TY  - THES
A1  - Tella, Timothy Oluwatobi
T1  - Exploring the roles of sediment production by Photozoan and Heterozoan biotas on the evolution of carbonate system geometries through forward modelling
T1  - Untersuchung der Rolle der Sedimentproduktion durch Photozoen- und Heterozoenbiotope bei der Entwicklung der Geometrie von Karbonatsystemen durch Vorwärtsmodellierung
BT  - examples from Mallorca and Menorca
N2  - The role of biogenic carbonate producers in the evolution of the geometries of carbonate systems has been the subject of numerous research projects. Attempts to classify modern and ancient carbonate systems by their biotic components have led to the discrimination of biogenic carbonate producers broadly into Photozoans, which are characterised by an affinity for warm tropical waters and high dependence on light penetration, and Heterozoans which are generally associated with both cool water environments and nutrient-rich settings with little to no light penetration. These broad categories of carbonate sediment producers have also been recognised to dominate in specific carbonate systems. Photozoans are commonly dominant in flat-topped platforms with steep margins, while Heterozoans generally dominate carbonate ramps. However, comparatively little is known on how these two main groups of carbonate producers interact in the same system and impact depositional geometries responding to changes in environmental conditions such as sea level fluctuation, antecedent slope, sediment transport processes, etc. This thesis presents numerical models to investigate the evolution of Miocene carbonate systems in the Mediterranean from two shallow marine domains: 1) a Miocene flat-topped platform dominated by Photozoans, with a significant component of Hetrozoans in the slope and 2) a Heterozoan distally steepened ramp, with seagrass-influenced (Photozoan) inner ramp. The overarching aim of the three articles comprising this cumulative thesis is to provide a numerical study of the role of Photozoans and Heterozoans in the evolution of carbonate system geometries and how these biotas respond to changes in environmental conditions. This aim was achieved using stratigraphic forward modelling, which provides an approach to quantitatively integrate multi-scale datasets to reconstruct sedimentary processes and products during the evolution of a sedimentary system.
In a Photozoan-dominated carbonate system, such as the Miocene Llucmajor platform in Western Mediterranean, stratigraphic forward modelling dovetailed with a robust set of sensitivity tests reveal how the geometry of the carbonate system is determined by the complex interaction of Heterozoan and Photozoan biotas in response to variable conditions of sea level fluctuation, substrate configuration, sediment transport processes and the dominance of Photozoan over Heterozoan production. This study provides an enhanced understanding of the different carbonate systems that are possible under different ecological and hydrodynamic conditions. The research also gives insight into the roles of different biotic associations in the evolution of carbonate geometries through time and space. The results further show that the main driver of platform progradation in a Llucmajor-type system is the lowstand production of Heterozoan sediments, which form the necessary substratum for Photozoan production.
In Heterozoan systems, sediment production is mainly characterised by high transport deposits, that are prone to redistribution by waves and gravity, thereby precluding the development of steep margins. However, in the Menorca ramp, the occurrence of sediment trapping by seagrass led to the evolution of distal slope steepening. We investigated, through numerical modelling, how such a seagrass-influenced ramp responds to the frequency and amplitude of sea level changes, variable carbonate production between the euphotic and oligophotic zone, and changes in the configuration of the paleoslope. The study reinforces some previous hypotheses and presents alternative scenarios to the established concepts of high-transport ramp evolution. The results of sensitivity experiments show that steep slopes are favoured in ramps that develop in high-frequency sea level fluctuation with amplitudes between 20 m and 40 m. We also show that ramp profiles are significantly impacted by the paleoslope inclination, such that an optimal antecedent slope of about 0.15 degrees is required for the Menorca distally steepened ramp to develop.
The third part presents an experimental case to argue for the existence of a Photozoan sediment threshold required for the development of steep margins in carbonate platforms. This was carried out by developing sensitivity tests on the forward models of the flat-topped (Llucmajor) platform and the distally steepened (Menorca) platform. The results show that models with Photozoan sediment proportion below a threshold of about 40% are incapable of forming steep slopes. The study also demonstrates that though it is possible to develop steep margins by seagrass sediment trapping, such slopes can only be stabilized by the appropriate sediment fabric and/or microbial binding. In the Photozoan-dominated system, the magnitude of slope steepness depends on the proportion of Photozoan sediments in the system. Therefore, this study presents a novel tool for characterizing carbonate systems based on their biogenic components.
N2  - Die Rolle von biogenen Karbonatproduzenten bei der Ausbildung der Geometrien von Karbonatablagerungen war bereits Gegenstand mehrerer Forschungsarbeiten. Bisherige Versuche, moderne und alte Karbonatsysteme anhand ihrer biotischen Komponenten zu klassifizieren, führten dazu, dass biogene Karbonatproduzenten generell unterschieden werden in Photozoen, welche sich durch eine starke Neigung zu warmen, tropischen Gewässern und eine hohe Abhängigkeit von der Lichtdurchflutung auszeichnen, und in Heterozoen, die im Allgemeinen mit kühlen Wasserumgebungen mit wenig bis gar keiner Lichtdurchflutung assoziiert werden. Dabei wurde auch festgestellt, dass diese beiden Haupttypen von Karbonatproduzenten in bestimmten Karbonatsystemen dominierend sind. Photozoen sind in der Regel auf Karbonatplattformen mit flachem Oberbereich und steilen Rändern vorherrschend, während Heterozoen generell in Karbonatrampen dominieren. Allerdings herrscht immer noch große Unkenntnis darüber, wie diese Karbonatsysteme und ihre Geometrien auf Veränderungen der Umweltbedingungen, wie z. B. Schwankungen des Meeresspiegels, vorherige Geometrien der Karbonatablagerungen, Prozesse des Sedimenttransports, usw., reagieren. In dieser Dissertation werden numerische Modelle vorgestellt, mit Hilfe derer die Entwicklung miozäner Karbonatsysteme im Mittelmeerraum anhand des Beispiels zweier Flachwasserbereiche untersucht werden: 1) eine miozäne Plattform mit flachem Oberbereich, die von Photozoen dominiert wird, und 2) eine von Seegras beeinflusste und distal steil abfallende Rampe die von Heterozoen dominiert wird. Das übergeordnete Ziel der drei wissenschaftlichen Publikationen, aus denen diese kumulative Dissertation aufgebaut ist, beinhaltet die numerische Analyse der Rolle von Photozoen und Heterozoen bei der Entwicklung der Geometrien von Karbonatsystem, und die anschließende Auswertung, wie diese Biotope auf Veränderungen der Umweltbedingungen reagieren. Dies wurde mit Hilfe der stratigraphischen Vorwärtsmodellierung realisiert, welche einen methodologischen Ansatz zur quantitativen Integration von Datensätzen unterschiedlichster Größenordnungen bietet, um sedimentäre Prozesse und deren Produkte im Laufe der Entwicklung eines Sedimentsystems zu rekonstruieren. 
In einem von Photozoen dominierten Karbonatsystem, wie das der miozänen Llucmajor-Plattform im westlichen Mittelmeerraum, zeigt die stratigraphische Vorwärtsmodellierung in Übereinstimmung mit belastbaren Daten, die aus einer umfangreichen Reihe von Sensitivitätstests gewonnen wurden, wie die Geometrie des untersuchten Karbonatsystems durch die komplexe Interaktion von photozoischen und heterozoischen Biotopen als Reaktion auf variable Umgebungsbedingungen wie Meeresspiegelschwankungen, Struktur des Substrates, Prozesse der Sedimentation und die Dominanz von Photozoen gegenüber Heterozoen bestimmt wird. Diese Analyse führt zu einem erweiterten Verständnis über den Aufbau und die Entwicklung der verschiedenen Arten von Karbonatsystemen, die unter den jeweiligen ökologischen und hydrodynamischen Umgebungsbedingungen potenziell möglich sind. Zusätzlich bieten die in dieser Dissertation vorgestellten Forschungsergebnisse neue Einblicke über die Rolle der verschiedenen biologischen Vergesellschaftungen bei der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der Geometrie eines karbonatischen Flachwasserablagerungsraums. Außerdem konnte bewiesen werden, dass der Hauptfaktor, der für die Progradation einer Plattform des Llucmajortypus verantwortlich ist, die Karbonatproduktion durch Heterozoen während der ´lowstand´- Phase ist, wodurch sich das Substrat bildet, welches für die Karbonatproduktion durch Photozoen notwendig ist. 
In heterozoischen Systemen ist die Sedimentproduktion vor allem durch Prozesse mit hoher Transportdynamik gekennzeichnet, und unterliegt einer Sedimentumverteilung, die durch Wellenbewegungen und gravitative Prozesse ausgelöst wird, wodurch das Ausbilden steiler Plattformränder verhindert wird. In der Karbonatrampe von Menorca jedoch führte das Vorkommen von Sedimentablagerungen, die durch Seegras stabilisiert wurden, zur Versteilerung des distalen Bereichs der Karbonatrampe. Mit Hilfe numerischer Modelle wurde untersucht, wie eine solche von Seegras beeinflusste Rampe auf die Frequenz und Amplitude von Meeresspiegelschwankungen, auf die unterschiedlich ausgeprägte Karbonatproduktion innerhalb der euphotischen und der oligophotischen Zone, sowie auf Veränderungen in der Struktur der vorherigen Geometrie der Rampe, reagiert. Das Ergebnis dieser Analyse untermauert einige der früheren Hypothesen, bietet aber auch alternative Szenarien zu den bereits etablierten Konzepten der Entstehung und Entwicklung von Karbonatrampen, welche durch eine hohe Transportdynamik gekennzeichnet sind. Die Ergebnisse der „Sensitivitätsanalysen“ zeigen, dass sich in einer Karbonatrampe bevorzugt steilere distalere Bereiche ausbilden, wenn die Entwicklung der Rampe durch hochfrequente Meeresspiegelschwankungen mit einer Amplitude zwischen 20 m bis 40 m geprägt wurde. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass das Profil einer Rampe stark von der ursprünglichen Hangneigung beeinflusst wird, und ein optimaler Neigungswinkel des vorherigen Hanges von ungefähr 0.15 Grad benötigt wird, damit eine Rampe, wie die des Menorcatypus die im distalen Bereich steiler wird, sich ausbilden kann.
Im dritten Teil der Dissertation wird ein experimentelles Fallbeispiel vorgestellt, welches Hinweise auf das Vorhandensein eines spezifischen Schwellenwerts innerhalb der photozoischen Karbonatproduktion liefert, der essenziell für die Entwicklung von steilen Plattformrändern ist. Zu diesem Zweck wurden Sensibilitätstests für die Vorwärtsmodelle der Plattform mit flacher Topografie des oberen Bereiches (Llucmajor) und der im distalen Bereich steiler werdenden Plattform (Menorca) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass Modelle, die einen Anteil an von Photozoen produzierten Sedimenten aufweisen, der unter einem Schwellenwert von etwa 40 % liegt, nicht in der Lage sind, steile Plattformränder auszubilden. Diese Analyse beweist auch, dass es grundsätzlich möglich ist, steile Plattformränder durch die Stabilisierung durch Seegras, welches Sediment einfängt und aufnimmt, aufzubauen. Voraussetzung dafür ist allerdings das Vorhandensein einer geeigneten internen Sedimenttextur und/oder der Verfestigung der Sedimente durch mikrobielle Aktivität. In Systemen, die durch Photozoen dominiert werden, hängt die Größe des Hangneigungswinkel stark vom Anteil des innerhalb des Systems photozoisch produzierten Sediments ab. In dieser Arbeit wird deshalb eine neue Herangehensweise zur Charakterisierung von Karbonatsystemen eingeführt, die auf deren Inhalt an biogenen Komponenten beruht.
KW  - carbonate
KW  - sedimentology
KW  - stratigraphic forward modelling
KW  - Photozoan
KW  - Heterozoan
KW  - carbonate platforms
KW  - carbonate ramps
KW  - Distally steepened ramps
KW  - distal steil ansteigende Rampen
KW  - Heterozoikum
KW  - Photozoikum
KW  - Karbonat
KW  - Karbonatplattformen
KW  - Karbonatrampen
KW  - Sedimentologie
KW  - stratigraphische Vorwärtsmodellierung
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582257
ER  - 
TY  - THES
A1  - Marcano Romero, Gabriela Helena
T1  - Investigations on sedimentology and early diagenesis in shallow-water warm-temperate to tropical miocene carbonates : a case study from Northern Sardinia, Italy
T1  - Untersuchungen zur Sedimentologie und frühen Diagenese in  warmgemäßigten bis tropischen Flachwasser-Carbonaten des Miozäns : eine Fallstudie aus Nord-Sardinien, Italien
N2  - This study investigated the warm-temperate to tropical shallow-water Miocene carbonates of the Perfugas basin (Anglona area), northern Sardinia, Italy (Central Mediterranean). The aim of this study was to identify and document the existence and significance of early diagenesis in this carbonate system, especially the diagenetic history, which reflects the diagenetic potential in terms of skeletal mineralogy. The motivation behind the present study was to investigate the role that early cementation has over facies stabilization linked to differences in biotic associations in shallow-water settings. Principal to this was to unravel the amount, kind and distribution of early cements in this type of carbonates, in order to complement previous studies, and hence acquire a more global perspective on non-tropical carbonate settings. The shallow-buried Sedini Limestone Unit was investigated for variations on early diagenetic features, as well as for the type of biotic association, and oxygen and carbon stable isotope stratigraphy. Results showed, that particularly at the Perfugas basin (< 15 km2), which evolves in time from a ramp into a steep-flanked platform, shallow-water facies are characterized by a “transitional” type of biotic association. The biotic assemblages change gradually over time from a heterozoan-rich into a photozoan-rich depositional system. This transition implies a change in the depositional environmental control factors such as temperature. It is considered that sedimentation took place under warm-temperate waters, which shifted to more warmer or tropical waters through time. Moreover, it was noticed that along with these changes, marine early syn-depositional cements (high-Mg calcite), with particular fabrics (e.g. fibrous), gradually contributed to the early lithification of rocks, favoring a steepening of the platform relief. The major controls for the shift of the depositional geometry was triggered by the change of the type of biotic associations (carbonate factory), related with the shift towards warmer conditions, and the development of early marine cementation. The identification of the amount and distribution of different cement phases, porosities and early diagenetic features, within facies and stratigraphy, showed that diagenesis is differential along depth, and within the depositional setting. High-Mg calcite cements (micrite, fibrous and syntaxial inclusion-rich) are early syn-depositional, facies-related (shallow-water), predominant at the platform phase, and marine in origin. Low-Mg calcite cements (bladed, syntaxial inclusionpoor and blocky) are early to late post-depositional, non-facies related (shallow- to deep-water) and shallow-burial marine in origin. However, a particular difference exists when looking at the amount and distribution of low-Mg calcite bladed cements. They become richer in shallow-water facies at the platform phase, suggesting that the enrichment of bladed cementation is linked to the appearance of metastable grains (e.g. aragonite). In both depositional profiles, the development of secondary porosity is the product of fabric-selective dissolution of grains (aragonite, high-Mg calcite) and/or cements (syntaxial inclusion-rich). However, stratigraphy and stable isotopes (oxygen and carbon), indicate that the molds found at shallower facies located beneath, and close to stratigraphic boundaries, have been produced by the infiltration of meteoric-derived water, which caused recrystallization without calcite cementation. Away from these stratigraphic locations, shallow- and deep-water facies show molds, and recrystallization, as well as low-Mg calcite cementation, interpreted as occurring during burial of these sediments by marine waters. The main cement source is suggested to be aragonite. Our results indicate that the Sedini Limestone Unit was transformed in three different diagenetic environments (marine, meteoric and shallow-burial marine); however, the degree of transformation in each diagenetic environment differs in the heterozoan-dominated ramp from the photozoan-dominated platform. It is suggested that the sediments from the ramp follow a diagenetic pathway similar to their heterozoan counterparts (i.e. lack of marine cementation, and loss of primary porosity by compaction), and the sediments from the platform follow a diagenetic pathway similar to their photozoan counterparts (i.e. marine cementation occluding primary porosity). However, in this carbonate setting, cements are Mg-calcite, no meteoric cementation was produced, and secondary porosity at shallow-water facies of the platform phase is mostly open and preserved. Despite the temporal and transitional change in biotic associations, ramp and platform facies (shallow- to deep-water facies) showed an oxygen isotope record overprinted by diagenesis. Oxygen primary marine signatures were not found. It is believed that burial diagenesis (recrystallization and low-Mg calcite cementation) was the main reason. This was unexpected at the ramp, since heterozoan-rich carbonates can hold isotope values close to primary marine signals due to their low-Mg calcite original composition. Ramp and platform facies (shallow- to deep-water facies) showed a carbon isotope record that was less affected by diagenesis. However, only at deep-water facies, did the carbon record show positive values comparable with carbon primary marine signals. The positive carbon values were noticed with major frequency at the platform deep-water facies. Moreover, these values usually showed a covariant trend with the oxygen isotope record; even that the latter did not hold positive values. The main conclusion of this work is that carbonates, deposited under warm-temperate to tropical conditions, have a unique facies, diagenesis and chemostratigraphic expression, which is different from their cool-water heterozoan or warm-water photozoan counterparts, reflecting the “transitional” nature of biotic association.
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit den warmen bis tropischen miozänen Flachwasserkarbonaten des Perfugas Beckens (Region Anglona) im nördlichen Sardinien, Italien. Ziel dieser Arbeit war es, die Existenz und Signifikanz der frühen Diagenese in diesem Karbonatsystem zu identifizieren und zu dokumentieren. Die Geschichte der Verfestigung reflektiert dabei das diagenetische Potential, welches von der Mineralogie der Grundgerüste ehemaliger Lebewesen abhängig ist. Die Motivation bestand darin, die frühe Zementation der Karbonate zu beschreiben, da sie eine wesentliche Rolle bei der Faziesstabilisierung spielt wenn diese durch unterschiedliche biotische Verbindungen im Flachwasser aufgebaut wurde. Der Fokus dieser Studie liegt bei der Trennung von Menge, Art und Verteilung der frühen Zemente in Karbonaten. Frühere Arbeiten wurden ergänzt und zusammen gefasst, um eine globale Übersicht bezüglich nicht tropischer karbonatischer Milieus zu erlangen. Die flach abgelagerte Einheit der Sedini Karbonate wurde unter multiplen Gesichtspunkten z.B. früher diagenetischer Strukturen, biotischer Gesellschaften sowie durch Messungen stabiler Isotope an Sauerstoff und Kohlenstoff untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Perfugas Becken (< 15 km2), welches sich von einer Rampe zu einem, von steilen Flanken begrenzten, Plateau entwickelte und sich durch eine Flachwasserfazies auszeichnet, die auf eine “Übergangsart” der biotischen Gemeinschaft hinweist. Diese Gemeinschaft veränderte sich allmählich von einem heterozoischen zu einem photozoischen Ablagerungssystem. Diese Verschiebung impliziert einen Wechsel der Faktoren, wie der Temperatur, die das Ablagerungsmilieu beeinflussen. Es wird angenommen, dass die Sedimentation in warmen Gewässern stattfand, welche sich bis hin zu tropischen Temperaturen kontinuiertlich erwärmten. Es ist bekannt, dass sich parallel zu diesen marinen Veränderungen frühe Mg- reiche kalzitische Zemente bildeten, die ein ausgeprägtes z.T. faseriges Gefüge zeigen. Diese unterstützen die frühe Verfestigung der Kalke und ermöglichen eine Versteilung des Reliefs der Plattform. Die hauptsächlichen Faktoren, die eine Verschiebung der Ablagerungsumgebung hervorriefen, wurden durch die Veränderung der biotischen Gesellschaft und durch die Entwicklung früher Zemente aufgezeichnet, die wiederum mit der Erwärmung des Habitats zusammenhängen. Die Identifizierung der Menge und Verteilung der verschiedenen Zementphasen, der Porosität und der frühen diagenetischen Elemente in Fazies und Stratigraphie zeigen, dass die Verfestigung mit zunehmender Tiefe und innerhalb des Ablagerungsareals variiert. Mg- reiche kalzitische Zemente (mikritisch, faserig, syntaxial einschlussreich) wurden im frühen, marinen Stadium während der Ablagerung gebildet. Mg- arme kalzitische Zemente (blättrig, syntaxial einschlussarm, blockig) entstanden nach der Ablagerung im flachen bis tiefen marinen Wasser z.T. unter überlagernden Einheiten. Ein offensichtlicher Unterschied existiert bei Menge und Verteilung von Mg-armen, blättrigen Zementen. Sie werden in der Flachwasserfazies innerhalb der Plattformphase häufiger, was mit dem Auftreten metastabiler aragonitischer Körner zusammen fällt. In beiden Ablagerungsprofilen ist die Entwicklung der Sekundärporosität das Produkt einer gefügeabhängigen Auflösung der Körner (aragonit, Mg-reiche Kalzite) und/oder der Zemente (syntaxial einschlussreich). Stratigraphie und stabile Isotope (Sauerstoff, Kohlenstoff) zeigen jedoch, dass sich Abdrücke in der Flachwasserfazies finden lassen, die sich zwischen und in der Nähe der stratigraphischen Grenze befinden. Die Abdrücke entstanden durch Infiltration von meteorischen Wässern, was zu Rekristallisation ohne kalzitische Verfestigung führte. Fernab dieser stratigraphischen Lokalitäten, zeigen Flach- und Tiefwasserfazien Abdrücke, Rekristallisationen und Mg-arme kalzitische Zemente die offensichtlich durch Überlagerung dieser Sedimente in marinen Gewässern entstanden sind. Als Hauptzementkomponent wird Aragonit angenommen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Sedini Kalksteineinheit in drei verschiedene diagenetische Umgebungen umstrukturiert wurde (marin, meteorisch, flach überlagert). Der Grad der Umwandlung in den einzelnen diagenetischen Umgebungen unterscheidet sich von der heterozoisch dominierten Rampe zur photozoisch dominierten Plattform. Es wird angenommen, dass die Sedimente der Rampe einem diagenitischen Pfad folgen, der ähnlich des heterozoischen Gegenstücks verläuft (z.B. Fehlen der marinen Zementation, Verlust primärer Porosität durch Kompaktion). Die Plattformsedimente folgen einer diagenetischen Abfole ähnlich ihrer photozoischen Pendants (z.B. marine Zementation welche die primäre Porosität). In diesem Karbonatumfeld sind die Zemente Mg-reich und nicht meteorische verfestigt. Eine sekundäre Porosität der Flachwasserfazien in der Plattformphase ist offen und gut erhalten. Trotz der temporären und vorübergehenden Wechsel in den biotischen Vergesellschaftungen, in den Flachwasserfazien von Rampe und Plattform wie in den Tiefwasserfazien der Rampen, sind Signale in den Sauerstoffisotopen erkennbar, wenn diese auch durch von der Diagenese überdeckt. In diesen Fazien wurden keine primären, marinen Sauerstoffisotopien gefunden. Es wird angenomen, dass die erfolgte überdeckt Diagenese (rekristallisation, Mg-arme kalzitische Zementation) der Hauptgrund dieser fehlenden Isotopensignale darstellen. Dies war an der Rampe unerwartet, da heterozoen-reiche Karbonate primäre, marine Isotopenwerte speichern können, welches aufgrund ihrer Mg-armen Zusammensetzung ermöglicht wird. Das Kohlenstoffisotopensignal der unterscheidlichen Fazien von Rampe und Plattform, zeigten sich weniger von der Diagenese betroffen. Nur in den Tiefwasserfazien zeigte das Kohlenstoffsignal positive Werte, vergleichbar mit primären, marinen Signalen. Die positiven Kohlenstoffwerte wurden an den Plattformtiefenwasserfazien mit größter Häufighkeit registriert. Diese Werte zeigten in der Regel einen kovarianten Trend mit dem Sauerstoffisotopensignal, sogar wenn letzterer keine positiven Werte enthielt. Die Schlussfolgerung aus dieser Arbeit ist, dass Karbonate welche unter warmen bis tropischen Verhältnissen abgelagert wurden, eine einmalige Faziesgenese und chemische Stratigraphie aufweisen. Diese ist unterschiedlich zu ihren heterozoischen Kaltwasser oder ihren photozoischen Gegenstücken aus wärmeren Wässern. Dies wiederum reflektiert gut das “transitionale” Wesen einer biotischen Gesellschaft.
KW  - Diagenese
KW  - Carbonate
KW  - Miozän
KW  - Sardinien
KW  - Sedimentologie
KW  - Diagenesis
KW  - Carbonates
KW  - Miocene
KW  - Sardinia
KW  - Sedimentology
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29207
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kaya, Mustafa
T1  - Cretaceous-Paleogene evolution of the proto-Paratethys Sea in Central Asia
BT  - mechanisms and paleoenvironmental impacts
BT  - Mechanismen und paläoökologische Auswirkungen
N2  - Unlike today’s prevailing terrestrial features, the geologic past of Central Asia witnessed marine environments and conditions as well. A vast, shallow sea, known as proto-Paratethys, extended across Eurasia from the Mediterranean Tethys to the Tarim Basin in western China during Cretaceous to Paleogene times. This sea formed about 160 million years ago (during Jurassic times) when the waters of the Tethys Ocean flooded into Eurasia. It drastically retreated to the west and became isolated as the Paratethys during the Late Eocene-Oligocene (ca. 34 Ma). 
Having well-constrained timing and paleogeography for the Cretaceous-Paleogene proto-Paratethys sea incursions in Central Asia is essential to properly understand and distinguish the controlling mechanisms and their link to Asian paleoenvironmental and paleoclimatic change. The Cretaceous-Paleogene tectonic evolution of the Pamir and Tibet and their far-field effects play a significant role on the sedimentological and structural evolution of the Central Asian basins and on the evolution of the proto-Paratethys sea fluctuations as well. Comparing the records of the sea incursions to the tectonic and eustatic events has paramount importance to reveal the controlling mechanisms behind the sea incursions. However, due to inaccuracies in the dating of rocks (mostly continental rocks and marine rocks with benthic microfossils providing low-resolution biostratigraphic constraints) and conflicting results, there has been no consensus on the timing of the sea incursions and interpretation of their records has been in question. Here, we present a new chronostratigraphic framework based on biostratigraphy and magnetostratigraphy as well as a detailed paleoenvironmental analysis for the Cretaceous and Paleogene proto-Paratethys Sea incursions in the Tajik and Tarim basins, in Central Asia. This enables us to identify the major drivers of marine fluctuations and their potential consequences on regional and global climate, particularly Asian aridification and the global carbon cycle perturbations such as the Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM). To estimate the paleogeographic evolution of the proto-Paratethys Sea, the refined age constraints and detailed paleoenvironmental interpretations are combined with successive paleogeographic maps. Regional coastlines and depositional environments during the Cretaceous-Paleogene sea advances and retreats were drawn based on the results of this thesis and integrated with existing literature to generate new paleogeographic maps. 
Before its final westward retreat in the Eocene, a total of six Cretaceous and Paleogene major sea incursions have been distinguished from the sedimentary records of the Tajik and Tarim basins in Central Asia. All have been studied and documented here. 
We identify the presence of marine conditions already in the Early Cretaceous in the western Tajik Basin, followed by the Cenomanian (ca. 100 Ma) and Santonian (ca. 86 Ma) major marine incursions far into the eastern Tajik and Tarim basins separated by a Turonian-Coniacian (ca. 92-86 Ma) regression. Basin-wide tectonic subsidence analyses imply that the Early Cretaceous invasion of the sea into the Tajik Basin is related to increased Pamir tectonism (at ca. 130 – 90 Ma) in a retro-arc basin setting inferred to be linked to collision and subduction. This tectonic event mainly governed the Cenomanian (ca. 100 Ma) sea incursion in conjunction with a coeval global eustatic high resulting in the maximum geographic extent of the sea. The following Turonian-Coniacian (ca. 92-86 Ma) major regression, driven by eustasy, coincides with a sharp slowdown in tectonic subsidence related to a regime change in Pamir tectonism from compression to extension. The Santonian (ca. 86 Ma) major sea incursion was more likely controlled dominantly by eustasy as also evidenced by the coeval fluctuations in the west Siberian Basin. During the early Maastrichtian, the global Late Cretaceous cooling is inferred from the disappearance of mollusk-rich limestones and the dominance of bryozoan-rich and echinoderm-rich limestones in the Tajik Basin documenting the first evidence for the Late Cretaceous cooling event in Central Asia.   
Following the last Cretaceous sea incursion, a major regional restriction event, marked by the exceptionally thick (≤ 400 m) shelf evaporites is assigned a Danian-Selandian age (ca. 63-59 Ma). This is followed by the largest recorded proto-Paratethys sea incursion with a transgression estimated as early Thanetian (ca. 59-57 Ma) and a regression within the Ypresian (ca. 53-52 Ma). The transgression of the next incursion is now constrained as early Lutetian (ca. 47-46 Ma), whereas its regression is constrained as late Lutetian (ca. 41 Ma) and is associated with a drastic increase in both tectonic subsidence and basin infilling. The age of the final and least pronounced sea incursion restricted to the westernmost margin of the Tarim Basin is assigned as Bartonian–Priabonian (ca. 39.7-36.7 Ma). We interpret the long-term westward retreat of the proto-Paratethys Sea starting at ca. 41 Ma to be associated with far-field tectonic effects of the Indo-Asia collision and Pamir/Tibetan plateau uplift. Short-term eustatic sea level transgressions are superimposed on this long-term regression and seem coeval with the transgression events in the other northern Peri-Tethyan sedimentary provinces for the 1st and 2nd Paleogene sea incursions. However, the last Paleogene sea incursion is interpreted as related to tectonism. The transgressive and regressive intervals of the proto-Paratethys Sea correlate well with the reported humid and arid phases, respectively in the Qaidam and Xining basins, thus demonstrating the role of the proto-Paratethys Sea as an important moisture source for the Asian interior and its regression as a contributor to Asian aridification.  
We lastly study the mechanics, relative contribution and preservation efficiency of ancient epicontinental seas as carbon sinks with new and existing data, using organic rich (sapropel) deposits dated to the PETM from the extensive epicontinental proto-Paratethys and West Siberian seas.  We estimate ca. 1390±230 Gt organic C burial, a substantial amount compared to previously estimated global total excess organic C burial (ca. 1700-2900 Gt) is focused in the proto-Paratethys and West Siberian seas alone. We also speculate that enhanced organic carbon burial later over much of the proto-Paratethys (and later Paratethys) basin (during the deposition of the Kuma Formation and Maikop series, repectively) may have majorly contributed to drawdown of atmospheric carbon dioxide before and during the EOT cooling and glaciation of Antarctica. For past periods with smaller epicontinental seas, the effectiveness of this negative carbon cycle feedback was arguably diminished, and the same likely applies to the present-day.
N2  - Im Gegensatz zu den heute vorherrschenden kontinentalen Bedingungen war die geologische Vergangenheit Zentralasiens auch Zeuge marin dominierter Phasen. Ein riesiges Schelfmeer, bekannt als Proto-Paratethys, erstreckte sich während der Kreidezeit bis zum Paläogen über Eurasien - von der Tethys im Mittelmeer bis zum Tarimbecken im Westen Chinas. Dieses Meer bildete sich vor etwa 160 Millionen Jahren während der Jurazeit, als das Wasser des Tethys-Ozeans nach Eurasien strömte. Es zog sich drastisch nach Westen zurück und wurde während des späten Eozän-Oligozäns (ca. 34 Ma) als Paratethys isoliert. 
Eine gut eingegrenzte zeitliche Einordnung und Paläogeographische Charakterisierung für die kretazisch-paläogenen proto-Paratethys-Meerestransgressionen in Zentralasien ist unerlässlich, um die Kontrollmechanismen und ihre Verbindung mit den paläoökologischen und paläoklimatischen Veränderungen in Asien richtig zu verstehen und zu unterscheiden. Die kreidezeitlich-paläogene tektonische Entwicklung des Pamir und Tibets und ihre Fernfeldeffekte spielen eine bedeutende Rolle für die Entwicklung der zentralasiatischen Becken und der proto-paläozoischen Meeresschwankungen. Aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Datierung der Gesteine und widersprüchlichen Ergebnissen gab es jedoch bislang keinen Konsens über den Zeitpunkt der Meerestransgressionen. Die Interpretation der dabei abgelagerten Sedimentfolgen wurde in Frage gestellt. Hier präsentieren wir eine neue, zeitliche Einordung auf Grundlage von Biostratigraphie und Magnetostratigraphie sowie eine detaillierte Paläoumweltanalyse für die Transgressionen des kreidezeitlichen und paläogenen proto-Paratethys-Meeres im tadschikischen und Tarimbecken in Zentralasien. Dies ermöglicht es uns, die wichtigsten Triebkräfte der marinen Fluktuationen und ihre möglichen Auswirkungen auf das regionale und globale Klima zu identifizieren - insbesondere die asiatische Aridifizierung und die Störungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs etwa während des paläozän-eozänen thermischen Maximums (PETM). 
Beckenweite tektonische Senkungsanalysen deuten darauf hin, dass die frühkretazische Transgressionsphase im Tadschikischen Becken mit einer Intensivierung der Kollisionstektonik im Pamir (zwischen ca. 130 und 90 Ma) und der damit verbundenen Bildung eines Retro-Arc-Beckens in Zusammenhang stehen. Die globale Abkühlung der Spätkreide wird aus dem Verschwinden von molluskenreichen Kalksteinen und der Dominanz von bryozoen- und echinodermenreichen Kalksteinen im Tadschikischen Becken abgeleitet. Dies liefert den ersten Nachweis für das Abkühlungsereignis der Spätkreide in Zentralasien.
Wir interpretieren die langfristige paläogene Regression des Proto-Paratethys-Meeres Richtung Westen ab ca. 41 Ma mit den tektonischen Fernfeldeffekten der indo-asiatischen Kollision und der Hebung des Pamir/Tibetischen Plateaus. Die transgressiven und regressiven Intervalle der proto-Paratethys-See korrelieren gut mit den bekannten feuchten und ariden Phasen im Qaidam- bzw. Xining-Becken, was die Rolle der proto-Paratethys-See als wichtige Feuchtigkeitsquelle für das asiatische Binnenland und ihren Rückzug als Mitverursacher der asiatischen Aridifizierung verdeutlicht. 
Schließlich untersuchen wir die Wirkungsfaktoren, den relativen Beitrag und die Erhaltungseffizienz alter epikontinentaler Meere als Kohlenstoffsenken mit neuen und bestehenden Daten. Dabei verwenden wir organik-reiche Ablagerungen aus den ausgedehnten epikontinentalen Proto-Paratethys- und westsibirischen Meeren, die auf das PETM datiert sind. Wir schätzen eine Einlagerung von ca. 1390±230 Gt organischer Kohlenstoffverbindungen. Das stellt eine beachtliche Menge, verglichen mit der zuvor geschätzten globalen Gesamtmenge an überschüssiger organischer Kohlenstoffeinlagerung (ca. 1700-2900 Gt) dar, welche sich allein auf die Proto-Paratethys und die westsibirischen Meere konzentriert. Für vergangene und zukünftige Perioden mit kleineren epikontinentalen Meeren würde die Wirksamkeit dieser negativen Rückkopplung des Kohlenstoffkreislaufs wohl abnehmen.
T2  - Kreidezeit - Paläogene Entwicklung des Proto-Paratethys-Meeres in Zentralasien
KW  - Geology
KW  - Paleoclimatology
KW  - Sedimentology
KW  - Stratigraphy
KW  - Paleogeography
KW  - Geologie
KW  - Paläoklimatologie
KW  - Sedimentologie
KW  - Stratigraphie
KW  - Paläogeographie
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483295
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hultzsch, Nadja
T1  - Lakustrine Sedimente als Archive des spätquartären Umweltwandels in der Amery-Oase, Ostantarktis
T1  - The Late Quaternary climatic and environmental history of Amery Oasis, East Antarctica
N2  - Im Rahmen einer deutsch-australischen Forschungskooperation erfolgte im Südsommer 2001/2002 eine Expedition in die Amery-Oase (70°50’S, 68°00’E), die im Einzugsgebiet des Lambert-Gletscher/Amery-Schelfeis-Systems, dem größten ostantarktischen Eis-Drainagesystem, liegt. Von deutscher Seite wurden im Zuge der Geländekampagne erstmals lakustrine Sedimentsequenzen gewonnen, um die bislang wenig erforschte spätquartäre Klima- und Umweltgeschichte dieser rund 1800 km<sup>2 großen eisfreien Region zu rekonstruieren. Die drei untersuchten Glazialseen Beaver, Radok und Terrasovoje unterscheiden sich sowohl deutlich in ihrer Größe, Bathymetrie und den hydrologischen Merkmalen sowie in ihren Sedimentabfolgen.  Einen Schwerpunkte dieser Doktorarbeit bildet die Rekonstruktion der Sedimentationsprozesse und des Ablagerungsmilieus sowie Untersuchungen zur Herkunft des detritischen Sedimentmaterials in den Seebecken. Der methodische Ansatz verfolgt die Charakterisierung der klastischen Sedimentfazies an Hand lithologisch-granulometrischer Merkmale sowie mineralogisch-geochemischer Analysen der Sedimentherkunft. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Rekonstruktion der holozänen biogen gesteuerten Ablagerungsbedingungen im Terrasovoje-See, die Rückschlüsse auf den kurzfristigen postglazialen Klima- und Umweltwandel in der Amery-Oase gestattet. Dabei wurden mikrofazielle Untersuchungsmethoden und hochauflösende Elementscannermessungen angewandt.  Die klastische Sedimentherkunft in den drei Seen unterscheidet sich räumlich deutlich voneinander und spiegelt den komplexen geologischen Aufbau der Amery-Oase wider. Als Sedimentquellen konnten präkambrische Metamorphite, permotriassische Sedimentgesteine und tertiäre Lockersedimente identifiziert werden. Die Varibilität der Herkunftssignale ist zeitlich weniger deutlich als räumlich ausgeprägt und deutet auf relativ konstante Liefergebiete in den einzelnen Seen hin.  Das glaziolakustrine Ablagerungsmilieu der drei untersuchten Seen zeigt klare räumliche und zeitliche Unterschiede. In allen drei Seen setzen sich die älteren Sedimente aus grobkörnigem, häufig diamiktischem Material zusammen, während die jüngeren Sedimente aus feinkörnigen Laminiten bestehen. Die lithofazielle Zweiteilung in den Sedimentabfolgen deutet auf einen Rückzug der Gletscher und/oder einen Anstieg der Wassertiefen im Übergang von den grobkörnigen zu den feinkörnigen Ablagerungseinheiten hin. Die oberen feinkörnigen Kernabschnitte spiegeln in allen drei Seen die postglaziale lakustrine Sedimentation wider. Im Beaver-See wird die postglaziale Fazies durch laminierte klastische Stillwassersedimente repräsentiert, im Radok-See durch Turbiditsequenzen und im Terrasovoje-See durch Algenlaminite.  Abgesehen vom Terrasovoje-See ist die zeitliche Einordnung der Fazieswechsel auf Grund mangelnder Altersinformationen schwer erfassbar. Im Terrasovoje-See setzte die postglaziale Sedimentation um rund 12,4 cal. ka ein. Somit weisen die darunterliegenden glazigenen Klastika mindestens ein spätpleistozänes Alter auf. Die sedimentologischen Eigenschaften, Änderungen der Sedimentationsraten und organogene Zusammensetzung der postglazialen Biogenlaminite des Terrasovoje-Sees deuten auf Variationen der paläolimnologischen Bedingungen hinsichtlich Eisbedeckung, biologischer Produktivität, Wasserstand, Redoxbedingungen und Salinität hin, die mit regionalen holozänen Klimaänderungen in Verbindung gebracht werden können. Weitere Anhaltspunkte ergeben sich aus der Zusammensetzung und den Mächtigkeitsvariationen der Laminae, die generell aus Wechsellagerungen von Cyanobakterienmatten mit feinklastischen Lagen bestehen. Lagenzählungen der Laminae belegen Änderungen des Ablagerungsmilieus auf subdekadischen Zeitskalen, wobei zeitweilige jährliche Signale nicht ausgeschlossen werden können. Unter Berücksichtigung aller faziellen Indikatoren lässt sich aus der Sedimentabfolge des Terrasovoje-Sees ein frühholozänes Klimaoptimum zwischen 9 und 7 cal. ka sowie weitere Wärmephasen zwischen 3,2 und 2,3 cal. ka sowie 1,5 und 1,0 cal. ka ableiten.  Im Vergleich mit Eiskernarchiven und anderen Seesedimentabfolgen aus ostantarktischen Oasen zeigt sich, dass das Auftreten postglazialer Warmphasen nicht allenorts einem allgemein gültigen räumlich-zeitlichen Muster folgt. Die Ursachen hierfür liegen vermutlich in den lokalen geographischen Gegebenheiten. Es lässt sich daraus schliessen, dass die bisher vorliegenden Klimarekonstruktionen eher das Lokalklima an einem Untersuchungsstandort als das Großklima der Ostantarktis reflektieren. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen von antarktischen Klimaarchiven und Untersuchungsstandorten, um örtliche von überregionalen Klimasignalen besser unterscheiden zu können.
N2  - In the scope of a German-Australian research cooperation field work was conducted in the Amery Oasis (70°50’S, 68°00’E), situated in the Lambert Glacier/Amery Ice Shelf region, the largest East Antarctic ice drainage system. The German part comprised the retrieval of lacustrine sediment cores for the reconstruction of the late Quaternary development of the palaeoenvironment in the 1800 km<sup>2 large ice-free region. The three studied glacial lakes Beaver, Radok, and Terrasovoje reveal marked differences in size, hydrology and their sedimentary inventory. The goals of this thesis were to infer the onset of depostion in the lacustrine basins and to characterize changes in the depositional environment in the course of glacial retreat and the postglacial climate development. The methodic approach followed the recognition of sedimentary facies variability and sediment sources by means of facies analysis and mineralogical-geochemical provenance analysis. Another aspect was the high-resolution reconstruction of postglacial biogenic sedimentary modes in Lake Terrasovoje that provide insights into the short-term Holocene palaeo-climatic and palaeoenvironmental development.  The origin of siliciclastics shows marked spatial differences between the lakes, reflecting the complex geological setting of the Amery Oasis. The main detrital sources comprise crystalline rocks of the East Antarctic craton, Permotriassic and Tertiary sedimentary rocks. The temporal variability of sediment provenance is less developed than the spatial pattern, pointing to relatively constant sediment sources through time in the respective lakes.  The glaciolacustrine depositional environment of the three lakes shows clear spatial and temporal contrasts. In all lakes, the older sediments are composed of coarse, partly diamictic lithologies, while the younger materials consist of fine-grained laminites. The twofold lithofacial pattern is related to regional glacial retreat at the boundary between both sedimentary units that reduced direct glacigenic sediment input. In the epishelf Lake Beaver, in addition, the effect of postglacial sea-level rise led also to the rise of lake level and shifted the study site towards a more distal position from the shore, away from the influence of coarse clastic sediment input. The upper sedimentary units of the three lakes are dominated by fine-grained sediments, which only occasionally include ice-rafted dropstones. The postglacial sediments comprise clastic stillwater laminites at Lake Beaver, finely laminated turbidites in Lake Radok, and algal laminites in Lake Terrasovoje.  Apart from Lake Terrasovoje the timing of the lithological change is hard to determine, because of missing age constraints. At Lake Terrasovoje, the postglacial sequence started at approximately 12.4 cal. ka BP, suggesting an late Pleistocene age for the underlying glacial sediments. Sedimentological features, changes in sedimentation rates, and the compositional variability of the organic-rich postglacial laminites in Lake Terrasovoje point to variations in the palaeolimnic environment in terms of ice cover, biological productivity, lake level, redox conditions, and salinity that can be related to the regional Holocene climate history. Further evidence arises from the structure, composition, and thickness variations of the laminae, which basically consist of alternations of algal mats (cyanobacteria) and fine-clastic layers. The counting of laminae couplets reveal changes in the depositional enviroment at sub-decadal time scales that partly might include annual layering. Under the consideration of all sedimentological facies indicators, the postglacial laminite sequence of Lake Terrasovoje documents an early Holocene climate optimum between 9 and 7 cal. ka as well as two warm spells between 3.2 and 2.3 cal. ka and 1.5 and 1.0 cal. ka, respectively.  In comparison with ice-core records and lake records from other East Antarctic ice-free regions, it becomes evident that the appearence of warm episodes does not follow a consistent spatial-temporal pattern. Common trends comprise the existence of an early Holocene climate optimum, as seen in the ice-core records and in the Amery Oasis, and several warm episodes in the middle to late Holocene that are often time-transgressive. The cause of this inconsistent pattern probably can be explained by local boundary conditions that affect the study sites, such as topography, maritime influences and the distance to glacial ice. Therefore, many climate reconstructions basically document local climate rather than overregional Antarctic climate. In conclusion, there is need for ongoing palaeoclimatic studies in East Antarctica and the establishment of a dense network of study sites to distinguish and validate local from overregional palaeoclimatic fingerprints.
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Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7980
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