Timothy Oluwatobi Tella

• 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 levelThe 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.…
• 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 derDie 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.…