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Bibliographic Metadata

Title
Spring associated-limestones of the Eastern Alps : environmental controls and study of a selected biocalcifying organism / Thi Hoang Ha Tran
AuthorTran Thi Hoang Ha
Thesis advisorDiethard, Sanders
PublishedInnsbruck, 01. August 2018
Descriptionxxiv, 189 Blätter ; 30 cm : Illustrationen, Diagramme, Karten
Institutional NoteUniversität Innsbruck, Dissertation, 2018
Date of SubmissionAugust 2018
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Quellkalk / Kalktuff / Alpen / Ostalpen / Klima / Umwelt / Quelle / Bio-Kalzifikation / Mikrobiel / Oocardium stratum / Oocardium-Kalzit
Keywords (EN)Spring limestone / Calcareous tufa / Alps / Eastern Alps / Climate / Environment / Spring / Biocalcification / Microbial / Oocardium stratum / Oocardium calcite
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-25501 Persistent Identifier (URN)
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 The work is publicly available
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Spring associated-limestones of the Eastern Alps [11.88 mb]
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Abstract (German)

Kalke ‘ambientaler Quellen (=Temperatur in etwa der Mittleren Jahrestemperatur MJT entsprechend) werden meist a priori als typisch für eine relativ hohe MJT bzw. ‘warmes Klima angesehen. In den Ostalpen führte über die letzten 15 Jahre die stichprobenartige Untersuchung von Quellkalken über 1500 m ü.d.M. jedoch zu Zweifeln an der ‚Klima-Hypothese und veranlasste, diese eingehender zu prüfen. Die Alpen sind dafür ideal, da sie (a) durch Straßen und Wege gut erschlossen sind, sodass Quellkalk-Vorkommen leicht erreicht werden können; (b) durch geologische Karten 1:50000 bis 1:25000 größtenteils abgedeckt sind, was Informationen zu Gesteinsuntergrund und quartären Deckschichten ermöglicht; (c) Bereiche zwischen ca. 200 m bis >3500 m ü.d.M. mit einer breiten Spanne von MJT umfassen, und (d) aus tektonischen Einheiten mit verschiedenen Gesteins-Gemeinschaften bestehen, die sich in Quellwässern unterschiedlicher Zusammensetzung widerspiegeln.

Der erste Teil der Dissertation untersucht die Beziehungen zwischen Quellkalken und der topographischer Höhe, der MJT, des Gesteinsuntergrunds, quartären Deckschichten und Hang-Exposition. Dazu wurden 249 publizierte Karten (Maßstab 1:25000 bis 1:200000) der geologischen Dienste von Österreich, Bayern, Italien und der Schweiz in einer Excel-Datenbasis mit 23 Hauptparametern erfasst. Die westliche Grenze der Kompilation folgte in etwa der heutigen Westgrenze des Ostalpins als bezeichnende tektonische Einheit der Ostalpen. Klimatologische Daten wurden von den frei zugänglichen Datenbasen der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik in Wien entnommen. Die gewonnenen Parameter wurden mit bivariater Korrelation sowie mit multivariater Statistik und Hauptkomponenten-Analyse untersucht. Die Parameter-Entnahme aus Karten wurde durch Untersuchung ausgewählter mineralfällender Quellen auf Chemie und Lebewelt begleitet.

Die Auswertung der Datenbasis zeigt, dass die Verteilung von Quellkalken i. W. Gesteins-Gemeinschaften folgt, die die Bildung kalkfällender Quellen fördern. Die MJT dagegen scheint die Quellkalk-Bildung nur unwesentlich zu beeinflussen. Die Untergrenze des Permafrosts, die in den Ostalpen derzeit bei ca. 24003000 m ü.d.M. liegt, ist dagegen eine klimatische Höhengrenze der Quellkalk-Bildung. Für Bereiche unterhalb der Permafrost-Grenze konnte keine Korrelation zwischen Hang-Exposition und Größe sowie Häufigkeit von Quellkalken festgestellt werden. Quellkalke sind am häufigsten im (a) Rhenodanubischen Flysch (Penninikum pro parte), (b) auf den Bündnerschiefern und Meta-Flyschen des Penninikums, und (c) in Bereichen stark teleskopierter Einheiten zwischen Penninikum und Ober-Ostalpin. Die stärkste Korrelation wurde jedoch zwischen Quellkalken und dickeren Deckschichten aus Till/umgelagertem Till festgestellt. Die dicken triadischen Karbonat-Abfolgen der Nördlichen Kalkalpen (Ober-Ostalpin pro parte), die häufig ad hoc als bevorzugter Ort der Quellkalk-Bildung angesehen werden, sind dagegen arm an Quellkalken. Die Bildung kalkfällender Quellen wird gefördert durch (a) Lösung feinkörniger Karbonat-Partikel (z.B. in Mergeln oder Till), (b) Lösung von Sulfat-Evaporiten und/oder Pyrit-Oxidation, welche Grundwässer mit hoher Ca2+ Konzentration und hoher Alkalinität ergeben (letzteres wahrscheinlich durch Sulfat-Reduktion), und (c) die Verformung von Berghängen durch Langsame Massenbewegungen. Quellen von seltenerem Chemismus (z.B. dys- bis anoxische Quellen mit reichlich gelöstem Fe2+ oder Quellen mit einem Mg/Ca-Molverhältnis bis >5) stammen wahrscheinlich aus der Oxidation sulfidischer Erze und/oder der Lösung von Gangart (z.B. Magnesit, Ankerit, Siderit, Dolomit).

Solange die MJT als Näherung für das Klima eines betrachteten Bereichs über dem Limit für Permafrost liegt, übt diese einen geringen Einfluss auf die Bildung zumindest intramontaner Quellkalke aus. Die Quellkalke der Ostalpen sind im Wesentlichen gesteuert durch den Quell-Chemismus als Folge des Gesteins-Untergrunds und dessen ‚Aufbereitung (z.B. Kataklase in Langsamen Massenbewegungen).

Der zweite Teil der Dissertation behandelt die Kalzifikation der noch wenig bekannten Mikro-Alge Oocardium stratum (Desmidiaceae, Zygnematophyceae). Diese eukaryote Alge, früher für selten gehalten, wird seit etwa zehn Jahren in einer steigenden Zahl kalkfällender Quellen erkannt. Besonders der Ablauf und die Jahreszeit der Kolonisation, aber auch Einzelheiten der Kalkbildung durch diese Alge benötigen noch eingehender Klärung. Zur vorliegenden Arbeit wurde eine ‚ambientale Quelle nahe Kufstein (Österreich) ausgewählt, da diese (a) praktisch gänzlich durch O. stratum kolonisiert ist, (b) einen einfachen Ca2+-HCO3- Chemismus bei mässiger Gesamtmineralisation, und (c) nur geringe jährliche Temperatur-Schwankung (7.910.8C) aufweist. Die Quelle wurde in dreiwöchigen Abständen über mehr als ein Jahr besucht und beprobt (Feb 2015 Mär 2016).

Ausser O. stratum ist die Lebewelt des Quellbachs reich an Diatomeen; Zyanobakterien und fädige Zygnematophyceen sind nur lokal bzw. saisonal vorhanden. Moose sind seitlich entlang sowie im unteren Abschnitt des Quellbachs häufig (dort von O. stratum überwachsen). O. stratum ist das ganze Jahr lebensfähig und kolonisiert ganzjährig neue Substrate. Im Kleinbereich von wenigen Dezimetern zeigt O. stratum jedoch eine fleckenhafte Dynamik (patch dynamics), die noch kaum verstanden ist. Bei der Substrat-Besiedlung heften sich einzelne O. stratum-Zellen mit ihrer schmalen Flanke wahrscheinlich mit Hilfe abgeschiedener Gallerte an die Unterlage; dann wird um die festgeheftete Flanke der Zelle ein Ring aus Kalzitspat-Kristallen abgeschieden; im Anschluss daran bildet sich eine kurze Röhre aus Kalzit, in der die Zelle auf ihrem Gallertstiel emporwächst; dann erfolgt die erste Teilung in zwei Tochterzellen, die schliesslich an getrennten Gallertstielen bzw. getrennten Kalzit-Röhren emporwachsen. Stetige Zellteilungen im weiteren Verlauf des Emporwachsens ergeben schliesslich eine ‘kohlkopf-artige Halbkugel aus Oocardium-Kalzit, die von zahlreichen Individuen besiedelt ist.

Der Habitus der initialen Kalzit-Fällung an der emporwachsenden Front der Kalzit-Röhre ist ähnlich dem des abiotisch ausgefällten Kalzits an einer beliebigen Stelle entlang des Baches. Im untersuchten Quellbach korrelieren hochporöse Kristallskelette mit geringer Kalzit-Übersättigung und relativ hoher CO2-Konzentration im oberen Abschnitt des Baches; die geringe Kalzit-Übersättigung wird begleitet von (a) verzögerter Besiedlung neuen Substrates durch O. stratum, und (b) fast keine progressive Kalzifikation natürlich bestehender Oocardium-Aggregate. Abiotische Kalzitfällung unterhalb des obersten Teils einer Kalzit-Röhre ergibt zuletzt grosse Sparit-Kristalle, unabhängig vom initialen Kristall-Habitus nahe dem oberen Ende der Kalzit-Röhren. Bachabwärts wird die initiale Kristallisation mit zunehmender Kalzit-Übersättigung bzw. CO2-Entgasung massiver; im mittleren und unteren Abschnitt des Baches bestehen die emporwachsenden Fronten der Oocardium Kalzit-Röhren zumeist aus rhombohaidralem (idiomorphem) Kalzit. Im mittleren und unteren Abschnitt des Baches wurden die höchsten vertikalen Raten der Oocardium-Verkalkung von ca. 5 mm/Jahr festgestellt.

Diatomeen könnten von der Gemeinschaft mit O. stratum profitieren, da der Oocardium-Kalzit einen räumlich differenzierten Siedlungsgrund bereitstellt. Umgekehrt könnte O. stratum zumindest von dichteren Diatomeen-Besiedlungen profitieren, da diese eventuell zur lokalen Kalzit-Übersättigung beitragen. Diese Untersuchung bekräftigt, daß O. stratum ein effizienter Biokalzifizierer ist, der zumindest unter optimalen Bedingungen potentielle Raumkonkurrenten wie Zyanobakterien und Moose fernhalten bzw. überwachsen kann. Fossile Quellkalke, die bisher i. W. als zyanobakteriale Bildungen aufgefasst wurden, könnten eine bislang nicht erkannte ‘eukaryotische Komponente enthalten oder fallweise sogar grossteils von eukaryoten Mikro-Kalzifizierern gebildet worden sein. Aufgrund der praktisch ubiquitären diagenetischen Überprägung primärer Kristallisations-Gefüge können Vorkommen von Oocardium-Kalzit mit Quellkalken anderen Ursprungs verwechselt werden.

Abstract (English)

Spring-associated limestones (SAL) deposited from ambient-temperature springs is often a priori understood as characteristic of a relatively high mean annual air temperature (MAAT), or 'warm' climate. Over the past 15 years, in the Eastern Alps, selected SAL deposits located above 1500 m a.s.l. were inspected; these raised doubts whether MAAT is a strong control on SAL formation, and called to test the ‘climate hypothesis more rigidly. For this, the Alps provide an ideal setting, because (a) they are well-developed by roads and trails, so SAL deposits are easy to reach; (b) the area is largely covered by geological maps on scales between 1:50000 to 1:25000, providing sufficiently detailed information on country rocks and Quaternary cover deposits; (c) the area spans an altitude from roughly 200 m to more than 3500 m a.s.l., comprising a wide range of MAAT; (d) the Eastern Alps consist of stacked tectonic units composed of different rock suites that result in spring waters of different physico-chemistry.

The first part of the thesis explores the relationship between SAL deposits mainly versus topographic altitude, MAAT, rock substrate, Quaternary cover deposits and slope exposition. For this purpose, we had compiled an Excel database from 249 geological maps (scale 1:25000 to 1:200000) published by the Geological Surveys of Austria, Bavaria, Italy, and Switzerland for a total of 23 parameters relevant to 571 SAL deposits. The western limit of geological map compilation was chosen to follow the extent of the Austroalpine tectonostratigraphic unit distinctive of the Eastern Alps. Climatological data were mainly taken from the published records of the Central Institute of Meteorology and Geodynamics in Vienna. In total, 23 main parameters were registered. Parameters were assessed by bivariate correlation, and by multivariate statistics and principal component analysis. The parameter extraction from maps was flanked by investigations of selected mineralizing springs with respect to their physico-chemistry and biota.

The assessment shows that distribution of SAL is mainly controlled by rock suites resulting in limestone-precipitating springs (LPS); topographic altitude and, in consequence, MAAT, in contrast, exert little if any influence on SAL deposition. An obvious climatic threshold, however, is the present lower permafrost limit in the Eastern Alps ( 24003000 m a.s.l.). For areas below the permafrost limit, slope exposition did not correlate with SAL frequency and size. SAL prevail on (a) the Rhenodanubian Flysch (Penninic unit pro parte), (b) Penninic metamorphic series (Bündnerschiefer and metaflysch), and (c) units telescoped between the Penninic and the Upper Austroalpine tectonostratigraphic units. The strongest correlation of all, however, appeared between SAL and thicker covers of till/reworked till. The thick Triassic carbonate successions of the Northern Calcareous Alps (Upper Austroalpine pro parte), often assumed ad hoc to be the preferred area of SAL, in contrast, are poor therein. Development of LPS is favored by (a) dissolution of fine-grained carbonate particles (e.g., in marls or tills), (b) dissolution of sulfate evaporites and/or pyrite oxidation, resulting in high-Ca2+high alkalinity waters (the latter presumably from sulfate reduction), and (c) deep-seated gravitational slope deformation (DSGSD). Spring of unusual chemistry (e.g., dysoxic to anoxic spring rich in Fe2+, or spring with Mg/Ca molar ratio up to >5) probably result from oxidation of sulfide ores and/or dissolution of gangue minerals (e.g., magnesite, ankerite, siderite, dolomite).

As long as MAAT as a proxy for the climate of a considered area is above the permafrost limit, it seems to be of minor significance in controlling at least intramontane SAL deposition. Instead, spring-water chemistry as a result of rock type and 'ground preparation' (e.g., cataclasis in DSGSD) most significantly control Eastern-Alpine SAL.

The second part of the thesis treats the calcification of a still little-known microbial biocalcifier, viz., Oocardium stratum (Desmidiaceae, Zygnematophyceae). This eukaryotic microalga previously was held to be rare, but for some ten years, it is identified in an increasing number of springs. In particular, the mode of substrate colonization by this organism remained unclear, but also its calcification still deserves to be documented in more detail. An ambient-temperature spring near the Mariastein city of Kufstein (Tyrol, Austria) was chosen because (a) it is nearly entirely colonized by O. stratum, and (b) it sheds a chemically 'simple' Ca2+HCO3- water of moderate mineralization and low seasonal temperature change (7.9C to 10.8C). The spring was visited in 3-week intervals for more than a year (Feb 2015 Mar 2016).

Aside of O. stratum, the permanently irrigated biota of the spring is rich in diatoms; cyanobacteria and filamentous zygnemataleans comprise seasonal/localized components. Mosses prevail in less irrigated areas laterally along and in downstream reaches of the spring stream, respectively. Oocardium stratum remains viable and colonizes new substrate all over the year. In detail, however, O. stratum shows a patch dynamics incongruent with the season, and that is hardly understood. In colonizing substrate, single Oocardium cells first attach (probably with mucilage secreted from the narrow lateral side of the cell), then start to calcify and, soon afterwards, undergo the first division into two daughter cells and two corresponding mucilage/calcite tubes. Thereafter, physical separation of daughter cells combined with an upward shift of cells typically within separate calcite tubes and further cell divisions result in cauliflower-like hemispherical 'knobs' of Oocardium calcite.

The crystal habit of initial calcite precipitation (=along the upward-accreting tip of the calcite tube) of Oocardium calcite is similar to that of the abiotic calcite at a site. Along the studied stream, highly porous crystal-skeletal Oocardium calcites characterize low calcite supersaturation at a relatively high CO2 concentration in the upstream part; this is associated with (a) retarded substrate colonization by Oocardium, combined with (b) nearly zero calcification of natural Oocardium aggregates at the site. Continued abiotic calcite precipitation downward of the growing upper tips of calcite tubes results in large spar crystals, irrespective of initial crystal habit near the growing tips of tubes. Downstream, with increasing supersaturation for calcite, the initial calcite crystallites become progressively denser; in the middle and lower part of the stream, the growing tips of tubes typically consist of dense calcite of rhombohedral (idiomorphic) crystal habit. In the middle and lower part of the stream, the highest rates of Oocardium calcification up to 5 mm/a were determined.

Diatoms might profit from being associated with O. stratum in finding a large and highly differentiated substrate for settlement; due to their photosynthesis, dense diatom populations associated with Oocardium perhaps contribute to increasing local calcite supersaturation. The mutualistic relation between O. stratum and diatoms required further study. This investigation underscores that O. stratum is a highly effective biocalcifier that at least under optimum conditions within its niche can outpace potential competitors such as cyanobacteria and mosses. Fossil spring limestones previously thought to be of cyanobacterial origin only may comprise a hitherto unidentified 'eukaryotic component', or may even have been largely produced by calcifiers similar to O. stratum. Because of diagenetic maturation of Oocardium calcite, however, older deposits thereof may be confused with spring limestones of other origins.

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