MICROFACIES OF STROMATOLITIC SINTER FROM ACID-SULPHATE-CHLORIDE SPRINGS AT PARARIKI STREAM, ROTOKAWA GEOTHERMAL FIELD, NEW ZEALAND

Richard Schinteie, Kathleen A. Campbell, and Patrick R.L. Browne

Richard Schinteie. Geology Programme, School of Geography, Geology and Environmental Science, University of Auckland, Private Bag 92019, Auckland 1142, New Zealand. Currently: Research School of Earth Sciences, Building 61, Mills Road, The Australian National University, Canberra A.C.T 0200, Australia.
Kathleen A. Campbell. Geology Programme, School of Geography, Geology and Environmental Science, University of Auckland, Private Bag 92019, Auckland 1142, New Zealand. (corresponding author)
Patrick R.L. Browne. Geology Programme, School of Geography, Geology and Environmental Science, University of Auckland, Private Bag 92019, Auckland 1142, New Zealand.

Sinters are chemical sediments composed of silica derived from deep thermal waters and precipitated around hot springs. In this study, we have identified four different microenvironments of sinter formation at a thermally active (pH 2.1-2.3, 91-30°C) flood plain at Parariki Stream, Rotokawa Geothermal Field, New Zealand. Few studies have so far investigated morphological, environmental and preservational characters of siliceous sinters from acid hot spring settings. However, recognition of acid-hot spring characteristics enables successful palaeoenvironmental investigations of fossil sinters from long extinct hot spring systems occurring on Earth and potentially on other planets.

In our study, each microenvironment produced laminated sinter featuring distinctive deposit morphologies, textures, formation mechanisms and microbial communities. Constraints on sinter distributions include: 1) the size and shape of the subaerial substrates upon which silica accumulated; 2) the relative exposure to thermal waters; 3) water flow rate; 4) the presence, nature and preservation of mat-forming microorganisms; 5) temperature of water and ambient environment; and 6) potential exposure to acid steam condensate. We observed that a dynamic interplay between silica deposition and microbial activity is a major factor in the formation of a variety of sinter textures, particularly spicules. Laminae develop in these sinters due to abiotic and/or alternating abiotic and biotic processes. Different microbial communities also exhibit variable preservation potential as sinter accumulates, regardless of microbial abundances. 

Resumen en Español

Microfacies de aglomerados estromatolíticos en manantiales ácido-cloruro-sulfáticos en Parariki Stream, Rotokawa Geothermal Field, Nueva Zelanda

Richard Schinteie, Kathleen A. Campbell y Patrick R.L. Browne

Presentamos un estudio único, integrado escalarmente y controlado espacialmente de aglomerados ácido-derivados y sus relaciones abiótico-bióticas. A través de una aproximación basada en microfacies, proporcionamos el contexto y las restricciones necesarias para inferir los factores responsables de la formación de estos aglomerados. Se encontraron 4 diferentes microfacies de formaciones de aglomerados estromatolíticos silíceos y su microbiota asociada en manantiales de aguas calientes ácido-cloruro-sulfáticas (pH 2,1-2,3; 91-30º C) situados en la llanura de inundación del arroyo Parariki, aproximadamente a 1 km al norte del lago Rotokawa, en Rotokawa Geothermal Field. La Microfacies 1 comprende aglomerados con forma entre copa y cuña, formados cerca de respiraderos (91-64º C) con descargas relativamente altas de agua y gases; las superficies de los aglomerados se caracterizan por espículas relativamente pequeñas (≤0,5 cm de altura), texturas irregulares y rugosamente silificadas, y por estar colonizadas por microorganismos cocoidales (1-1,5 µm de diámetro). La Microfacies 2 consiste en aglomerados espiculosos (≤1 cm de altura) colonizados por bacilos (1-2,3 µm de longitud), diatomeas y algas cocoidales (2-10 µm de diámetro), rodeados de aguas quiescentes (85-30º C) con escasa descarga de vapor. La Microfacies 3 está tipificada por aglomerados paralelamente laminados, formados en zonas ligeramente escalonadas colonizadas por bacilos (1-8 µm de longitud), diatomeas y alga cocoidales (2-10 µm de diámetro) y expuestos a niveles fluctuantes de agua (60-54º C). La Microfacies 4 se corresponde con aglomerados silíceos finos compuestos principalmente de clastos púmicos, apoyados en un sustrato de arenas húmedas (67-45º C) y colonizados por bacilos (1-2,3 µm de longitud), diatomeas y células esféricas (2-6 µm de diámetro). La morfología de los aglomerados, textura y mecanismos de formación, al igual que la colonización microbiana, dependen de una variedad de restricciones ambientales que pueden actuar a una escala de centímetros o incluso menos. El desarrollo textural de los aglomerados, incluyendo su laminación, se atribuye a una combinación de factores bióticos y abióticos. El potencial de preservación diferencial de las comunidades microbianas necesita ser tomado en consideración cuando se calcula la biodiversidad de aglomerados antiguos.

PALABRAS CLAVE: aglomerado, sílice, estromatolito, microorganismo, geotermia, Rotokawa, Nueva Zelanda

Translator: Manuel Salesa

Résumé en Français

MICROFACIÈS À TUFS STROMATOLITIQUES PROVENANT DE SOURCES CHLORO-SULFATÉES ACIDES À PARARIKI STREAM, CHAMP GÉOTHERMIQUE DE ROTOKAWA, NOUVELLE-ZÉLANDE

Richard Schinteie, Kathleen A. Campbell et Patrick R.L. Browne

Nous présentons ici une étude inédite, du fait d’une échelle intégrée et d’un contrôle spatial, sur des tufs dérivés de milieux acides ainsi que leurs relations abiotiques et biotiques. Par le biais d’une approche axée sur les microfaciès, nous fournissons le contexte et les contraintes permettant d’inférer les facteurs causaux impliqués dans la formation de ces tufs. Nous avons ainsi pu élucider quatre microfaciès distincts propices à la formation de tufs stromatolitiques siliceux et aux microbiotes qui leur sont associés; ce à partir d’écoulements de sources à eau chaude chloro-sulfatées acides (pH 2.1-2.3, 91-30°C) localisées sur la plaine d’inondation de Parariki Stream, ~1 km au nord du lac Rotokawa, dans le Champ géothermique de Rotokawa. Le Microfaciès 1 comprend des tufs en forme de coupe ou d’arête se formant près d’évents (91-64°C) à décharge relativement élevée d’eau et de gaz. Les surfaces des tufs y sont caractérisées par des spicules relativement petits (≤0,5 cm de hauteur), des textures siliceuses et noduleuses irrégulières, et la colonisation par des microorganismes coccoïdaux (1-1,5 µm de diamètre). Le Microfaciès 2 consiste en des tufs spiculeux (≤1 cm de hauteur) entourés d’eaux calmes (85-30°C) à faible décharge de vapeur et colonisés par des bacilles (1-2,3 µm de longueur), des diatomées et des algues coccoïdales (2–10 µm de diamètre). Le Microfaciès 3 est caractérisé par des tufs à laminations parallèles se formant sur des surfaces en pente légère exposées à des niveaux d’eau fluctuants (60-54°C), colonisés par des bacilles (1-8 µm de longueur), des diatomées et des algues coccoïdales (2–10 µm de diamètre). Le Microfaciès 4 est constitué de minces tufs siliceux liserés se formant principalement sur des fragments ponceux reposant sur des substrats sableux humides (67-45°C) et colonisés par des bacilles (1-2,3 µm de longueur), des diatomées et des cellules sphériques (2-6 µm de diamètre). La morphologie des tufs, leur texture, leur mécanisme de formation ainsi que le mode de leur colonisation microbienne dépend donc d’un ensemble de contraintes environnementales pouvant agir à l’échelle de quelques centimètres ou moins. De plus, le développement textural des tufs, laminations comprises, est attribuable à une combinaison de facteurs abiotiques et biotiques. Enfin, l’on doit tenir compte des potentiels de préservation différentielle des communautés microbiennes dans l’évaluation de la biodiversité des tufs fossiles.

Mots-clés: tuf, silice, stromatolite, microorganismes, géothermique, Rotokawa, Nouvelle-Zélande.

Translators: Martin Dubreuil and Michel Chartier

Deutsche Zusammenfassung

Mikrofazies von stromatolithischem Sinter aus Säure-Sulfat-Chlorid-Quellen am Parariki Fluß, Rotokawa Geothermalfeld, Neuseeland

Richard Schinteie, Kathleen A. Campbell, und Patrick R.L. Browne

Wir präsentieren eine einzigartige, maßstabsübergreifende und räumlich überwachte Studie über aus Säuren entstandenen Sintern und deren abiotisch-biotischen Beziehungen. Ein mikrofazieller Ansatz liefert die Voraussetzungen und Einschränkungen, aus denen die kausalen Faktoren zur Entstehung dieser Sinter abgeleitet werden. Vier verschiedene Mikrofazien der silikatischen Stromatolith-Sinter Bildung und ihre zugehörigen Mikrobiota wurden in den Abflüssen der heißen Säure-Sulfid-Chlorid-Quellen (pH 2,1-2,3, 91-30°C) gefunden, die im Überflutungsgebiet des Parariki Flusses, ~1 km nördlich vom Rotokawa-See im Rotokawa Geothermal Field zu finden sind. Mikrofazies 1 umfaßt kelch- bis leistenförmige Sinter, die sich in der Nähe von Schloten (91-64°C) mit relativ starken Wasser- und Gas-Ausflüssen bilden. Die Oberfläche dieser Sinter ist durch relativ kleine (≤0,5 cm hoch) Nädelchen, unregelmäßigen knorrigen Strukturen sowie der Besiedlung durch coccoide Mikroorganismen (1-1,5 µm Durchmesser) charakterisiert. Mikrofazies 2 besteht aus nadelförmigen (≤1 cm Höhe) Sinter mit einer Besiedlung von Bakterien (1-2,3 µm Länge), Diatomeen und coccoiden Algen (2–10 µm Durchmesser), die von ruhigen Gewässern (85-30°C) mit wenig Dampf-Ablaß umgeben sind. Mikrofazies 3 ist durch parallel-geschichtete Sinter charakterisiert, die sich auf leicht schrägen Flächen bilden, die von Bakterien (1-8 µm Länge), Diatomeen und coccoiden Algen (2–10 µm Durchmesser) bewachsen sind, und welche schwankenden Wasserständen (60-54°C) ausgesetzt sind.  Mikrofazies 4 besteht aus dünnen silizischen Sinter-Rändern die sich überwiegend an kleinen bimssteinartigen Klasten formen, die auf feuchtem (67-45°C), sandigen Untergrund liegen und von Bakterien (1-2,3 µm Länge), Diatomeen und sphärischen Zellen (2-6 µm Durchmesser) besiedelt werden. Morphologie, Textur und Bildungsmechanismen der Sintern, wie auch die Besiedlung durch Mikroben, hängt von einer Vielzahl von Umweltbedingungen ab, die sich im Zentimetermaßstab oder darunter auswirken können. Die Entwicklung der Sintertextur, einschließlich ihrer Schichtung, wird einer Kombination von abiotischen und biotischen Faktoren zugeschrieben. Die unterschiedlichen Erhaltungspotentiale von Mikroben-Gemeinschaften müssen beachtet werden, wenn man die Biodiversität urtümlicher Sinter untersucht.

SCHLÜSSELWÖRTER: Sinter, Silikat, Stromatholithe, Mikroorganismen, geothermal, Rotokawa, Neuseeland

Translator: Franziska Großmann

Riassunto in Italiano 

MICROFACIES DI SINTER STROMATOLITICO IN SORGENTI ACIDO-SOLFATO-CLORIDICHE NEL TORRENTE PARARIKI, CAMPO GEOTERMICO DI ROTOKAWA, NUOVA ZELANDA

Richard Schinteie, Kathleen A. Campbell, e Patrick R.L. Browne

Viene qui presentato uno studio unico, integrato a livello di scala e controllato spazialmente, sui sinters a derivazione acida e delle loro relazioni abiotiche-biotiche. Tramite un approccio basato sulle microfacies, vengono forniti il contesto ed i limiti per la comprensione dei fattori che causano la formazione di detti sinters. Sono state identificate quattro diverse microfacies di sinter siliceo stromatolitico e dei microbiota ad essi associati provenienti da fuoruscite di sorgenti termali acido-solfato-cloridiche (pH 2.1-2.3, 91-30°C), situate nella pianura alluvionale del Torrente Parariki, a circa un chilometro a nord del Lago Rotokawa, nel Campo Geotermico di Rotokawa. La Microfacies 1 comprende sinter provenienti da aree vicine alla sorgente (a temperature di 91-64°C), a forma di tazza o di crinale, con portate di acqua e gas relativamente alte. Le superfici del sinter sono caratterizzate da spicole relativamente piccole (≤0.5 cm in altezza), da tessiture silicee grinzose irregolari e da colonizzazione da parte di microorganismi coccoidali (1-1.5 µm di diametro). La Microfacies 2 consiste di sinter con spicule (≤1 cm in altezza) colonizzate da bacilli (da 1 a 2.3 µm in lunghezza), diatomee ed alghe coccoidali (2–10 µm di diametro) circondati da acque calme (a temperature di 85-30°C) ed a bassa portata. La Microfacies 3 è caratterizzata da sinter a laminazione parallela formatisi in aree ad inclinazione appena accentuata, colonizzati da parte di bacilli (1-8 µm di lunghezza), diatomee ed alghe coccoidali (2–10 µm di diametro) ed esposti a livelli d'acqua variabili (a temperature di 60-54°C). La Microfacies 4 è costituita da sottili bordi di sinter che si formano principalmente su piccoli clasti di pomice adagiati su substrati sabbiosi umidi (a temperature di 67-45°C) e colonizzati da bacilli (1-2.3 µm di lunghezza), diatomee e cellule sferiche (2-6 µm di diametro). La morfologia, la tessitura ed i meccanismi di formazione del sinter, così come la colonizzazione microbica, dipendono da una varietà di costrizioni ambientali che possono agire alla scala del centimetro o inferiore. Gli sviluppi tessiturali del sinter, compresa la laminazione, vengono attribuita ad una combinazione di fattori abiotici e biotici. Infine, quando si cerca di stabilire la biodiversità di antichi sinter vanno presi in considerazione i diversi potenziali di preservazione delle comunità microbiche.

PAROLE CHIAVE: sinter (concrezioni silicee), silice, stromatolite, microorganismi, geotermico, Rotokawa, Nuova Zelanda

Translator: Alessandro Grippo

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski Abstrakt

MIKROFACJE MAT SINICOWYCH (STROMATOLITÓW) Z KWASOWO-SIARKOWO-CHLOROWYCH ŹRÓDEŁ W PARARIKI STREAM, ROTOKAWA (REJON GEOTERMALNY, NOWA ZELANDIA)

Richard Schinteie, Kathleen A. Campbell, and Patrick R. L. Browne

Przedstawiamy wyniki wyjątkowego, zintegrowanego pod względem skali i przestrzennie kontrolowanego badania mat sinicowych i ich biotyczno-abiotycznych relacji. Poprzez podejście bazujące na mikrofacjach, przedstawiamy kontekst i czynniki dla wywnioskowania typowych przyczyn podczas tworzenia się tych mat. Cztery różne mikrofacje formacji krzemionkowych mat stromatolitowych i towarzyszących im mikrobiotopów zostały objaśnione z kwasowo-siarkowo-chlorowych wypływów z gorących źródeł (pH 2.1-2.3, 91-30oC) zlokalizowanych na równi zalewowej Parariki Stream, ~1km na północ od Jeziora Rotokawa w obrębie Rejonu Geotermalnego Rotokawa. Mikrofacja 1 łączy maty o kształcie od kopułkowatego do zbliżonego do grzbietów tworzące się blisko ujścia (91-64oC) przy stosunkowo dużej ilości uwalnianych gazów i wody. Powierzchnia tych mat charakteryzuję się stosunkowo małymi (≤0.5 cm wysokości) spikulami, nieregularną, sękowatą teksturą krzemionkową i kolonizacją organizmami kokkoidalnymi (1-1.5 µm średnicy). Mikrofacja 2 składa się ze spikularnych mat (≤1 cm wysokości) skolonizowanych przez  bakterie laseczkowate (1-2.3 µm długości), okrzemki i kokkoidalne algi (2-10 µm średnicy) otoczonych przez wody stojące (85-30oC) z małą ilością uwalnianej pary. Dla mikrofacji 3 typowe są równolegle laminowane maty sinicowe, tworzące się na nieznacznie stromych obszarach, skolonizowane przez bakterie laseczkowate (1-8 µm długości), okrzemki i kokkoidalne algi (2-10 µm średnicy), odsłanianych okresowo w wyniku wahającego się poziomu wody (60-54oC). Mikrofację 4 stanowią krzemionkowe brzegi mat tworzące się głównie na małych, pumeksowanych klastach spoczywających na wilgotnych (67-45oC) piaszczystych podłożach i skolonizowanych przez bakterie laseczkowate (1-2.3 µm długości), okrzemki i sferyczne komórki (2-6 µm średnicy). Morfologia mat sinicowych, tekstura i mechanizmy powstawania, podobnie jak kolonizacja mikrobialna, zależą od wielu czynników środowiskowych, które mogą zmieniać się na długości równej bądź mniejszej niż 1 cm. Wykształcenie tekstury mat sinicowych, łącznie z ich laminacją, jest podporządkowane kombinacji czynników biotycznych i abiotycznych. Zróżnicowana zdolność do zachowywania się w zapisie kopalnym zespołów mikrobialnych powinna być brana pod uwagę przy oszacowywaniu bioróżnorodności prastarych mat sinicowych.

SŁOWA KLUCZOWE: sinica, krzemionka, stromatolit, mikroorganizmy, geotermalny, Rotokawa, Nowa Zelandia

Translators: Dawid Mazurek and Robert Bronowicz