background image

www.geologicacarpathica.sk

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

, APRIL 2012, 63, 2, 175—178                                                          doi: 10.2478/v10096-012-0014-6

SHORT COMMUNICATION

Incremental growth and mineralogy of Pannonian (Late

Miocene) sciaenid otoliths: paleoecological implications

ZOLTÁN KERN

1,2,

, MIKLÓS KÁZMÉR

1

, MARIANN BOSNAKOFF

3

, TAMÁS VÁCZI

4

,

BERNADETT BAJNÓCZI

2

 and LAJOS KATONA

5

1

Department of Palaeontology, Eötvös Loránd University, Pázmány Péter sétány 1/c, H-1117 Budapest, Hungary;  mkazmer@gmail.com

Division of Climate and Environmental Physics, University of Bern, Sidlerstrasse 5, CH-3012 Bern, Switzerland;  kern@geochem.hu

2

MTA CsFK

 

Institute for Geological and Geochemical Research, Hungarian Academy of Sciences, Budapest, Hungary

3

Hungarian Natural History Museum, Budapest, Hungary

4

Department of Mineralogy, Eötvös Loránd University, Budapest, Hungary

5

Natural History Museum of Bakony Mountains, Zirc, Hungary

(Manuscript received September 14, 2011; accepted in revised form January 4, 2012)

Abstract: Ontogenetic age and body dimensions were studied on three extremely well-preserved sciaenid fish otoliths
from sublittoral marls of Lake Pannon from Doba, Bakony Mts, Hungary. Macroscopic and microscopic observations
offered clear evidence for the preservation of the genuine structural characteristics, for instance the bipartite incremental
features. Ontogenetic ages were assigned for the three specimens as 16, 7 and 6 years by counting the annuli of the sagittae.
Analytical results prove that the original aragonitic mineralogy has been preserved making them, and probably other Late
Miocene teleost fossils, suitable for future microchemical analysis to reconstruct the past physicochemical environment.

Key words: Lake Pannon, paleoecology, littoral environment, sagitta, cathodoluminescence, Raman microspectroscopy,
aragonite.

Introduction

Lake  Pannon,  a  long-lived,  giant  lake,  was  a  Late  Miocene
successor of the disintegrated Paratethys Sea (Kázmér 1990).
Extensive freshwater discharge by the paleo-Danube and pa-
leo-Tisza rivers into the Pannonian basins (Kuhlemann et al.
2002) altered the composition of the water-body, reducing the
marine-derived  fauna  of  the  Late  Sarmatian  brackish-water
sea into a fully endemic, lacustrine fauna. While the mollusc
fauna  is  well-documented  (e.g.  Müller  et  al.  1999  and  refer-
ences  therein),  the  fish  fauna  is  poorly  known.  Mostly  oto-
conia  (mineral  material  from  the  inner  ear  of  any  vertebrate;
see Carlström 1963) from sciaenids have been found relatively
frequently (e.g. Brzobohatý & Pana 1985; Bosnakoff 2008).

The  endolymphatic  organ  of  Sciaenidae,  like  in  other  te-

leost  fishes,  contains  three  pairs  of  small  carbonate  stones,
so-called otoliths. The largest of them are called sagittae, lo-
cated in the sacculus of the membranous labyrinth. Although
both  incremental  (e.g.  Woydack  &  Morales-Nin  2001)  and
microchemical  information  (e.g.  Carpenter  et  al.  2003)  of
fossil  otoliths  proved  to  provide  unique  information  about
the  coeval  paleoenvironment,  these  parameters  have  never
been  studied  on  the  Pannonian  otoliths.  They  are  indepen-
dent proxies for the temperature and salinity of Lake Pannon.
Water temperature and salinity estimates show a wide range
of  fluctuations  during  its  history.  A  bottom-water  tempera-
ture of ~15 °C and variable salinities (20—32 ‰) are estimat-
ed  for  the  Early  Sarmatian  sea,  while  temperature  and
salinity are estimated to have fluctuated from 15 °C to 21 °C

and from 15 ‰ to 43 ‰, respectively in the Late Sarmatian
sea  (Tóth  et  al.  2010).  These  values  are  in  range  with  esti-
mates from the composition of microfauna and molluscs. As
Lake  Pannon  hosted  many  endemic  species  (Müller  et  al.
1999;  Geary  et  al.  2000)  the  isolation  precludes  direct  esti-
mation  of  salinity  from  faunal  composition  or  from  oxygen
and  carbon  isotope  studies  of  bivalve  shells  (Geary  et  al.
1989;  Mátyás  et  al.  1996).  The  Late  Sarmatian-Pannonian
samples  have  higher  ratios  of  heavy  isotopes  (—2.11 ‰  for

18

O, and 1.27 ‰ for 

13

C) than do the succeeding Pontian

Stage  samples  (—4.16 ‰

 

  and  —2.22 ‰,  respectively).  This

shift was interpreted as indicative of a basinwide drop in sa-
linity (Geary et al. 1989).

In  addition,  the  isotope  data  clearly  indicate  that  Lake

Pannon was not a huge, closed freshwater lake. Assuming a
riverine outlet somewhere along the southern margin, salini-
ty  would  have  been  lost  and  full  freshwater  conditions  ap-
pear in a couple of tens of thousands of years. In contrast, a
closed  basin  with  no  outflow  needs  evaporation  of  all  in-
flowing  water  and  rainfall  –  impossible  under  present-day
climatic conditions (Leeder 2007).

Three  otolith  samples  have  been  selected  for  the  purpose

of this pilot study. The scope was to investigate the preserva-
tion of original incremental and mineralogical structure and
decide  if  the  chemical  signature  remained  unaffected  by
post-depositional processes. The preservation of the genuine
microchemistry  of  the  fossil  otoliths  is  a  substantial  pre-
requisite  for  any  future  paleoenvironmental  or  paleoeco-
logical application.

background image

176

KERN, KÁZMÉR, BOSNAKOFF, VÁCZI, BAJNÓCZI and KATONA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA, 2012, 63, 2, 175—178

Materials and methods

Fossil otolith samples

Sagittal otoliths were collected from the upper 0.9 m of a

2.6 m deep trench profile dug in a Late Miocene sequence at
Doba village, Bakony Hills, Hungary (Fig. 1). The age of the
fossiliferous  littoral  marl  layer  of  the  Lymnocardium  ponti-
cum
 Zone is estimated as 8.8—9.2 Ma (Magyar et al. 2007).
Twenty-nine  otoliths  were  found  after  sieving  (mesh  size:
500  micrometers)  of  ca. 300 kg  bulk  material.  Most  of  the
samples  (28)  were  determined  as  Umbrina  subcirrhosa
Schubert,  1902  based  on  the  morphological  characteristics.

For further details about the material, the reader is referred to
Bosnakoff & Katona (in print).

Three  samples  have  been  selected  from  the  collection  to

represent large (UC1) medium (UC2) and small (UC3) size
categories  (Fig. 2).  Basic  morphological  parameters  have
been  measured  to  the  nearest  0.1 mm  on  each  sagittae  by  a
digital caliper.

Preparation for structural analysis

Samples  were  embedded  in  epoxy  resin  and  transverse

sections had been prepared using an IsoMet

®

 low-speed saw

and a Buehler MiniMet grinding-polishing machine. Cut fac-
es were ground using the standard sequence of water-based
diamond suspensions (9, 6, 3, 1 µm; METADI

®

) and alumi-

na  (0.05 µm;  Gamma  Micropolish

®

 II)  was  used  for  final

polishing. Samples were placed in a distilled water bath and
agitated  by  an  ultrasonic  cleaning  device  for  15 min.  Sec-
tioning  trials  were  made  both  perpendicular  to  (UC1)  and
parallel with (UC2, UC3) the sagittal plane to see any poten-
tial directional difference of structure or mineralogy.

Analytical methods

Cathodoluminescence microscopy

Cathodoluminescence  (CL)  is  an  electron-excited  phe-

nomenon.  Upon  bombardment  by  a  high-energy  electron
beam originating from a cathode, certain materials emit pho-
tons  in  the  visible  range  of  the  electromagnetic  spectrum.
Excitation  is  generated  at  luminescence  centres  (activators)
in the material, which are crystal lattice defects and chemical
impurities. It is generally accepted that Mn

2+

 is the most im-

portant  activator  of  CL  in  carbonate  minerals  (Marshall
1988; Machel 2000). CL microscopy is a common technique
in  sedimentary  petrology  to  study  the  mineralogy,  texture
and  diagenetic  history  of  carbonate  rocks  (Machel  2000).
Biogenic carbonates (Barbin 2000) and fish otoliths (Halden
et al. 2004) are also routinely analysed.

Cathodoluminescence  examination  was  performed  using  a

Reliotron cold-cathode equipment mounted on a Nikon E600
microscope. The equipment was operated at 8 to 10 kV accel-
erating  voltage  and  0.5  to  1.0 mA  current,  and  a  defocused
electron  beam  was  used.  Photos  were  taken  using  a  Nikon
Coolpix 4500 digital camera using automatic exposure.

Raman microspectroscopy

Raman spectroscopic analysis was done using a HORIBA

JobinYvon LabRAM HR dispersive, edge-filter based confo-
cal  Raman  spectrometer  (focal  length:  800 mm)  equipped
with an Olympus BXFM microscope. Spectra were taken us-
ing the 785 nm emission of a diode laser, a 100  (N.A. 0.9)
objective,  a  grating  with  600 grooves/mm  and  a  pinhole  of
100 µm,  which  acted  also  as  the  entrance  slit  to  the  spec-
trometer. Net counting times were between 30 and 60 s. Ra-
man  spectroscopy  is  a  routinely  used  technique  to  study
small-scale  mineralogical  properties  in  fish  otoliths  (e.g.
Gauldie et al. 1997; Tzeng et al. 2007).

Fig. 1.  Geographical  and  geological  setting  of  the  study  site.  Star
indicates the location of the studied Doba outcrop. Major geological
units (after Cziczer et al. 2009): 1 – pre-Late Miocene basement,
2 – sublittoral deposits of Lake Pannon, 3 – littoral to deltaic de-
posits of Lake Pannon and overlying fluvial sediments, 4 – Upper
Miocene—Pliocene  volcanics.  Inset  map  shows  the  location  (black
square) on a map of Europe.

Fig. 2. The studied Pannonian sagittal otoliths, Umbrina cf. subcir-
rhosa
  Schubert,  1902.  Top  row  shows  the  internal  view  with  the
characteristic sulcus acusticus. The length of each specimen is indi-
cated. The bottom row shows the polished sections under reflected
light.  Tip  of  the  arrow  points  to  the  spot  of  the  SEM  image  in
Fig. 3b. Rectangles help comparison with the CL images in Fig. 3a.

background image

177

MINERALOGY OF PANNONIAN SCIAENID OTOLITHS: PALEOECOLOGICAL IMPLICATIONS

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA, 2012, 63, 2, 175—178

Results and discussion

Macroscopic and microscopic incremental structures

Darker  and  lighter  bands  were  clearly  observed  on  each

polished section independently of the direction of the section-
ing plane (Fig. 2). These coupled bands were described of the
recent sciaenid otoliths to indicate an annual increment (annu-
lus) (Arneri et al. 1998; La Mesa et al. 2008; Engin & Seyan
2009). The annual periodicity of annulus deposition was con-
firmed by the edge analysis in recent sciaenids, indicating that
translucent  and  opaque  zones  are  formed  once  a  year.  The
opaque zone was laid down in summer, between June and July
while  the  dark/translucent  zone  was  found  to  be  deposited
during  the  rest  of  the  year,  starting  at  the  end  of  summer
(September) (La Mesa et al. 2008). The ontogenic age of the
specimens  can  be  assigned  on  the  basis  of  counts  of  dark/
translucent  winter  bands  (Arneri  et  al.  1998).  The  estimated
age of UC1 is 17, of UC2 is 7, while of UC3 is 6 years.

The  columnar  crystal  fabric  was  also  perfectly  preserved

(Fig. 3b)  indicating  the  lack  of  any  diagenetic  impact  on
these fossils.

Estimated somatic parameters

A  formalized  experimental  relationship  has  been  pub-

lished recently describing ontogenic age vs body length and
otolith  maximum  length  vs  body  weight  relationships  for
brown meagre (Sciaena umbra Linnaeus, 1758) (La Mesa et
al.  2008),  a  possible  present-day  relative  to  the  Pannonian
Umbrina subcirrhosa. The obtained equations are thought to
be  robust  as  they  rely  on  532  specimens  of  brown  meagre

captured over a period of 11 years. Using equations obtained
on this modern dataset, somatic parameters of the Pannonian
fish  specimens  can  be  estimated  as  46 cm/1470 g  for  UC1;
42 cm/1130 g for UC2 and 41 cm/1030 g for UC3.

It is necessary to emphasize that these estimated somatic pa-

rameters must be treated with caution. For instances the large
difference in the size of the water bodies (i.e. Modern Adriatic
Sea and Late Miocene Lake Pannon) and the lack of knowl-
edge about the food web complexity of the paleoenvironment
might introduce significant and hardly quantifiable bias.

Preserved mineralogical composition

Otolith cores showed green, yellowish green luminescence.

The intensity vanished towards the rim while faint blue lumi-
nescence was observed at the outer sectors (Fig. 3a). It is inter-
esting  to  note  that  seasonal  increments  showed  different  CL
characteristics within the annulus. Greenish and weak blue lu-
minescence bands corresponded to the opaque (summer) and
dark/translucent (winter) zones, respectively.

CaCO

3

  minerals  have  characteristic  CL  colours  caused  by

the substitution of Mn

2+

 for Ca

2+

: orange(-red) for calcite and

green  to  yellow  for  aragonite  (Marshall  1988).  ~ 10—20 ppm
Mn

2+

 concentration is necessary for visible Mn

2+

 activated lu-

minescence in biogenic calcite and the same or less in arago-
nite  (Barbin  2000).  In  the  case  of  pure  carbonates  or
carbonates with minor traces of substituting element, a weak
blue (so-called intrinsic) CL is detected for both polymorphs.

The  observed  CL  features,  consequently,  indicate  arago-

nitic  mineralogy  in  the  otolith  cores  but  the  results  are  still
not  conclusive  in  the  outer  part.  Raman  microspectrometric
analyses helped to clarify the ambiguity. The Raman spectra

Fig. 3.  Structural  evidence
for the lack of recrystalliza-
tion.  a  –  Cathodolumines-
cence  (CL)  images.  White
dots mark the spots for Ra-
man 

microspectrometry

(annotation  corresponds  to
the legend in c). Rectangles
help to orientate the CL im-
age  in  the  polished  section
of  Fig. 2.  b  –  Radially  ar-
ranged  columnar  aragonite
crystals  in  UC3.  c  –  Ra-
man  spectra  from  UC1.
Vertical  dashed  lines  indi-
cate  the  characteristic  Ra-
man bands of aragonite.

correspond  to  the  arago-
nite  phase  (Urmos  et  al.
1991;  Gauldie  et  al.
1997)  proving  that  the
Pannonian  otolith  un-
doubtedly  contained  ara-
gonite  crystals  at  each
analysed  spot  (Fig. 3c).
As  all  the  fossil  otolith

background image

178

KERN, KÁZMÉR, BOSNAKOFF, VÁCZI, BAJNÓCZI and KATONA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA

GEOLOGICA CARPATHICA, 2012, 63, 2, 175—178

material provided only the characteristic Raman bands of ara-
gonite, regardless of the CL colour found in the otolith zone, it
is proven that the original aragonitic mineralogy has been pre-
served also in the parts with weak blue luminescence.

Incidentally, alternating greenish and weak blue CL zones

corresponding  to  opaque  and  translucent  incremental  zones
of  annuli  indicate  that  Mn

2+

  concentration  drops  below  the

~10—20 ppm  level  in  the  increment  laid  down  during  the
winter season.

Conclusions

Macroscopic  and  microscopic  observations  of  the  three

studied  Pannonian  (Late  Miocene)  sciaenid  otoliths  offered
clear  evidence  for  the  preservation  of  the  genuine  structural
characteristics.  Ontogenetic  ages  were  assigned  for  the  three
specimens as 16, 7 and 6 years, respectively, by counting the
annuli of sagittae. Corresponding somatic parameters of the fish
specimens can be estimated as 46 cm/1470 g; 42 cm/1130 g
and  41 cm/1030 g  using  experimental  physiological  relation-
ships of the brown meager (Sciaenia umbra Linnaeus, 1758) a
modern relative of the studied Pannonian species.

Results from CL and Raman microspectrometric analyses

proved  the  preservation  of  the  original  aragonitic  mineralo-
gy. The excellent preservation of these fossils invites further
microchemical studies to reconstruct the past physicochemi-
cal  environment.  As  earlier  geochemical/paleoecological
studies concentrated exclusively on benthic organisms, these
otoliths  might  provide  the  first  geochemical  record  from
Pannonian  nektonic  organisms  related  directly  to  the  open
water marine/lacustrine conditions free from any bias due to
the benthic environment.

Acknowledgments: The European Union and the European
Social  Fund  have  provided  financial  support  to  the  Project
under  the  Grant  agreement  No. TÁMOP  4.2.1./B-09/KMR-
2010-0003. The research has been supported by Baross Gá-
bor  Fund  REG-KM-09-1-2009-0044  and  OTKA  K67583
grants.  The  authors  thank  Ágnes  Takács  for  her  help  with
sample  preparation.  Rostislav  Brzobohatý  and  Norman
Halden  are  acknowledged  for  their  constructive  reviews.
This is Budapest Tree-Ring Laboratory contribution No. 20.

References

Arneri E., Colella S. & Giannetti G. 1998: A method for the age deter-

mination of two Mediterranean sciaenids: Sciaena umbra (Linnae-
us,  1758)  and  Umbrina  cirrosa  (Linnaeus,  1758).  Rapp.  Comm.
Int. Mer Médit.
 35, 366—367.

Barbin V. 2000: Cathodoluminescence of carbonate shells: biochemical

vs.  diagenetic  process.  In:  Pagel  M.,  Barbin  V.,  Blanc  P.  &
Ohnenstetter  D.  (Eds.):  Cathodoluminescence  in  geosciences.
Springer, Berlin/Heidelberg, 303—329.

Bosnakoff  M.  2008:  Late  Miocene  (Pannonian)  sciaenid  fish  otoliths

from Hungary – preliminary studies. Hantkeniana 6, 219—228.

Bosnakoff M. & Katona L. (in print): Fish otolith assemblage from the

Late  Miocene  deposits  of  Lake  Pannon  (Doba,  NW  Hungary).
Central European Geol.

Brzobohatý R. & Pana I. 1985: Die Fischfauna des Pannonien. In: Papp

A.,  Jámbor  Á.  &  Steininger  F.F.  (Eds.):  Chronostratigraphie  und
Neostratotypen,  Miozän  der  Zentralen  Paratethys  7,  Pannonien.
Akadémiai Kiadó, Budapest, 426—439.

Carlström  D.  1963:  A  crystallographic  study  of  vertebrate  otoliths.

Biological Bull. 125, 441—463.

Carpenter  S.J.,  Erickson  J.M.  &  Holland  F.D.  2003:  Migration  of  a

Cretaceous fish. Nature 423, 70—74.

Cziczer I., Magyar I., Pipík R., Böhme M., Ćorić S., Bakrač K., Sütő-

Szentai M., Lantos M., Babinszki E. & Müller P. 2009: Life in the
sublittoral zone of long-lived Lake Pannon: paleontological analy-
sis of the Upper Miocene Szák Formation, Hungary. Int. J. Earth
Sci.
 98, 7, 1741—1766.

Engin  S.  &  Seyan  K.  2009:  Age,  growth,  sexual  maturity  and  food

composition  of  Sciaena  umbra  in  the  south-eastern  Black  Sea,
Turkey. J. Applied Ichthyology 25, 96—99.

Gauldie  R.W.,  Sharma  S.K.  &  Volk  E.  1997:  Micro-Raman  spectral

study  of  vaterite  and  aragonite  otoliths  of  the  coho  salmon,
Oncorhynchus kisutchComp. Biochem. Physiol. A 118, 753—757.

Geary  D.H.,  Rich  J.A.,  Valley  J.W.  &  Baker  K.  1989:  Isotopic  evi-

dence  for  salinity  changes  in  the  Late  Miocene  Pannonian  basin:
effects  on  the  evolutionary  radiation  of  melanopsid  gastropods.
Geology 17, 981—985.

Geary D.H., Magyar I. & Müller P. 2000: Ancient Lake Pannon and its

endemic  molluscan  fauna  (Central  Europe;  Mio-Pliocene).
Advances in Ecological Res. 31, 463—482.

Halden N.M., Marthers K., Babaluk J.A. & Mejia S.R. 2004: Cathodo-

luminescence microscopy: A useful tool for assessing incremental
chemical  variation  in  otoliths.  Environmental  Biology  of  Fishes
71, 53—61.

Kázmér M. 1990: Birth, life and death of the Pannonian Lake. Palaeo-

geogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 79, 171—188.

Kuhlemann  J.,  Frisch  W.,  Székely  B.,  Dunkl  I.  &  Kázmér  M.  2002:

Post-collisional  sediment  budget  history  of  the  Alps:  Tectonic
versus climatic control. Int. J. Earth Sci. 91, 5, 818—837.

La Mesa M., Colella S., Giannetti G. & Arneri E. 2008: Age and growth

of  brown  meagre  Sciaena  umbra  (Sciaenidae)  in  the  Adriatic  Sea.
Aquatic and Living Res. 21, 153—161.  DOI: 10.1051/alr.2008029

Leeder K. 2007: Foreland of the Romanian Carpathians. Controls on late

orogenic  sedimentary  basin  evolution  and  Paratethys  palaeogeogra-
phy. PhD ThesisVrije Universiteit, Amsterdam, 1—182.

Machel  H.G.  2000:  Application  of  cathodoluminescence  to  carbonate

diagenesis.  In:  Pagel  M.,  Barbin  V.,  Blanc  P.  &  Ohnenstetter  D.
(Eds.):  Cathodoluminescence  in  geosciences.  Springer,  Berlin/
Heidelberg, 271—301.

Magyar  I.,  Lantos  M.,  Ujszászi  K.  &  Kordos  L.  2007:  Magnetostrati-

graphic,  seismic  and  biostratigraphic  correlations  of  the  Upper
Miocene sediments in the northwestern Pannonian Basin System.
Geol. Carpathica 58, 277—290.

Marshall  D.J.  1988:  Cathodoluminescence  of  geological  materials.

Unwin-Hyman, Boston, MA, 1—146.

Mátyás J., Burns S.J., Müller P. & Magyar I. 1996: What can stable iso-

topes say about salinity? An example from the Late Miocene Pan-
nonian Lake. Palaios 11, 31—39.

Müller P., Geary D.H. & Magyar I. 1999: The endemic molluscs of the

Late  Miocene  Lake  Pannon:  their  origin,  evolution,  and  family-
level taxonomy. Lethaia 32, 47—60.

Tóth E., Görög Á., Lecuyer C., Moissette P., Balter V. & Monostori M.

2010: Palaeoenvironmental reconstruction of the Sarmatian (Mid-
dle  Miocene)  Central  Paratethys  based  on  palaeontological  and
geochemical  analyses  of  foraminifera,  ostracods,  gastropods  and
rodents. Geol. Mag. 147, 2, 299—314.

Tzeng  W.N.,  Chang  C.W.,  Wang  C.H.,  Shiao  J.C.,  Iizuka  Y.,  Yang

Y.J., You C.F. & Ložys L. 2007: Misidentification of the migratory
history of anguillid eels by Sr/Ca ratio of vaterite otoliths. Marine
Ecology Progress Series
 348, 285—295.

Urmos  J.,  Sharma  S.K.  &  Mackenzie  F.T.  1991:  Characterization  of

some  biogenic  carbonates  with  Raman  spectroscopy.  Amer.
Mineralogist
 76, 641—646.

Woydack  A.  &  Morales-Nin  B.  2001:  Growth  patterns  and  biological

information in fossil fish otoliths. Paleobiology 27, 369—378.