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Uranium-series isotopes are an emerging tool to characterize weathering and soil forming processes in the Critical Zone, the dynamic region of earth's surface where bedrock, water, soil, and life chemically and physically interact to support ecosystems. Understanding controls on the U-series composition of soils across a range of lithologies and climate is critical to applying existing mass balance models of U-series isotopes to calculate soil formation rates in these systems. This study seeks to understand the behavior of U-series isotopes in soil profiles in the semi-arid complex volcanic terrain of the Valles Caldera, NM. (²³⁴U/²³⁸U) measured in soils ranged from 0.90 to 1.56 and (²³⁰Th/²³⁸U) values ranged from 0.48 to 1.39. Significant ²³⁰Th enrichment in upper soil profiles was interpreted as evidence of mixing with ²³⁰Th-enriched volcanic ash and significant ²³⁴U enrichment in one soil profile was interpreted as evidence of addition of U to soils from ²³⁴U-enriched soil solutions. A simple U isotope mass balance model was applied to estimate soil residence time based on U addition, which yielded a minimum residence time of ~10ka. Evidence of past episodic mixing of volcanic ash in these soils suggests modeling soil formation using a mass balance approach is problematic, and future applications of existing models in other heterogeneous volcanic soils should be applied cautiously. U-series isotopes have also shown promise as a tracer of residence time in shallow groundwater and streams. In this study, (²³⁴U/²³⁸U) in dissolved U is used to trace seasonal variation in source water contributions to streamflow in a small (3.29km²), headwater catchment in the Jemez River Basin Critical Zone Observatory within the Valles Caldera. Systematically lower (²³⁴U/²³⁸U) values in dissolved U were observed in spring and stream waters in conjunction with greater contributions of longer residence time waters during snowmelt ((²³⁴U/²³⁸U) ranged 1.7 to 2.8) vs. dry seasons ((²³⁴U/²³⁸U) ranged 1.9 to 3.1). The lower (²³⁴U/²³⁸U) values in longer residence time waters were attributed to progressive depletion of easily-weathered ²³⁴U with increasing duration of water rock interaction. Further studies with more quantitative age tracers, such as ³H, could help to establish (²³⁴U/²³⁸U) values as a powerful tracer of water sources and residence time in streamwaters at the catchment scale.

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Mesozoic Cordilleran arc magmatism along the western margins of North and South America shows similar patterns of episodic activity, but differences in tectonic setting, in composition, and in peak magnitudes of magma fluxes. The development of iron oxide(-copper-gold) (‘IOCG’) mineralization accompanies the pulse of arc magmatism in North and South America, but is most prolific during the early to middle Mesozoic pre-orogenic phases of the Cordillera. The focus of this work is to better understand the episodic nature of Cordilleran magmatism, controls to magma sources and compositions, and controls to Cordilleran IOCG mineralization. The objectives of this study are accomplished by focusing on two regions of the Cordillera that experienced similar early-middle Mesozoic tectonic settings, but display very different magmatic fluxes, compositions, and development of IOCG systems. The Coastal Batholith of northern Chile was investigated for the timing, composition, and fluxes of magmatism at three scales of observation including 1:1M scale between ~18°S to 34°S, 1:100K scale between 26°S to 28°S, and 1:20K scale along a transect at ~27.5°S where new major elemental, trace elemental, and Nd, Sr, and O isotope data were acquired. From the western United States magmatic fluxes and compositions were compiled from the literature, as were characteristics of Jurassic IOCG occurrences in the central Mojave Desert, California. Geologic framework analysis at 1:250K scale and new 1:5K scale mapping of the hydrothermal features associated with Jurassic IOCG occurrences were conducted in the central Mojave Desert, California. Results from northern Chile reveal that the Coastal Batholith formed in a dominantly extensional setting, had episodic magma fluxes that were dominantly mafic (dioritic-quartz dioritic) during peak output, and has uniformly depleted mantle-like Nd and Sr isotopes regardless of magma composition. Published compilations from coeval arcs of North America indicate that they display the opposite relationships to Chile between tectonic setting, magmatic fluxes, and magmatic compositions. Results from mapping in the southern Palen Mountains, California, and synthesis of composite exposures across the central Mojave Desert, California demonstrates that IOCG systems in this region are vertically zoned and genetically related Jurassic intrusions ranging from diorite/gabbro to granite in composition. The mineralized occurrences have intermediate depth (1–4 km), cores of magnetite±hematite mineralization with sparse Fe(-Cu) sulfides, and zone upward to acid-altered tops and downward to Fe-depleted, metal-poor, Na±Ca-altered roots. These patterns resemble those observed in IOCG systems throughout the Cordillera of the Americas.

Nitrate is a common groundwater contaminant. Due to adverse health effects, waters above the Maximum Contaminant Level (MCL) of 10 mg NO3-N/L or 0.71 mmols/L, are banned from domestic consumption by the EPA. Studies have measured elevated nitrate concentrations in arid land soils and groundwater around the world. These elevated concentrations could be detrimental to the environment and to human health. Thus, it is important to consider the different sources and processes affecting nitrate concentrations Here, a novel triple isotope system approach was employed, coupling δ17O with δ18O and δ15N of nitrate to determine the sources (atmospheric, terrestrial, fertilizer, wastewater) and removal processes influencing nitrate concentrations in the Tucson basin groundwater system. Results show low groundwater nitrate concentrations (0.2 mmols/L) where wastewater was not a predominant source of water, versus high concentrations (1 mmols/L) above the MCL in groundwaters where wastewater was the dominant water source. Furthermore, groundwater up to 1.6 Km away from the wastewater stream was contaminated with effluent recharge waters. In addition, denitrification was inferred from δ18O and δ15N data with this inference reinforced by δ17O data and δ15N enrichments up to 26. Finally, low atmospheric nitrate was measured in groundwater, representing up to 6% of total nitrate. The triple isotope approach studied here is ideal for determining the proportion of atmospheric nitrate versus other terrestrial nitrate sources and the significance of nitrate removal processes.

In mineral deposits the application of the Re-Os system has evolved on two fronts; as a geochronometer in molybdenite, and as a tracer of the source of metals by direct determination of the source of Os contained in the ore minerals. Results obtained from a wide variety and types of mineral deposits indicate that ore minerals in most deposits contain a high initial osmium composition, compared to the mantle value at the time of ore formation. The Re-Os data presented here for the Platreef, South Africa, adds to the growing notion that the crust plays a fundamental role in the formation of mineral deposits and as a source of ore minerals. Additional data from the Zambian Copperbelt illustrate the utility of the Re-Os system as a geochronometer of sulfide mineralization. Two isochron ages of ca. 825 Ma and 575 Ma are consistent with a long-lived period of multistage mineralization linked to basin evolution and support a model where brines play a fundamental role in the formation of sediment-hosted stratiform deposits.Numerous new Re-Os molybdenite ages have recently been reported; however, the behavior of Re and Os in molybdenites is still poorly understood and controversy remains regarding the possible disturbance of the Re-Os isotopic system. Previous studies indicate that the Re-Os system in molybdenites, and in other sulfides, can experience disturbance by Re and Os loss or Re gain (both examples of open system behavior), and that the analysis of these altered samples yields equivocal ages. Through replicate analyses of samples and/or comparison with other robust dating techniques, such as the U-Pb geochronometer, it is possible to differentiate between Re-Os molybdenite ages reflecting a mineralization age or a post depositional event. Once the reliability of the Re-Os molybdenite analyses is proven, it is possible to constrain the timing of mineralization and the identification of multiple molybdenite mineralization events, information that is relevant in assessing the longevity of porphyry systems.The examples presented in this work support the use of the Re-Os isotopic system as an important geochemical tool in the understanding of mineral deposits.

There are relatively few annually resolved climate proxies in arid and semi-arid regions. Columnar cactuses are common in these regions and the stable isotopes of carbon and oxygen in durable spines record variations in rainfall, humidity and ecophysiology as they grow in series along the sides of cactuses. Despite their spines, columnar cactuses provide important ecosystem resources and services in drought prone areas, however, the impact that long-term climate variability and infrequent storms (El Niño or tropical storms) have on the ecology and ecophysiology of columnar cactus is less clear. Stable isotopes in trees and corals serve as useful proxies of climate and ecophysiological information, but for cactus we lack the most rudimentary information about the isotopic systems and their links to the environment. Here, we present an isotopic framework that begins with developing semi-empirical mechanistic models of δ¹³C, δ¹⁸O and δ²H variation in saguaro cactuses that link physical and physiological fractionation factors in stem water and spines to rainfall and humidity. We also review a novel method for determining the age of spines, an important step in developing useful chronologies of isotopic variation in spines. The mechanistic models combined with local climate records enhance our understanding of isotopic variation in daily and annually dated spine δ¹³C and δ¹⁸O records and explain the statistical association of δ¹³C and δ¹⁸O in spines with rainfall, vapor pressure deficit, and El Niño enhanced winter rains. While there are still some challenges to overcome, we expect that isotopic spine series will be used as climate proxies to answer questions regarding regional climate variability or to enhance current models of past and future climates. Likewise, ecophysiologists can use the isotopic spine series in conjunction with gas exchange or carbohydrate studies to look at reproductive or biological responses to changing environments.

Die Verhältnisse der stabilen Isotope des Sauerstoffs (16O, 17O, 18O) und des Kohlenstoffs (12C, 13C) im biogenen Apatit des Zahn- und Knochenmaterials von Säugetieren lassen Rückschlüsse auf die Isotopie der entsprechenden Sauerstoff- und Kohlenstoffquellen zu. Die Isotopenverhältnisse dieser Quellen (z.B. Trinkwasser, Luftsauerstoff, Nahrung) sind an bestimmte Umwelt- und Klimabedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration, Bioproduktivität, Art der Vegetation, Grad der Vegetationsdichte etc. geknüpft. Bestimmt man die Sauerstoff- und Kohlensoffisotopenverhältnisse in diagenetisch unalteriertem fossilem Säugetiermaterial können Aussagen über solche Klima- und Umweltparameter weit in die Erdgeschichte zurück getroffen werden. Darüber hinaus ist es möglich Informationen über Lebensweise und Verhalten der untersuchten Taxa, wie z.B. Wanderverhalten, Geburtensaisonalität, Trinkverhalten, Nahrungspräferenzen, Ressourcenteilung und Habitatnutzung zu erlangen. Seit dem Beginn der Forschungen auf diesem Gebiet in der 70er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts ist eine große Zahl von Studien erschienen, welche sich der Untersuchung der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie (18O/16O, 13C/12C) des Zahn- und Knochenmaterials rezenter und fossiler (vorwiegend großer) Säugetiere zu diesen Zwecken widmen. Noch keine zwei Jahrzehnte ist es her, dass erkannt wurde, das troposphärischer Sauerstoff eine anomale 3-O-Isotopenzusammensetzung (17O/16O, 18O/16O) besitzt, die signifikant von fast allen anderen terrestrischen Materialien abweicht. Diese wird in Folge von nicht massenabhängiger Fraktionierung durch photochemische Prozesse in der Stratosphäre hervorgerufen und durch Gasaustausch in die Troposphäre übertragen. Die Magnitude dieser Sauerstoffisotopenanomalie ist eine Funktion der atmosphärischen CO2-Konzentration, sowie der globalen Bioproduktivität. Kann die 3-O-Isotopie des Luftsauerstoffs zu vergangenen Zeitpunkten in der Erdgeschichte rekonstruiert werden, lässt dies somit auch Rückschlüsse auf die entsprechende CO2-Konzentration bzw. die globale Bioproduktivität zu. Geologische Archive die dies ermöglichen sind jedoch kaum vorhanden. Da für Säugetiere der eingeatmete Luftsauerstoff neben Trinkwasser und freiem Wasser in der Nahrung zu den wichtigsten Sauerstoffquellen zählt, ist biogener Apatit rezenter und fossiler Säugetiere eines der wenigen möglichen Materialien die das Potential haben, ein solches Archiv darzustellen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Variation der 3-O-Isotopenzusammensetzung im Bioapatit rezenter Säugetiere, sowie deren Bedeutung als neuen Proxy zur paläo-CO2-Rekonstruktion und als Indikator für diagenetisch alteriertes Skelettmaterial. Desweiteren werden zwischenartliche, innerartliche und intraindividuelle Variationen der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie im Bioapatit rezenter Nagetiere untersucht um eine bessere Interpretationsgrundlage für entsprechende Analysedaten fossiler Vertreter dieser größten Ordnung der Säugetiere herzustellen. Kapitel 2 beschäftigt sich mit der Frage, ob die anomale Isotopensignatur troposphärischen Sauerstoffs als Indikator für diagenetische Alteration des Zahn- und Knochenmaterial von fossilen Säugern genutzt werden kann. Hierzu wurde die 3-O-Isotopie von Zahnschmelz, Dentin und in geringem Umfang auch Knochenmaterial von einzelnen Individuen känozoischer Nagetiere separat analysiert. Während alle Zahnschmelzproben eine deutliche Sauerstoffisotopenanomalie aufweisen, welche in einer Größenordnung liegt die für diagenetisch unalterierten Bioapatit kleiner Säugetiere zu erwarten wäre, zeigen alle Dentinproben eine deutlich niedrigere bis gar keine Anomalie, was auf Isotopenaustausch mit diagenetischen Fluiden hindeutet. In Kapitel 3 werden die Variationen der anomalen Isotopensignatur troposphärischen Sauerstoffs im Skelettmaterial von rezenten Säugetieren evaluiert. Dies geschieht anhand zweier voneinander unabhängiger Ansätze: 1. durch 3-O-Isotopenanalyse von rezentem Bioapatit und 2. durch ein detailliertes Massenbilanzmodell. Da der Anteil des veratmeten Luftsauerstoffs im Verhältnis zu den weiteren Sauerstoffquellen in erster Linie von der spezifischen metabolischen Rate abhängt, die weitgehend mit dem Körpergewicht skalierbar ist, wurden Arten aus einem möglichst großen Körpergewichtsbereich von wenigen g bis zu einigen tausend kg untersucht. Es zeigte sich, dass das anomale Isotopensignal mit sinkender Körpermasse zunimmt. Auf Basis der daraus gewonnenen Erkenntnisse wurde versucht die Magnitude der anomalen Sauerstoffisotopensignatur in der Troposphäre zu verschiedenen Zeitpunkten im Känozoikum durch 3-O-Isotopenanalyse von eozänem, oligozänem und miozänem Zahnschmelzmaterial von Nagetieren zu bestimmen um daraus Erkenntnisse über die entsprechenden CO2-Konzentrationen zu erhalten. Das theoretische Massenbilanzmodell stimmt gut mit den analytisch gewonnenen Daten überein, beide zeigen eine Vergrößerung der 3-O-Isotopenanomalie im Bioapatit mit sinkender Körpermasse. Die rekonstruierten CO2-Konzentrationen stimmen generell mit vorhandenen Daten diverser Proxies überein, jedoch erlaubt der assoziierte Fehler es nicht, CO2-Schwankungen im Bereich von wenigen 100 ppm aufzulösen. An der Grenze von Paläozän zu Eozän fand eine der einschneidendsten Umwelt- und Klimaveränderungen des Känozoikums statt, welche ihren Höhepunkt im sogenannten “Palaeocene Eocene Thermal Maximum” (PETM) hatte. Dieses war verbunden mit einer globalen negativen Kohlenstoffisotopenexkursion (CIE), deren Quelle bis heute kontrovers diskutiert wird. Kapitel 4 beschäftigt sich mit den Temperaturschwankungen und Veränderungen der CO2-Konzentration im Übergangsbereich dieser beiden Zeitalter. Dies geschieht anhand einer diesen Zeitabschnitt umspannenden Probenserie von Zahnschmelz der Säugetiergattung Ectocion aus dem Clarks Fork Basin (Wyoming, USA). Die rekonstruierten Temperaturschwankungen stimmen gut mit bereits vorhandenen Studien des 18O/16O Verhältnisses an biogenem Apatit aus diesem Zeitintervall überein. Die aus der 3-O-Isotopenzusammensetzung rekonstruierten CO2-Konzentration deuten darauf hin, dass auch während des Temperaturmaximums an der Paläozän-Eozän Grenze ein Wert von 1550 ppm nicht überschritten wurde, was auf die Dissoziierung von marinem Methanhydrat als Hauptquelle der CIE hinweist. Kapitel 5 untersucht die zwischenartlichen, innerartlichen und intraindividuellen Variationen der Karbonatsauerstoff-, Phosphatsauerstoff- und Kohlenstoffisotopie sieben verschiedener Nagetierarten anhand von Proben aus Eulengewöllen eines einzelnen Fundortes. Die Ergebnisse werden mit ähnlichen Studien an Großsäugern verglichen, und es werden Schlüsse zum Umgang mit Probenmaterial kleiner Säugetiere bei der Verwendung zur Paläoklimarekonstruktion mittels stabiler Isotope gezogen. Die Variabilität der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie der untersuchten Zähne und Knochen ist nicht höher als die vieler Großsäuger, was die Relevanz der im Fossilbericht viel häufigeren Nagetiere für derartige Studien unterstützt. Jedoch sollte strikt darauf geachtet werden, dass auf Rezentmaterial basierende Bioapatit-Temperatur-Kalibrationen exakt auf dem gleichen Skelettelement beruhen welches auch als Fossilmaterial untersucht wird, da durch die unterschiedliche Mineralisierungsintervalle verschiedener Zähne und Knochen deutliche Unterschiede in den entsprechenden Isotopenzusammensetzungen, insbesondere in der des Sauerstoffs beobachtet werden konnten.