Microbially-driven formation of Cenozoic siderite and calcite concretions from eastern Austria

Abstract

Carbonate concretions from two distinct settings have been studied for their petrography, carbon and oxygen stable isotope patterns, and lipid biomarker inventories. Siderite concretions are enclosed in a Paleocene-Eocene deep-marine succession with sandy to silty turbidites and marl layers from the Gosau Basin of Gams in northern Styria. Septarian calcite concretions of the southern Vienna Basin from the sandpit of Steinbrunn (Burgenland) are embedded in Upper Miocene brackish sediments, represented by calcareous sands, silts, and clays. Neither for the siderite, nor for the calcite concretions a petrographic, mineralogical, or stable isotope trend from the center to the margin of the concretions was observed, implying that the concretions grew pervasively. The δC values of the Gams siderite concretions (-11.1 to -7.5‰) point to microbial respiration of organic carbon and the δO values (-3.5 to +2.2‰) are in accordance with a marine depositional environment. The low δC values (-6.8 to -4.2‰) of the Steinbrunn calcite concretions most likely reflect a combination of bacterial organic matter oxidation and input of marine biodetrital carbonate. The corresponding δO values (-8.8 to -7.9‰) agree with carbonate precipitation in a meteoric environment or fractionation in the course of bacterial sulfate reduction. Lipid biomarkers have been extracted before and after decalcification of the concretions in order to assess pristine signatures and to exclude secondary contamination. The siderite concretions did not yield indigenous biomarkers due to their high thermal maturity. 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 presence of framboidal pyrite, the moderately low δC values, and the biomarker inventory indicate that bacterial sulfate reduction contributed to the formation of the calcite concretions in a brackish environment. The low δC values of the siderite concretions, on the other hand, are best explained by bacterial iron reduction, since sulfate reduction and resultant hydrogen sulfide production would have inhibited siderite precipitation. This study documents a new example for an exception from the common pattern that siderite concretions preferentially precipitate in freshwater environments. The Gams siderite concretions formed within marine sediments, whereas the Steinbrunn calcite concretions formed in freshwater to brackish sediments. Karbonatkonkretionen aus verschiedenen Ablagerungsräumen wurden im Hinblick auf ihre Petrografie, stabile Kohlenstoffund Sauerstoffisotope und Lipidbiomarkerinhalt untersucht. Sideritkonkretionen entstammen paleozän-eozänen, tiefmarinen, sandigen bis schluffigen Turbiditen und Mergellagen des Gosaubeckens von Gams in der nördlichen Steiermark. Septarische Kalzitkonkretionen des südlichen Wiener Beckens aus der Sandgrube von Steinbrunn (Burgenland) sind eingebettet in obermiozäne, brackische Sedimente, die durch teilweise bituminöse, kalkige Sande, Schluffe und Tone repräsentiert werden. Weder für die Sideritnoch für die Kalzitkonkretionen konnten petrografische oder mineralogische Trends, noch Trends in der Verteilung stabiler Isotope vom Zentrum zum Rand beobachtet werden, was auf ein gleichmäßiges und ungerichtetes Wachstum der Konkretionen hindeutet. Die δC-Werte des Siderits (-11.1 bis -7.5‰) weisen auf mikrobielle Umsetzung von organischem Kohlenstoff hin und die δO-Werte (-3.5 bis +2.2‰) sind im Einklang mit einem marinen Sedimentationsraum. Die δC-Werte des Gosausediments deuten auf einen marinen Ursprung des Karbonats hin, während die Sauerstoffisotope am besten mit einer meteorischen Überprägung erklärt werden können. Die δC-Werte der Kalzitkonkretionen (-6.8 bis -4.2‰) spiegeln höchstwahrscheinlich eine Mischung von Karbonat aus bakterieller Oxidation von organischer Substanz mit marinem, biodetritärem Karbonat wieder. Die δO-Werte reichen von -8.8 bis -7.9‰, was in Übereinstimmung mit der Bildung in einer meteorischen Umgebung ist, aber auch auf Fraktionierung im Zuge von bakterieller Sulfatreduktion hindeuten kann. Lipidbiomarker wurden vor und nach der Auflösung des Karbonats der Konkretionen extrahiert, um ihre Authentizität zu garantieren und um rezente Oberflächenkontamination auszuschließen. Die Sideritkonkretionen enthalten aufgrund ihrer hohen thermischen Reife keine Biomarker aus dem ehemaligen Ablagerungsraum mehr. Die Kalzitkonkretionen enthalten von Pflanzenwachsen stammende, langkettige n-Alkane, die Eintrag von terrestrischen Blattwachsen repräsentieren. Bakterielle molekulare Fossilien, wie zum Beispiel endverzweigte Fettsäuren und Hopanoide wurden gefunden, allerdings mit geringen Gehalten. Nichtsdestotrotz deuten diese Biomarker, zusammen mit dem Vorkommen von framboidalem Pyrit und den moderat niedrigen δC-Werten auf die Rolle von Sulfatreduktion bei der Konkretionsbildung hin. Fortwährende Sulfatreduktion Microbially-driven formation of Cenozoic siderite and calcite concretions from eastern Austria