The effect of subaquatic volcanism on the structure of Lake Kivu in the Albertine Rift

151 Pages·2014·39.53 MB·English

DISS. ETH NO. 21547
The effect of subaquatic volcanism
on the structure of Lake Kivu
in the Albertine Rift; East Africa
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Kelly Ann Ross
MSc, University of British Columbia
born on 28.11.1980
citizen of
Canada and USA
accepted on the recommendation of
Dr. Martin Schmid, Prof. Dr. Alfred Wüest
Prof. Dr. Flavio Anselmetti, Prof. Dr. Marc De Batist, and Prof. Dr. Bernhard Wehrli
2014

Summary
Subaquatic volcanic activity within Lake Kivu has had a significant effect
on the formation of its structure, and changes to its stratification through
time. The present day volcanic activity in the form of hydrothermal inputs,
and the addition of dilute groundwater inflows, produces the thermoha-
line stratification observed within the lake. An assessment of the historical
changesinvolcanicactivity,andofthecurrentactivitywithinthelake,were
the focus of the research presented within this thesis. A characterization
of the volcanic structures found on the lake floor, and of the hydrothermal
and cool groundwater discharge flowing through these tectonically active
structures, has not been previously researched. Subaquatic volcanic struc-
tures are linked to activity within the Holocene, and currently observed
hydrothermal inflows at the location of these structures indicate ongoing
activity that effectively produce changes to the stratification. Furthermore,
an assessment of the sediment geochemistry, lithology, and stratigraphy re-
vealstheeffectsofvolcanicactivityonthechangestothestratificationwithin
the last ∼10 kyrs including two possible mixing events. A high-resolution
bathymetric map was produced for the northern section of the Main Basin,
and high-resolution seismic surveys were conducted to infer morphologic
and stratigraphic changes recorded in the sediment. Additionally, short sed-
iment cores were retrieved throughout the basin, and at locations of cool
and hydrothermal groundwater discharge. The sediment was characterized
for geochemical and isotopic changes, and furthermore for its archaeal com-
munity diversity. The hydrothermal and cool groundwater sources were
characterizedtoinfermixingdynamicsinthelake,andphysicochemicalgra-
dients at the locations of discharge. The most important implication of this
research is the presence of ongoing and historical volcanic activity within
Lake Kivu. Volcanic activity has had an impact on the structure and stratifi-
cation of the lake in the past, and undoubtedly will have a future impact on
this geologically active lake.
i

Zusammenfassung
Der subaquatische Vulkanismus des Kivusees hat einen signifikanten Ein-
flussaufdieStrukturdesSeesundaufdieStratifizierungseinesWasserko¨rpers.
Durch die in ∼260 m Wassertiefe beobachtete thermohaline Stratifizierung,
ist das Tiefenwasser des Sees mit grossen Mengen an gelo¨sten Gasen wie
CO (300 km3, bei STP) und CH (60 km3, bei STP) angereichert. Die Sta-
2 4
bilita¨tderthermohalinenZirkulationistdabeidieentscheidendeVorrausset-
zung fo¨r die Anreicherung von den gelo¨sten Gasen. Subaquatischer Vulka-
nismus ko¨nnte zu einer o¨bersa¨ttigung der gelo¨sten Gase fo¨hren und dabei
eine limnische Eruption, auch Seeexplosion genannt, herbeifo¨hren. Auf-
grund der gro¨sse des Kivusees und der Bevo¨lkerungsdichte entlang von
seinen Ufern, stellt die Mo¨glichkeit einer limnischen Eruption eine beson-
dere Gefa¨hrdung fo¨r mehrere Milionen Menschen dar. In dieser Arbeit wur-
den zum ersten mal genauere Charakterisierungen der vulkanischen Struk-
turen am Seeboden und der hydrothermalen Grundwa¨sser, welche entlang
von tektonisch und vulkanisch aktiven Struktren austreten, durchgefo¨hrt.
Subaquatische vulkanische Strukturen wurden auf vulkanische Aktivita¨t
wa¨hrenddesHoloza¨nszuro¨ckgefo¨hrtunddiebeobachtetenhydrothermalen
Zuflo¨sse, welche sich entlang der vulkanischen Strukturen befinden, auf
rezente Aktivita¨t. Untersuchungen der Sedimentgeochemie, Lithologie und
Stratigraphie ergaben Aufschluss o¨ber die vulkanische Aktivita¨t wa¨hrend
derletzten 10kyrsundo¨berzweilimnischeEruptionenindieserZeitspanne.
Eine hochaufgelo¨ste bathymetrische Karte sowie hochaufgelo¨ste seismische
UntersuchungendesSeegrundswurdendurchgefo¨hrtumzueinembesseren
Versta¨ndnis der Morphologie und der stratigraphischen a¨nderungen in der
Sedimentsequenzbeizutragen. Sedimentkernewurdeno¨berdasganzeBecken
verteilt und entlang von hydrothermalen Austritten erbohrt. Die Sedimente
wurden mit Hinblick auf Vera¨nderungen in der Geochemie, Isotopie und
ihreArcha¨enVergesellschaftungundDiversita¨tuntersucht. Ausserdemwur-
den,fo¨reinbesseresVersta¨ndnisderMischungsdynamikdesSees,diephysic-
ochemischen Besonderheiten der hydrothermalen Quellen untersucht und
iii
besser charakterisiert. Die wichtigste Erkenntnis dieser Arbeit ist der Nach-
weisvonhistorischerundrezentervulkanischerAktivita¨timKivusee. Vulka-
nische Aktivita¨t hatte einen Einfluss auf die Struktur und Stratifizierung
des Sees in der Vergangenheit und wird auch in Zukunft einen Einfluss auf
diesen geologisch aktiven See haben.
iv
Contents
Contents v
1 Introduction 1
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Origin of Lake Kivu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Geology and volcanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Hydrologic and climatic controls . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.4 Gas accumulation and methanogenesis . . . . . . . . . 6
1.2 Research Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1 Mapping and dating the subaquatic volcanism within
the lake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.2 History of subaquatic volcanic activity recorded in the
sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.3 The current effect of subaquatic volcanic activity on
the structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.4 Structural controls on sediment microbial diversity . . 10
2 Lake-level rise in the late Pleistocene and active subaquatic vol-
canism since the Holocene form the current state of Lake Kivu;
East African Rift 13
Kelly Ann Ross, Benoˆıt Smets, Marc De Batist, Michael Hilbe, Martin
Schmid, Flavio S. Anselmetti
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Geological setting of the Lake Kivu basin . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Location and morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Volcanic and seismic activity . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Data acquisition and analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Morphologic and Stratigraphic Analysis . . . . . . . . . . . . . 21
v
Contents
2.4.1 Region 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.2 Region 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4.3 Region 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5 Lake-level and event reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.1 Paleoshorelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.2 Volcanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6 Conclusion on threat of a lake overturn . . . . . . . . . . . . . 36
2.7 Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 The history of subaquatic volcanism recorded in the sediments
of Lake Kivu; East Africa 39
Kelly Ann Ross, Martin Schmid, Sandra Ogorka, Fabrice A. Muvundja,
Flavio S. Anselmetti
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Regional setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.1 Sedimentology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.2 Geochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.3 Seismic stratigraphy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4.1 Origin of event layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.2 Paleoenvironmental reconstruction . . . . . . . . . . . 55
3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4 Characterisation of the subaquatic groundwater discharge that
maintains the permanent stratification within Lake Kivu; East
Africa 59
Kelly Ann Ross, Elise´e Gashugi, Augustin Gafasi, Alfred Wu¨est, and
Martin Schmid
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2 Regional and hydrological setting . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.1 CTD profiling and temperature mapping . . . . . . . . 63
4.3.2 Chemical and isotopic analysis . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4.1 Background profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4.2 Spatial distribution of SGD . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.4.3 Aquatic chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.5.1 Cold SGD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.5.2 Warm SGD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.5.3 Groundwater and lake-water mixing dynamics . . . . 81
4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
vi
Contents
4.7 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5 Local conditions structure unique archaeal communities in the
anoxic sediments of meromictic Lake Kivu 85
Susma Bhattarai, Kelly Ann Ross, Martin Schmid, Flavio S. Anselmetti,
and Helmut Bu¨rgmann
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.1 Sampling sites and sample collection . . . . . . . . . . 87
5.2.2 Sediment characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2.3 Chemical analysis of water . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3 Molecular analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.1 DNA extraction and PCR amplification . . . . . . . . . 90
5.3.2 T-RFLP Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.3 Cloning and sequencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.3.4 Statistical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.3.5 Phylogenetic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3.6 Nucleotide sequence accession numbers . . . . . . . . 93
5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4.1 Sediment Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4.2 Water chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.4.3 Archaeal community structure . . . . . . . . . . . . . . 97
5.4.4 Phylogenetic diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5.1 Diversity of Archaea in Lake Kivu sediments . . . . . . 100
5.5.2 Diversity and controls of archaeal community struc-
ture in Lake Kivu sediments . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.6 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6 Conclusions 113
6.1 Summary of findings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2 Future research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
A Appendix 117
A.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.2 Mixing depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.3 Seismic extrapolation throughout the Main Basin . . . . . . . 119
Bibliography 123
vii