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Formation of calcite and siderite concretions from Eastern Austria
Lydia Baumann
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Erdwissenschaften
Betreuer*in
Jörn Peckmann
DOI
10.25365/thesis.38033
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30492.46976.685254-1
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Karbonatkonkretionen mit zwei unterschiedlichen geologischen Hintergründen wurden im Hinblick auf ihre Petrografie, stabile Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope und Lipidbiomarkerinhalt untersucht. Karbonatkonkretionen sind im Wesentlichen Produkte des mikrobiellen Abbaus von organischem Material, wie zum Beispiel durch eisenreduzierende Bakterien, sulfatreduzierende Bakterien und methanogene Archaeen. Für diese Prokaryoten sind bestimmte Lipidbiomarker wie Hopanoide, endverzweigte Fettsäuren (Bakterien) und Isoprenoide (Archaeen) charakteristisch. Zwei verschiedene Typen von Konkretionen wurden untersucht: i) obermiozäne, septarische Kalzitkonkretionen des südlichen Wiener Beckens, eingebettet in brackische Sedimente, die von teilweise bituminösen, kalkigen Sanden, Schluffen und Tonen repräsentiert werden; ii) paläozäne-eozäne Sideritkonkretionen, eingeschlossen in marinen, sandigen bis schluffigen Turbiditen mit veränderlichen Karbonatanteilen und Mergellagen von der Oberen Gosausubgruppe in der nördlichen Steiermark. Die Kalzitkonkretionen bestehen zu einem Großteil aus kalzitischem Mikrosparit (80 bis 90 vol.%), sowie detritären Mineralen und Eisenoxidhydroxiden. Die septarischen Brüche zeigen zu unterschiedlichen Graden beginnende Zementierung mit Hundezahnkalzit. Framboidaler Pyrit tritt in einigen der Kalzitkonkretionen auf, was auf bakterielle Sulfatreduktion hindeutet. Die Sideritkonkretionen bestehen aus sogar noch feineren Karbonatkristallen, hauptsächlich Siderit (40 bis 70 vol.%), aber auch reichlich eisenhaltigem Kalzit, begleitet von Eisenoxidhydroxiden und detritären Mineralen. Die δ13C-Werte der Kalzitkonkretionen (-6.8 bis -4.2‰) spiegeln höchstwahrscheinlich eine Mischung von Karbonat aus bakterieller Oxidation von organischer Substanz mit marinem, bioklastischem Karbonat wieder. Die δ18O-Werte reichen von -8.8 bis -7.9‰, was in Übereinstimmung mit der Bildung in einer meteorischen Umgebung ist. Das umgebende Wirtssediment zeigt um etwa 1 bis 2‰ höhere 13C- und 18O-Werte. Die 13C-Werte des Siderits (-11.1 bis -7.5‰) weisen auf mikrobielle Veratmung von organischem Kohlenstoff hin und die δ18O-Werte (-3.5 bis +2.2‰) sind im Einklang mit einem marinen Sedimentationsraum. Im Gegensatz zu den Kalzitkonkretionen unterscheidet sich die stabile Kohlenstoffisotopie des Umgebungssediments wesentlich von den Sideritkonkretionen. Die δ13C-Werte des Gosausediments spiegeln marine Bedingungen wieder, während die Sauerstoffisotope am besten mit einer meteorischen Überprägung erklärt werden können. Die Lipidbiomarker wurden vor und nach der Auflösung des Karbonats der Konkretionen extrahiert, um ihre Authentizität zu garantieren und um rezente Oberflächenkontamination auszuschließen. Im Folgenden werden nur die Biomarker, die nach der Karbonatlösung extrahiert wurden, diskutiert, da von ihnen angenommen wird, dass sie mit der Konkretionsbildung in Verbindung stehen. Die Kalzitkonkretionen umfassen von Pflanzenwachsen stammende, langkettige n-Alkane, die signifikanten Eintrag von terrestrischen Blattwachsen repräsentieren. Bakterielle Komponenten, wie zum Beispiel endverzweigte Fettsäuren und Hopanoide wurden gefunden, allerdings in geringen Konzentrationen. Die Sideritkonkretionen enthalten aufgrund ihrer hohen thermischen Reife keine aussagekräftigen Biomarker. In keiner der Konkretionen wurden Biomarker von Archaeen gefunden. In Anbetracht des Vorkommens von framboidalem Pyrit, den moderat niedrigen δ13C-Werten und dem Biomarkerinventar, hat Sulfatreduktion wohl tatsächlich zur Entstehung der Kalzitkonkretionen in einer Brackwasserumgebung beigetragen. Im Gegensatz dazu inhibieren fortwährende Sulfatreduktion und die daraus resultierende Produktion von Schwefelwasserstoff die Sideritfällung. Daher können die niedrigen δ13C-Werte der Sideritkonkretionen am besten durch bakterielle Eisenreduktion erklärt werden.
Abstract
(Englisch)
Carbonate concretions from two distinct settings have been studied for their petrography, stable carbon and oxygen isotopes, and lipid biomarker inventory. Generally, carbonate concretions are products of microbial degradation of organic matter, as for example by iron-reducing bacteria, sulfate-reducing bacteria and methanogenic archaea. Specific lipid biomarkers such as hopanoids, terminally-branched fatty acids (bacteria) and isoprenoids (archaea) are characteristic for these prokaryotes. Two different types of concretions were studied: i) Upper Miocene septarian calcite concretions of the southern Vienna Basin embedded in brackish sediments represented by partly bituminous calcareous sands, silts and clays; ii) Paleocene-Eocene siderite concretions enclosed in marine, sandy to silty turbidites with varying carbonate contents and marl layers from the Upper Gosau Subgroup in northern Styria. Calcite concretions consist of abundant calcite microspar (80 to 90 vol.%), as well as detrital minerals and iron oxyhydroxides. The septarian cracks display beginning cementation with dog-tooth calcite to varying degrees. Framboidal pyrite occurs in some of the calcite concretions, pointing to bacterial sulfate reduction. Siderite concretions consist of even finer carbonate crystals, mainly siderite (40 to 70 vol.%), but also abundant ferroan calcite, accompanied by iron oxyhydroxides and detrital minerals. The δ13C values of the calcite concretions (-6.8 to -4.2‰) most likely reflect a combination of bacterial organic matter oxidation and input of marine biodetrital carbonate. The δ18O values range from -8.8 to -7.9‰, agreeing with a formation within a meteoric environment. The surrounding host sediment shows slightly higher 13C and 18O values (1 to 2‰ higher). The siderite δ13C values (-11.1 to -7.5‰) point to microbial respiration of organic carbon and the δ18O values (-3.5 to +2.2‰) agree with a marine depositional environment. In contrast to the calcite concretions, the stable isotope composition of the host sediment differs significantly from the siderite concretions. The δ13C values of the Gosau host sediment reflect marine conditions, whereas the oxygen isotope values are best explained by secondary meteoric water overprint. Lipid biomarkers have been extracted before and after decalcification of the concretions in order to assess only pristine signatures and to exclude secondary surface contamination. In the following, only the biomarkers extracted after decalcification are discussed, since they are thought to reflect biomarkers when concretion formation took place. The calcite concretions comprise abundant plant wax derived long-chain n-alkanes, reflecting high terrestrial input. Bacterial-derived, terminally-branched fatty acids and hopanoids were found, but with overall low contents. The siderite concretions did not yield indigenous biomarkers due to their high thermal maturity. No archaeal biomarkers were found in any of the concretions. Considering the presence of framboidal pyrite, the moderately low δ13C values, and the biomarker inventory, bacterial sulfate reduction apparently contributed to the formation of the calcite concretions in a brackish environment. In contrast, ongoing sulfate reduction and resultant hydrogen sulfide production inhibit siderite precipitation. Therefore, the low δ13C values of the siderite concretions are best explained by bacterial iron reduction.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
carbonate concretion biogeochemistry bacteria sulfate reduction iron reduction
Schlagwörter
(Deutsch)
Karbonatkonkretion Biogeochemie Bakterien Sulfatreduktion Eisenreduktion
Autor*innen
Lydia Baumann
Haupttitel (Englisch)
Formation of calcite and siderite concretions from Eastern Austria
Paralleltitel (Deutsch)
Bildung von Kalzit- und Sideritkonkretionen aus Ostösterreich
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
75 S. : Ill., graph. Darst., Kt.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Jörn Peckmann
AC Nummer
AC12733613
Utheses ID
33724
Studienkennzahl
UA | 066 | 815 | |