av den kanadensiska regeringen i början av 1920-talet (Cole, 1926) räknas fortfarande som en av de bästa och mest omfattande sammanfattningarna av saltsjöarnas hydrogeokemi.

Och även om vår kunskap om kemin i ytvattnet på de kanadensiska Great Plains fortfarande inte är lika avancerad som i vissa andra delar av Nordamerika har vår kunskap om kemin i ytvattnet på de kanadensiska Great Plains gjort vissa framsteg jämfört med dessa tidiga geologiska/geokemiska rekognosceringsinsatser. I en av de första systematiska limnologiska undersökningarna i regionen rapporterade Rawson och Moore (1944) vattenkemin i 53 sjöar från södra Saskatchewan. Rutherford (1970) sammanställde uppgifter om sammansättningen för flera hundra sjöar i Saskatchewan (inklusive både söt- och saltvattenbassänger). Hammer (1978) rapporterade vattenkemin för 60 huvudsakligen fleråriga saltvattensjöar i södra Saskatchewan. Resultaten av mycket av detta tidiga regionala arbete har sammanfattats av Northcote och Larkin (1963), Hammer (1986) och Last (1989a).
Andra viktiga bidrag som täcker mindre geografiska områden av Great Plains inkluderar: Govett (1958) Bierhuizen och Prepas (1985), Derry et al. (2003) och Evans och Prepas (1996) i centrala och östra Alberta; Hartland-Rowe (1966) i sydöstra Alberta; Rozkowski (1967) och Roskowska och Roskowski (1969) i Moose Mountain-området i södra Saskatchewan; Lieffers och Shay (1983) och Driver och Peden (1977) i centrala Saskatchewan; och Driver (1965) och Barica (1975; 1977) i västra Manitoba. På senare tid har rapporter från Pham et al. (2008; 2009), Kelly och Holmden (2001) samt Lemmen och Vance (1999) inkluderat vattenkemidata från ~65 saltsjöar i västra och mellersta Saskatchewan.

Vi har nu saltkemidata från cirka 800 av saltsjöarna i norra Great Plains i Kanada. Även om de flesta av dessa data representerar analyser av enstaka prover, är vissa medelvärden av många prover som samlats in under en period av månader, år eller decennier. I allmänhet har de större sjöarna (t.ex. sjöarna Manitoba, Quill, Manito osv.) de längsta tidsuppgifterna, som i vissa fall går tillbaka till början av 1900-talet. Ingen sjö i de kanadensiska prärierna har dock en kontinuerlig övervakning som sträcker sig över mer än fyra decennier. Av de sjöar för vilka det finns uppgifter ligger 10 % i Manitoba, 72 % i Saskatchewan och 18 % i Alberta.

Även om de flesta sjöar på de stora slätterna i västra Kanada har ett likartat övergripande ursprung, uppvisar vattnen ändå en avsevärd mångfald när det gäller jonisk sammansättning och koncentration. De tidiga utredarna (främst ekonomiska geologer som koncentrerade sig på de mest koncentrerade saltlaken), betonade en stark dominans av Na och SO4 i sjöarna (t.ex. Cole, 1926; Tomkins, 1954a, b). Rutherford (1970) och Hammer (1978) betonade på liknande sätt betydelsen av natrium-, magnesium- och sulfatkomponenter i de fleråriga sjöarna i Saskatchewan, men erkände också ett brett spektrum av vattentyper på grundval av jonförhållanden. Rutherford (1970) kunde relatera den rumsliga variationen i vattentyperna till klimatgradienter inom provinsen och till sammansättningen av ytligt grundvatten.

Vi inser nu att det inte bara finns ett komplett spektrum av salthalter från relativt utspätt vatten (0,1 ppt TDS) till saltlake som är mer än en storleksordning större än havsvatten, utan också att praktiskt taget alla typer av vattenkemi finns representerade i sjöar i regionen. Även om det naturligtvis är vilseledande att generalisera genom att ange medelvärden och genomsnitt, har det ”genomsnittliga” sjövattnet ungefär 30 ppt TDS och visar (i meq%): Na≈Mg>Ca>K och SO4>HCO3>Cl>CO3.

Det är knappast förvånande att sjövattnet i norra Great Plains uppvisar en så stor variation i jonisk sammansättning och koncentration, med tanke på det enorma geografiska området och de varierande hydrologiska, geomorfiska och klimatmässiga förutsättningarna. Med ett så stort utbud av salthalter följer att koncentrationerna av de enskilda jonkomponenterna också varierar kraftigt. Frekvensfördelningarna av Mg-, Na-, Cl- och SO4-koncentrationerna i sjövattnet tenderar att vara multimodala till skillnad från Ca- och HCO3-jonerna som uppvisar ett mycket smalare fördelningsmönster. Sulfat- och karbonatrika sjöar dominerar klart på Great Plains och utgör över 95 % av alla sjöar. Denna brist på Cl-rika sjöar gör regionen ovanlig jämfört med många andra områden i världen (t.ex. Australien, västra USA; Eugster och Hardie, 1978; Williams, 1981). Kationförhållandena är mycket mer varierande, där förekomsten av alla tre huvudtyperna uppvisar ungefärliga underkvoter.

Som man kan förvänta sig ökar koncentrationen av de flesta lösningsämnena i sjövattnet med ökande total salthalt. Sulfat-, klorid- och natriumjoner uppvisar de mest statistiskt signifikanta korrelationerna med TDS, medan kalcium- och karbonatkoncentrationerna är mindre direkt relaterade till salthalten.
Proportionerna av vissa av lösningsämnena uppvisar också en systematisk förändring med salthalten. Sulfat ökar i relativ jonisk andel från mindre än 30 % ekvivalenter i utspädda sjöar till generellt mer än 70 % i sjöar med mer än 10 ppt TDS. Andelen kalcium och bikarbonat + karbonat uppvisar ett omvänt förhållande till salthalten och minskar från över 70 % ekvivalenter i utspädda vatten till nästan 5 % i sjöar med mer än 25 ppt TDS.

Den relativt jämna fördelningen av sjöar på norra Great Plains, för vilka vattenkemidata finns, gör det möjligt för oss att undersöka joninnehållet på en rumslig basis. Last och Schweyen (1983) och Last (1988; 1989a) diskuterar dessa regionala trender och presenterar isohalina kartor för de salta sjöarna i Saskatchewan, Alberta, North Dakota och Montana. Sjöar med högsta Na-, Mg- och SO4-koncentrationer förekommer i allmänhet i östra centrala Alberta, västra centrala och södra Saskatchewan, medan sjöar med hög alkalinitet och Cl-halt finns i centrala Alberta och västra Saskatchewan. Sjöar med relativt låga proportioner av Ca och Mg förekommer i de norra och centrala delarna av Plains.

En metod för statistisk analys: Insight into Water Composition Controlling Factors

Den huvudsakliga jonkompositionen och koncentrationen i dessa sjöar är ett resultat av: (i) ett komplext samspel mellan okonsoliderade glaciala sediment, berggrund och nederbörd/smältvatten i avrinningsområdet, (ii) sammansättningen och mängden av grundvattentillförsel (och utflöde) och vattendragsflöde i varje avrinningsområde, och (iii) ett stort antal andra fysikaliska, kemiska och biologiska processer som verkar i själva vattenpelaren. I allmänhet har flera olika typer av geokemiska metoder använts för att hjälpa till att förstå de viktigaste faktorerna som styr ytvattenkemin. Dessa inkluderar massbalansberäkningar, termodynamiska jämviktsöverväganden och statistiska utvärderingar (se översikt i Drever, 1988). I västra Kanada har både massbalansberäkningar och termodynamiska beräkningar visat sig vara värdefulla för att förstå många av de inneboende (inom avrinningsområdet) processer som är viktiga för vattnets sammansättning på lokal nivå (t.ex. Roskowski, 1965; Wallick och Krouse, 1977; Wallick, 1981; Last, 1984). På regional nivå har däremot olika statistiska tekniker tillämpats med framgång för att hjälpa till att förstå sambanden mellan vattenkemin och yttre miljöfaktorer som klimat, berggrund, geomorfologi och till-sammansättning (t.ex. Dean och Gorham, 1976; Last, 1992; Winter, 1977). Dessa statistiska metoder saknar dock förmågan att lösa upp de ofta viktiga lokala förhållandena och processerna, men de är dock väsentliga för vår övergripande förståelse av den lakustrinska geokemiska miljön i regionen som helhet.
Ett av de mest okomplicerade sätten att analysera de inbördes sambanden inom en datamängd är att undersöka de enkla linjära korrelationer som finns mellan de olika parametrarna. Koncentrationerna av Na, Ca och Mg i saltlaken i dessa sjöar är alla signifikant positivt korrelerade, liksom SO4 och Cl. Dessutom tenderar jonparen Mg-SO4, Mg-Cl och Na-Cl att ha en stark samvariation. Viktigt är att koncentrationerna av Na och SO4 inte uppvisar någon statistiskt signifikant linjär korrelation, vilket tyder på att olika typer av processer påverkar förekomsten av var och en av dessa joner. Andelarna av Ca och HCO3 uppvisar signifikant positiv samvariation, medan andelarna av Mg och Na samt HCO3 och SO4 är omvänt relaterade.

Med hjälp av en Q-mode klusteranalys (associationer mellan sjöar) delade Last (1992) in sjöarna i två huvudkategorier: en grupp av sjöar med hög salthalt (> 20 ppt TDS) och en grupp som kännetecknas av relativt lägre TDS-värden. Var och en av dessa huvudgrupper delades vidare in i mindre grupper av sjöar i förhållande till deras sammansättning av huvudjoner.

Genom att kombinera en mängd morfologiska (bassängområde, största djup), geologiska (berggrundstyp, djup till berggrund, till-typ), hydrologiska (avrinningsområde, antal bäckar som mynnar ut i sjön, höjd, grundvattnets sammansättning) och klimatvariabler (genomsnittlig årlig nederbörd, avdunstning, temperatur) med en databas över sjövattnets kemi använde Last (1988, 1992) en faktoranalys med R-mode för att identifiera en uppsättning av sju statistiska faktorer som förklarade mer än 90 % av variationen i uppgifterna. Dessa statistiska faktorer kan tolkas i termer av de viktigaste inneboende och yttre kontrollerna av vattnets sammansättning och koncentration på regional basis enligt följande: (i) Över en tredjedel av den totala variansen i uppgifterna förklaras av sammansättningen av inkommande grundvatten. (ii) Avrinningsområdets förhållande mellan avdunstning och nederbörd förklarar ungefär 20 % av variansen, följt av (iii) sjöns höjd eller läge inom avrinningsområdet. Variabler relaterade till berggrundens typ, glacialdriftens sammansättning, fluvial tillförsel och sjöns morfologi är statistiskt sett mindre viktiga.

Saltkälla

Det är allmänt väl accepterat att grundvattnet spelar en mycket viktig roll, inte bara för den övergripande hydrologin i salthaltiga sjöar, utan också för att diktera deras hydrokemi. Med några få anmärkningsvärda undantag (t.ex. Birks och Remenda, 1999; Freeze, 1969; Kelley och Holmden, 2001; Van der Kamp och Hayashi, 1998; Wallick, 1981) är dock grundvatteninteraktionsprocesserna med enskilda saltsjöbassänger i norra Great Plains fortfarande dåligt kända. Däremot är det regionala undervattensvattnets sammansättning, variation och hydrodynamik relativt välkända. Som sammanfattas på andra håll (se översikter i Betcher et al. (1995), Brown (1967), Lennox et al. (1988), Pupp et al. (1981), Remenda och Birks (1999), Rutherford (1967)) finns det flera huvudtyper av vattensammansättningar under ytan i regionen. Det mesta av grundvattnet i okonsoliderade ytliga avlagringar har låg till måttlig salthalt (3 joner). I de områden där nederbörden är lägst (sydvästra Saskatchewan och sydöstra Alberta) dominerar vanligtvis SO4-jonen snarare än HCO3 i det grunda driftgrundvattnet. De grunda grundvattenlagren (bergarter från övre kritan och yngre bergarter) består huvudsakligen av natriumbikarbonat i södra Alberta, kalcium-magnesium-natrium-sulfat i Saskatchewan och kalcium-magnesium-natrium-bikarbonat i västra Manitoba. Den djupare paleozoiska och kenozoiska berggrunden innehåller vatten med mycket högre salthalt (upp till 300 ppt TDS) som vanligen domineras av Na och Cl.

Samtidigt som det råder liten oenighet om att grundvattnet är en viktig faktor i saltsjöarnas hydrologi, har det specifika ursprunget och den slutgiltiga källan till jonerna i sjöarna på de norra Great Plains varit föremål för betydande diskussioner. I en del av det tidiga arbetet föreslogs att de djupt nedgrävda paleozoiska evaporiterna som förekommer i underjorden skulle kunna vara en möjlig källa för salterna i sjöarna. Grossman (1968) visade att det finns ett samband mellan förekomsten av natriumsulfatavlagringar i sjöar på ytan och närvaron och tendenserna hos olika saltenheter i den devoniska Prairieformationen i regionen. I motsats till den djupa paleozoiska sekvensen har däremot ytlig krit- och tertiär berggrund, i motsats till den djupa paleozoiska sekvensen, pekats ut som källan till åtminstone en del av de lösta komponenterna i sjöarna (Cole, 1926; Sahinen, 1948; Wallick och Krouse, 1997).
För att inte åberopa källor i berggrunden finns det slutligen ett betydande stöd för att jonerna kommer från de kvartära avlagringar inom vilka sjöarna är omedelbart belägna (Kelley och Holmden, 2001; Rozkowski, 1967; Rutherford, 1970). En mängd fysiokemiska och biokemiska reaktioner, inklusive katjonbyte, upplösning av fältspat och utfällning av authigena sulfat-, karbonat- och silikatfaser i tills kan dokumenteras som stöder den senare hypotesen. Dessutom har många forskare (t.ex, Freeze, 1969; Last, 1984b; Rueffel, 1968a; Rueffel, 1968b; Witkind, 1952) har betonat det nära sambandet mellan de mer salthaltiga lakustrinsolerna och begravda preglaciala och glaciala dalar, och har dragit slutsatsen att dessa begravda dalar fungerar som kanaler för grundvatten som förser sjöarna med löst material.

Andra viktiga överväganden

Kortsiktig tidsmässig variation:

En viktig komplicerande faktor när det gäller att karakterisera kemin i saltsjöarna i NGP är att många av sjöarna uppvisar playa-karaktäristika, de fylls med vatten under våren och försommaren och torkar helt ut under sensommaren eller hösten. Last och Ginn (2005) uppskattar att 85 % av saltsjöarna i denna region påverkas av denna typ av säsongsbaserad hydrologisk cykel. Denna starka säsongsbundenhet i vattennivåerna ger upphov till dramatiska förändringar i både jonkoncentrationer och jonförhållanden, vilket har påvisats i ett flertal studier. Till exempel genomgår Ceylonsjön, en saltdominerad playa i södra Saskatchewan, årliga förändringar i koncentrationen från cirka 30 ppt TDS till mer än 300 ppt (Last, 1990). Denna sjö uppvisar också dramatiska fluktuationer i jonförhållanden på säsongsbasis från en Ma-(Mg)-SO4-HCO3-typ tidigt på våren till en Mg-(Na)-Cl-SO4-sammansättning på hösten (Last, 1989b). Hammer (1978, 1986) och Last (1984a) sammanfattar de kortsiktiga temporala förändringarna i salthalt och kemi i flera andra saltvattensjöar i regionen. Tyvärr har endast ett fåtal bassänger i norra Great Plains genomgått periodisk detaljerad provtagning under flera år.

Brine Evolution:

Sammansättningen av varje lacustrin saltlösning i en sluten bassäng bestäms i slutändan av två huvudfaktorer: (i) lösningsämnena förvärvas av utspädda inflödande vatten genom vittringsprocesser och atmosfäriskt nedfall, och (ii) efterföljande avdunstning och koncentration av joner leder till utfällning av mineraler, vilket ytterligare påverkar den slutliga saltvattnets sammansättning. Den sistnämnda förändringen av sjövattnets sammansättning kallas saltvattenutveckling och har varit föremål för stort vetenskapligt intresse (t.ex. Jones, 1966; Jones och van Denburgh, 1966). Garrels och McKenzie (1967), som arbetade med naturliga vatten i Sierra Nevada-regionen i västra USA, påpekade först att mineralutfällning, som utlöses av avdunstningskoncentration, är den primära kontrollen av saltvattenutvecklingen. Hardie och Eugster (1970) generaliserade därefter det evolutionära schemat och drog slutsatsen att det finns tre huvudsakliga vägar för saltvattnets utveckling som resulterar i fem dominerande saltvattentyper i evaporitiska lakustrinska bassänger.

Även om det har gjorts många modifieringar av det grundläggande Hardie-Eugster-evolutionsschemat, är det viktigaste bidraget från modellen den kemiska uppdelningen. En kemisk klyfta är en punkt i en saltvattens utvecklingssekvens där utfällning av ett mineral utarmar vattnet på vissa katjoner eller anjoner och ytterligare avdunstning förflyttar lösningen längs en distinkt väg. Resultatet av denna process är att små skillnader i jonförhållanden i sjöns utspädda utgångssammansättning förstärks när sjövattnet utvecklas och ger upphov till saltlake med olika sammansättning.
På grund av sin relativt låga löslighet är kalciumkarbonaterna (kalcit, aragonit) vanligen de första som fälls ut; dessa utgör den första skiljelinjen för de flesta kontinentala saltlaken. Proportionerna av Mg, Ca och HCO3 i den utspädda moderlösningen bestämmer sedan den efterföljande avdunstningsvägen och Mg/Ca-förhållandet bestämmer vilket specifikt karbonatmineral som fälls ut. Om kalcium är anrikat i förhållande till karbonatalkalinitet kommer saltvattnet att följa väg I efter den första CaCO3-utfällningen. Ytterligare avdunstning av denna typ av saltvatten kommer att leda till en andra delning: utfällning av gips. Därefter kommer den fortsatta utvecklingen att styras av de relativa proportionerna av Ca och SO4 (dvs. väg III och IV).
Om HCO3 är rikare än Ca i den utspädda inflödeslösningen kommer saltvattnet att följa väg II efter den första uppdelningen. I denna väg kommer kalcium slutligen att utarmas och lämna ett överskott av HCO3, som i sin tur kan kombineras med Mg och Na för att producera en mängd komplexa Na-Mg-karbonat-sulfat-eaporiter. En andra delning i denna utvecklingsväg är sepiolit. Den fortsatta saltvattenutvecklingen efter denna delning styrs av de relativa koncentrationerna av Mg2+ och HCO3-. Om magnesiumkoncentrationen är större än den återstående alkaliniteten kommer saltvattnet att utvecklas till en sulfat- eller kloridslutprodukt (V). Omvänt kommer vattnet att bli en alkali-karbonatsaltlösning (VI) om magnesiumhalten är mindre än HCO3-alkaliniteten efter sepiolitutfällning.

Men även om denna modell fungerar bra i teorin och principerna om kemiska skiljelinjer och utvecklingsvägar är giltiga, så är det uppenbart att modellen är en överdriven förenkling av en komplex serie av sedimentära och geokemiska processer. Först relativt nyligen har vi börjat förstå denna komplexitet (t.ex. Drever, 1988; Herczeg et al., 2001; Jones och Deocampo, 2003). Faktum är att få kontinentala saltlösningar faktiskt följer någon av de vägar som beskrivs i denna modell. I väg II, till exempel, finns Mg-silikat (sepiolit) sällan som ett primärmineral och verkar därför inte vara en rimlig uppdelning. Modellen innebär också att endast ett relativt litet antal typer av saltvatten kommer att utvecklas från ett typiskt utspätt inflöde. Detta är uppenbarligen inte fallet och det finns många vanliga typer av saltvatten som inte är representerade. Till exempel är den typiska Na-Mg-SO4-HCO3-solen som är mycket vanlig på norra Great Plains inte representerad.
På grund av det breda spektrumet av vattenkemiska typer som uppvisas av sjöarna på Great Plains ger dessa sjöar viktig information för att bättre förstå den kontinentala saltvattenutvecklingen. Eftersom saltmineraler är termodynamiskt och kinetiskt känsliga för även relativt små förändringar i saltvattnets sammansättning, ger de bassänger i Great Plains som har relativt tjocka, kontinuerliga sekvenser av holocena evaporiter en glimt av en komplex serie av evolutionära sekvenser. Last (1995) använde Markovkedjeanalys för att identifiera fyra generaliserade anjonsekvenser och fem katjonsekvenser i de holocena evaporiterna från flera dussin sjöar på Great Plains. Den vanligast förekommande cykliska sekvensen bland anjonerna (som förekommer i ~50 % av sjöarna) är: CO3 → CO3-SO4 → SO4. Denna anjonsekvens var bäst representerad i Ceylonsjön i södra centrala Saskatchewan och kallades därför Ceylontypen. De tre andra anjonsekvenserna, som förekommer mindre ofta, är:
Alsak-typ (~20 %): CO3 → Cl-SO4 → SO4
Metiskow-typ (~10 %): SO4 → CO3-SO4 → CO3
Waldsea-typ (~10 %): Kationernas evolutionära sekvenser i de 24 undersökta sjöarna var betydligt mer komplexa än anjonsekvenserna och cirka 20 % av de stratigrafiska sektionerna uppvisade inga statistiskt signifikanta tidsmässiga kompositionstrender. De vanligaste katjonsekvenserna i cirka 60 % av sjöarna är av Lydden-typ (33 %): Ca → Ca-Mg → Na → Na-Mg-Ca och Ingebright-typen (28 %): Na-Mg → Ca-Na-Mg → Na-Mg → Naföljt av:
Metiskow-typ (~15 %): Ca → Na-Mg → Ca-Mg-Na → Na
Little Manitou-typ (~10 %): Ca-Mg → Mg-Na → Mg

Freefight typ (~5%): Ca → Mg-Ca → Mg-Na
På grund av komplexiteten i samspelet mellan inneboende processer (dvs. sedimentära, geokemiska, hydrologiska och biologiska processer som verkar i själva sjöbäckenet) och yttre processer (dvs. ”externa” faktorer, såsom klimatförändringar, modifiering av avrinningsområdet), är det inte enkelt att identifiera orsaksmekanismerna för dessa olika evolutionära sekvenser. Det är uppenbart att mycket mer kvantitativa data från evaporiterna i dessa och andra saltsjöar i regionen måste samlas in för att förklara och korrekt modellera de observerade sammansättningstrenderna.
Biologiska processer som påverkar saltsjöns kemi: På det hela taget liknar de biologiska processerna i saltsjöar i västra Kanada de biologiska processerna i sötvatten, trots deras fysikaliska och kemiska extremer. Biotan skiljer sig dock avsevärt mellan söt- och saltvattensjöar (Hammer, 1986). Vid låga salthalter är artsammansättningen i saltsjöar jämförbar med den i sötvatten (Evans, 1993). När salthalten ökar minskar artdiversiteten (Haynes och Hammer, 1978), och när salthalten når extremt höga värden blir artdiversiteten mycket låg. Vid dessa förhöjda salthalter domineras sjön vanligtvis endast av halotoleranta organismer.
Salina och hypersalina sjöar har några av de högsta uppmätta nivåerna av organisk produktivitet i världen (Warren, 1986). Vid måttliga till höga salthalter (30-100 ppt TDS) är det främst grönalger och cyanobakterier som bidrar till denna biomassa. Vid högre salthalter dominerar halofila bakterier ekosystemet.
Många biologiska processer kan påverka kemin i saltvattensjöar. Till exempel orsakar vattenväxternas fotosyntes, ammonifiering, denitrifikation, sulfatreduktion och anaerob sulfidoxidation en höjning av pH-värdet eftersom koldioxiden utnyttjas av floran och en ökning av koncentrationen av HCO3. Nedbrytning av organismer kan i sin tur leda till att joner som Mg och Ca frigörs, liksom förhöjda nivåer av HCO3 som skapar gynnsamma förhållanden för karbonatutfällning (Castanier, 1999; Riding, 2000; Visscher et al., 1992).
De organismer som kan trivas vid höga salthalter i en saltvattensjö är starkt begränsade. Livet vid höga saltkoncentrationer kräver mycket energi för att upprätthålla den branta jongradienten över membranen som krävs för osmoregulering (Orhen, 2002). Den specifika typen av metabolism bestämmer också gränsen för den saltkoncentration som en organism kan tåla. I de flesta salthaltiga sjömiljöer minskar därför mångfalden av organismer när salthalten ökar.

Jonisk sammansättning påverkar också artdiversiteten. Klorid, bikarbonat och sulfat är viktigast när det gäller att kontrollera artsammansättningen i saltsjöar (Herbst, 2001). Den slående ökningen av andelen SO4 med ökande salthalt i sjöarna på norra Great Plains innebär att sulfatreducerande bakterier (SRB) är en dominerande taxa. SRB:s reduktion av sulfat leder till produktion av bikarbonatjoner och därmed generering av alkalinitet enligt: SO42- + 2CH2O → HS- + 2HCO3-, där 2CH2O representerar organiskt material. De direkta effekter som SRB har på miljön (dvs, reduktion av sulfat och produktion av H2S och alkalinitet) kan i sin tur direkt påverka lösligheten och utfällningen/upplösningen av en mängd olika mineraler, inklusive karbonater, silater, oxider, sulfider och många evaporiter.
När slutprodukten av sulfatreduktionen, S2-, produceras är sulfidens öde avgörande för om vissa mineraler kommer att fällas ut eller inte (Castanier, 1999). Om den genererade sulfiden avgasar kommer sulfatreduktionsprocessen att resultera i en ökning av pH-värdet i den vattenhaltiga miljön, vilket uppmuntrar utfällning av karbonatmineraler. På samma sätt, om sulfiden tas upp av sulfidoxiderande mikrober, kommer pH också att öka och karbonat kommer att fällas ut. Om sulfiden däremot oxideras tillbaka till sulfat i vattenmiljön kan en stark syra, H2SO4, bildas, vilket sänker pH-värdet och motverkar karbonatutfällning. Slutligen, om sulfiden förblir i miljön kommer pH att sjunka och inget karbonat kommer att fällas ut.
Den roll som dessa organismer spelar i ekosystemen i saltsjöar på norra Great Plains är kritiska områden att undersöka, särskilt med avseende på deras potentiellt viktiga roll i bildandet och diagenesen av karbonatmineraler. En bättre förståelse av biomineraliseringsprocesserna i dessa sjöar ger en viktig inblick i saltvattensystemens utveckling och kommer att möjliggöra utvecklingen av kritiska proxies för förändringar i miljöförhållandena. Dessutom kommer dessa biomineraliseringsprocesser att hjälpa oss att bättre förstå vad vi ska leta efter i sökandet efter liv i utomjordiska miljöer.

• Barica, J., 1975. Geokemi och näringsregim i salt eutrofa sjöar i Erickson-Elphinstone-distriktet i sydvästra Manitoba. Canadian Fisheries and Marine Services Research Development Technical Report 511.
• Barica, J., 1977. Variabilitet i jonisk sammansättning och fytoplanktonbiomassa i salta eutrofa präriesjöar inom ett litet geografiskt område. Archiv Fur Hydrobiologie, 81(3): 304-326.
• Batt, B.D., Anderson, M.G., Anderson, C.D. och Caswell, F.D., 1989. Nordamerikanska änders användning av präriegropar. Northern Prairie Wetlands: 204 – 227.
• Betcher, R., Grove, G. och Pupp, C., 1995. Grundvatten i Manitoba: Hydrogeologi, kvalitetsproblem och förvaltning. Bidrag nr CS-93017 från National Hydrology Research Institute.
• Bierhuizen, J.F.H. och Prepas, E.E., 1985. Förhållandet mellan näringsämnen, dominerande joner och växtplanktonbestånd i saltsjöar i prärien. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 42(10): 1588-1594.
• Birks, S.J. och Remenda, V.H., 1999. Grundvattentillförseln till en saltvattensjö med slutet bassäng, 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. Grundvatten i Kanada. Economic Geology Report Number 24, 228 pp.
• Cameron, D.R., 1986. Saltvatten: användning inom jordbruket. Evaluating Saline Waters in a Plains Environment. Canadian Plains Proceedings, 17: 75-100.
• Carpenter, 1978. Ursprung och kemisk utveckling av saltvatten i sedimentära bassänger. Oklahoma Geological Survey Circular 79: 60-77.
• Castanier, S., 1999. Ca-karbonatutfällning och kalkstensgenesis – mikrobiogeologens synvinkel. Sedimentary Geology, 126(1): 9-23.
• Cole, L.H., 1926. Natriumsulfat i västra Kanada. Förekomst, användning och teknik. Canadian Department of Mines Publication Number 646, 155 pp.
• Conly, F. och van der Kamp, G., 2001. Övervakning av hydrologin i kanadensiska prärievåtmarker för att upptäcka effekterna av klimatförändringar och förändringar i markanvändningen. Environmental Monitoring and Assessment, 67(1): 195-215.
• Dean, W.E. och 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. och Hebert, P.D.N., 2003. En jämförelse av zooplanktonsamhällen i salt sjövatten med varierande anjonsammansättning. Hydrobiologia, 505(1-3): 199-215.
• Desai, K. och Moore, E.J., 1969. Bestämning av ekvivalent NaCl från jonkoncentrationer. Log Analyst, 10: 12-21.
• Drever, J.I., 1988. Geokemi i naturliga vatten. Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 437 sidor.
• Driver, 1965. Limnologiska aspekter på några saltvattensjöar i västra centrala Manitoba. Journal of Fisheries Research Board of Canada, 22: 1165-1173.
• Driver, E.A. och Pedden, D.G., 1977. Kemin i ytvattnet i präriens dammar. Hydrobiologia, 53: 33 – 48.
• Eugster, H.P. och Hardie, L.A., 1978. Saline lakes, Lakes, Chemistry, Geology, Physics. Springer, New York, s. 237-293.
• Evans, J., 1993. Paleolimnologiska studier av saltvattensjöar. Journal of Paleolimnology, 8(2): 97-101.
• Evans, J. och Prepas, 1996. Potentiella effekter av klimatförändringar på jonkemi och fytoplanktonsamhällen i saltvattensjöar i prärien. Limnology and Oceanography: 1063-1076.
• Freeze, R.A., 1969. Regionalt grundvattenflöde – Old Wives Lake avrinningsområde, Saskatchewan. Vetenskaplig serie nr 5. Canadian Inland Waters Directorate, Burlington, Ontario, 234 pp.
• Garrels, R.M. och Mackenzie, F.T., 1967. Ursprunget till den kemiska sammansättningen i vissa källor och sjöar. Equilibrium Concepts in Natural Water Systems. Am. Chem. Soc. Adv. Chem. Ser, 67: 222-242.
• Govett, G.J.S., 1958. Natriumsulfatfyndigheter i Alberta. Preliminär rapport 58-5 från Alberta Research Council.
• Grossman, I.G., 1968. Ursprunget till natriumsulfatavlagringar i norra Great Plains i Kanada och 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, Nederländerna 616 pp.
• Hardie, L.A. and Eugster, H.P., 1970. Utvecklingen av saltvatten i slutna bassänger. Mineral. Soc. Am. Spec. Publ, 3: 273-290.
• Harrington, R., Johnson, B. och 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. Fauna och ekologi i tillfälliga bassänger i västra Kanada. Verh. Internat. Verein. Limnol. 16: 577-584.
• Haynes, R.C. och 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 av salinitetsstress, miljöstabilitet och vattenkemi som en mall för att definiera livsmiljötyper och fysiologiska strategier i saltvatten i inlandet. Hydrobiologia, 466: 209 – 219.
• Herczeg, A.L., Dogramaci, S.S. och Leaney, F.W.J., 2001. Ursprunget av lösta salter i ett stort, halvtorrt grundvattensystem: 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. och Bowser, C.J., 1978. Mineralogi och relaterad kemi i sjösediment. Lakes: Chemistry, Geology, Physics. Springer-Verlag, New York, 323: 179-235.
• Jones, B.F. och Deocampo, D.M., 2003. Kapitel 13: Geokemi i saltsjöar. I: J.I. Drever (redaktör), Treatise on Geochemistry. Elsevier Scientific Publishers.
• Jones, B.F. och van Denburgh, A.S., 1966. Geokemiska influenser på den kemiska karaktären hos slutna sjöar. Symposium of Garda, Hydrology of Lakes and Reservoirs, Proceedings of the International Association for Scientific Hydrology, Publication 70: 438 – 446.
• Kelley, L. och Holmden, C., 2001. Rekognoscerande hydrogeokemi av ekonomiska fyndigheter av natriumsulfat (mirabilit) i saltvattensjöar, Saskatchewan, Kanada. 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. Saltsjöar i västra Kanada: ett rumsligt och tidsmässigt geokemiskt 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 och paleohydrologi i Ceylonsjön, en saltdominerad playabassäng i norra Great Plains, Kanada. 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 och B. Vance (redaktörer), Climate, Landscape, and Vegetation Change in the Canadian Prairie Provinces, Edmonton, s. 55-64.
• Last, W.M. och Ginn, F.M., 2005. Salin system på de stora slätterna i västra Kanada: en översikt över limnogeologi och paleolimnologi. Saline Systems, 1(1): 10.
• Last, W.M. och Schweyen, T.H., 1983. Sedimentologi och geokemi i saltvattensjöar i norra Great Plains. Hydrobiologia, 105: 245-263.
• Last, W.M. och Slezak, L.A., 1987. Natriumsulfatavlagringar i västra Kanada. Economic Minerals of Saskatchewan. Saskatchewan Geological Society Special Publication, 8: 197 – 205.
• Lemmen, D.S. och 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 pp.
• Lennox, D.H., Maathuis, H. och Pederson, D., 1988. Region 13, västra glaciated plains. Geology of North America, volym O-2, Hydrogeology.
• Lieffers, V.J. och 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. och Larkin, P.A., 1963. Kapitel 16: Västra Kanada. In: D.G. Frey (redaktör), Limnology in North America. University of Wisconsin Press, Madison, Wisconson, s. 451-485.
• Orhen, A., 2002. Halofila mikroorganismer och deras miljöer. Kluwer, Dordrecht, 575 sidor.
• 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. och Peres-Neto, P., 2008. Rumslig variation av effekter av klimat och markanvändning på sjöar i norra Great Plains. Limnology And Oceanography, 53(2): 728-742.
• Pham, S.V., Leavitt, P.R., McGowan, S., Wissel, B. och Wassenaar, L., 2009. Rumslig och tidsmässig variation av hydrologin i präriesjöar som avslöjas med hjälp av stabila isotoper av väte och syre. Limnol. Oceanogr, 54(1): 101-118.
• Pupp, C., Maathuis, H. och Grove, G., 1981. Groundwater Quality in Saskatchewan: Hydrogeology, Quality Concerns, Management. Bidrag nr CS-91028 från National Hydrology Research Institute.
• Rawson, D.S. och Moore, G.E., 1944. De salta sjöarna i Saskatchewan. Canadian Journal of Research (Series D), 22: 141 – 201.
• Remenda, V.H. och Birks, S.J., 1999. Grundvatten i Palliser-triangeln: en översikt över dess sårbarhet och möjligheter att arkivera klimatinformation. Holocene Climate and Environmental Changes in the Palliser Triangle, Southern Canadian Prairies: Geological Survey of Canada Bulletin 534: 23 – 55.
• Riding, R., 2000. Mikrobiella karbonater: geologiska uppgifter om förkalkade bakterie- och algmattor och biofilmer. Sedimentology, 47(s 1): 179-214.
• Rozkowska, A.D. och Roskowski, A., 1969. Säsongsmässiga förändringar av vattenkemin i svackor och sjöar i södra Saskatchewan, Kanada. Journal of Hydrology, 7: 1 – 13.
• Rozkowski, A., 1967. Ursprunget till hydrokemiska mönster i humusmoräner. Canadian Journal of Earth Sciences, 4: 1065 – 1092.
• Rueffel, P.G., 1968a. Utvecklingen av den största natriumsulfatfyndigheten i Kanada. 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, s. 429-451.
• Rutherford, A.A., 1967. Water Quality Survey of Saskatchewan Groundwaters. Saskatoon: Saskatchewan Research Council, Report 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. Preliminär rapport om natriumsulfat i Montana. Bureau of Mines and Geology, Montana School of Mines Report, 9 pp.
• Scott, M.D. och Scott, S.A., 1986. Förvaltning av saltvattensjöar för vattenfågelresurser i västra Nordamerika: en genomgång av koncept. Evaluating Saline Waters in a Plains Environment. Canadian Plains Proceedings, 17: 23 – 38.
• Sorenson, L.G., Goldberg, R., Root, T.L. och Anderson, M.G., 1998. Potentiella effekter av global uppvärmning på vattenfågelpopulationer som häckar på norra 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. och Hayashi, M., 1998. Grundvattenåterfyllnadsfunktionen hos små våtmarker i den halvtorra norra prärien. Great Plains Research, 8(1): 39-56.
• Visscher, P.T., Prins, R.A. och van Gemerden, H., 1992. Sulfatreduktion och thiosulfatförbrukning i en marin mikrobiell matta. FEMS Microbiol. Ecol, 86: 283-294.
• Wallick, E.I., 1981. Chemical evolution of groundwater in a drainage bassin of Holocene age, east-central Alberta, Canada. Journal of Hydrology, 54: 245 – 283.
• Wallick, E.I. och Krouse, H.R., 1997. Sulfur isotope geochemistry of a groundwater-generated Na2SO4/Na2CO3 deposit and the associated drainage bassin of Horseshoe Lake, Metiskow, east central Alberta, Canada. Strasbourg, Frankrike: 2nd International Symposium on Water-rock Interaction: II56 – II64.
• Warren, J.K., 1986. Källbergspotential i evaporitiska miljöer med grunt vatten. American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 70(5): 442-454.
• Williams, W., 1981. Saltsjöar i inlandet – en introduktion. Hydrobiologia, 81(2): 1-14.
• Williams, W.D., 1967. De kemiska egenskaperna hos lentiska ytvatten i Australien. In: A.H. Weatherley (Editor), Australian Inland Waters and Their Fauna. The Australian National University Press, Canberra, s. 18-77.
• Williams, W.D. och Sherwood, J.E., 1994. Definition och mätning av salthalt i saltsjöar. International Journal of Salt Lake Research, 3: 53 – 63.
• Winter, T.C., 1977. Klassificering av de hydrologiska förutsättningarna för sjöar i norra centrala USA. Water Resources Res, 13: 753 – 767.
• Witkind, I.J., 1952. Lokaliseringen av natriumsulfatavlagringar i nordöstra Montana och nordvästra North Dakota. American Journal of Science, 250: 667-676.