Holocene to modern cold-temperature tufa and travertine systems formed

Abstract

Resumo: Travertinos e tufas lacustres são carbonatos de água doce comum no Quaternário, importantes para estudos paleoambientais e como análogo de sistemas deposicionais antigos. Estudou-se aqui travertinos de baixa temperatura com exposição solar contrastante na Laguna Amarga, e extensivos acúmulos de tufa lacustre no Lago Sarmiento (Patagônia Chilena, 51°S). Esses sistemas se formam em um ambiente frio e ventoso, sobre depósitos turbidíticos cretáceos dominados por argilitos. Este estudo visa determinar os controles ambientais e bióticos na precipitação de carbonatos e suas feições deposicionais, além de investigar possíveis contribuições endógenas em sua formação, integrando petrografia, mineralogia e isotopia dos carbonatos; físico-química e isotopia das águas; e sequenciamento do gene 16S rRNA de tapetes microbianos do Lago Sarmiento. As águas das nascentes exibem características de travertinos formados por evasão de CO2. Os depósitos apresentam variações similares em sedimentologia e composição [delta]13Ctrav-d18Otrav, resultantes de mudanças hidrodinâmicas ao longo do fluxo que influenciam efeitos bióticos e cinéticos na precipitação. Carbonatos esferulíticos de aragonita (calcita) formam-se em biofilmes nas nascentes do travertino exposto ao sol (sombreado), associados a bactérias redutoras de sulfato (fotossintéticas), enquanto dendritos cristalinos precipitam a jusante. Fontes comuns e profundidades rasas de infiltração são deduzidas a partir de análises isotópicas das águas das nascentes e dos carbonatos. O envolvimento de fontes profundas de CO2 permanece incerto, embora os travertinos exibam [delta]¹³Ctrav na faixa de sistemas endogênicos; processos epígenos que poderiam explicar essas características são discutidos. Valores consistentemente mais baixos de [delta]13Ctrav no travertino sombreado sugerem controles microambientais nas assinaturas isotópicas, provavelmente devido à vegetação/solo mais espessa nesta margem. A mediação biótica é fundamental na deposição de tufas lacustres, com cianobactérias— especialmente Rivulariaceae—atuando como principais construtoras. Uma sequência multiestágio molda a mineralogia e microestrutura desses depósitos. A induração precoce dos substratos microbianos envolve a nucleação de nanopartículas ricas em Sr e Mg, precursores de aragonita e Mg-calcita, respectivamente. Segue-se um estágio construtivo de diagênese, caracterizado pela inversão de aragonita para Mg-calcita, aumento do tamanho dos cristais e cimentação por Mg-calcita. Com o declínio do nível do lago e a exposição dos depósitos à zona de arrebentação das ondas, uma fase destrutiva de diagênese, sob condições de maior energia, levou à micritização, dissolução/erosão da estrutura e sedimentação interna nos poros, apagando parcialmente as estruturas microbianas. Apesar das flutuações do nível do lago no Holoceno, impulsionadas por climas frios/úmidos e quentes/secos alternados, as composições [delta]13Ctufa-[delta]18Otufa exibem variabilidade limitada, consistentes com deposição sob condições relativamente frias ([menor ou igual a]12°C) e estáveis. Este trabalho ressalta o potencial dos carbonatos de nascentes de baixa temperatura como proxies para rastrear flutuações de biomassa em escalas (sub-)bacinais. Também fornece critérios para identificar carbonatos microbianos depositados em ambientes lacustres antigos de alta energia—uma fácies pouco representada no registro geológico

Abstract: Travertine and lacustrine tufa are widespread freshwater non-marine carbonates in the Quaternary record, serving as valuable paleoenvironmental proxies and analogs for ancient depositional systems. This study examines two small lowtemperature travertines with contrasting sun exposure at Laguna Amarga, and extensive lacustrine tufa build-ups featuring Lago Sarmiento (Chilean Patagonia, 51°S). These systems form in an unusual setting, developing under relatively cold and windy conditions in an area underlain by mudstone-dominated Cretaceous turbiditic deposits. The aim of this research is to constrain the environmental and biotic influence on carbonate precipitation and their depositional features, as well as to assess the potential role of endogenic processes in their formation. To achieve this, are integrate petrographic, mineralogical, and isotopic analyses of carbonates; physicochemical and isotopic analyses of spring and lake waters; and 16S rRNA gene sequencing of microbial mats from Lago Sarmiento. The spring waters exhibit typical features of travertines systems formed by CO2 evasion. Both deposits exhibit similar longitudinal variations in sedimentology and [delta]13Ctrav-[delta]18Otrav composition, resulting from hydrodynamic changes along the stream that influence biotic and kinetic effects on precipitation. Spherulitic carbonates composed of aragonite (calcite) form within biofilms in the vents of the sun-exposed (sun-shaded) travertine in association with sulfate reducing bacteria (photosynthetic bacteria), while crystalline dendrites precipitate downstream. Common sources and shallow infiltration depths are deduced from isotopic analysis of spring waters and carbonate. The involvement of deep CO2 sources remains unclear despite the travertines exhibit [delta]13Ctrav in the range of endogenic ones; possible epigean processes explaining these features are discussed. Consistently lower [delta]13Ctrav values in the sun-shaded travertine suggest microenvironmental controls on the [delta]13Ctrav signatures likely due to thicker vegetation/soil in this margin. Biotic mediation plays a fundamental role in lacustrine tufa deposition, with cyanobacteria–particularly Rivulariaceae–serving as the main framework builders. A multi-stage sequence shapes the mineralogy and microstructure of these deposits. Early induration of microbial substrates involves the nucleation of Sr- and Mg-rich nanoparticles, precursors to aragonite and Mg-calcite, respectively. This is followed by a constructive stage of diagenesis characterized by aragonite inversion to Mg-calcite, crystal size coarsening, and Mg-calcite cementation. As lake levels decline and deposits were exposed to the wave-breaking zone, a destructive diagenetic phase under higher-energy conditions led to micritization, dissolution/erosion of the framework, and internal sedimentation within pores, partly erasing the microbial structures. Despite Holocene lake-level fluctuations driven by alternating cold/wet and warm/dry climate, the [delta]13Ctufa-[delta]18Otufa compositions exhibit limited variability, consistent with deposition under relatively cold ([menor ou igual a]12°C) and stable conditions. This work underscores the potential of coldtemperature spring carbonates as proxies for tracking biomass fluctuations at (sub- )basin scales. It also provides insights for identifying microbial carbonates deposited in ancient high-energy lake settings—a poorly represented facies in the geologic record