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Increasing interests in hydrocarbon resources at depths have drawn greater attentions to the deeply-buried carbonate reservoirs in the Tarim Basin in China. In this study, the cyclic dolomite rocks of Upper Cambrian Lower Qiulitag Group from four outcrop sections in northwestern Tarim Basin were selected to investigate and evaluate the petrophysical properties in relation to depositional facies and cyclicity. The Lower Qiulitag Group includes ten lithofacies, which were deposited in intermediate to shallow subtidal, restricted shallow subtidal, intertidal, and supratidal environments on a carbonate ramp system. These lithofacies are vertically stacked into repeated shallowing-upward, meter-scale cycles which are further grouped into six third-order depositional sequences (Sq1 to Sq6). There are variable types of pore spaces in the Lower Qiulitag Group dolomite rocks, including interparticle, intraparticle, and fenestral pores of primary origin, inter crystal, and vuggy pores of late diagenetic modification. The porosity in the dolomites is generally facies-selective as that the microbially-originated thrombolites and stromatolites generally yield a relatively high porosity. In contrast, the high-energy ooidal grainstones generally have very low porosity. In this case, the microbialite-based peritidal cycles and peritidal cycle-dominated highstand (or regressive) successions have relatively high volumes of pore spaces, although highly fluctuating (or vertical inhomogeneous). Accordingly, the grainstone-based subtidal cycles and subtidal cycle-dominated transgressive successions generally yield extremely low porosity. This scenario indicates that porosity development and preservation in the thick dolomite successions are primarily controlled by depositional facies which were influenced by sea-level fluctuations of different orders and later diagenetic overprinting.
The origin of Asian monsoons
(2020)
The Cenozoic inception and development of the Asian monsoons remain unclear and have generated much debate, as several hypotheses regarding circulation patterns at work in Asia during the Eocene have been proposed in the few last decades. These include (a) the existence of modern-like monsoons since the early Eocene; (b) that of a weak South Asian monsoon (SAM) and little to no East Asian monsoon (EAM); or (c) a prevalence of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) migrations, also referred to as Indonesian-Australian monsoon (I-AM). As SAM and EAM are supposed to have been triggered or enhanced primarily by Asian palaeogeographic changes, their possible inception in the very dynamic Eocene palaeogeographic context remains an open question, both in the modelling and field-based communities. We investigate here Eocene Asian climate conditions using the IPSL-CM5A2 (Sepulchre et al., 2019) earth system model and revised palaeogeographies. Our Eocene climate simulation yields atmospheric circulation patterns in Asia substantially different from modern conditions. A large high-pressure area is simulated over the Tethys ocean, which generates intense low tropospheric winds blowing southward along the western flank of the proto-Himalayan-Tibetan plateau (HTP) system. This low-level wind system blocks, to latitudes lower than 10 degrees N, the migration of humid and warm air masses coming from the Indian Ocean. This strongly contrasts with the modern SAM, during which equatorial air masses reach a latitude of 20-25 degrees N over India and southeastern China. Another specific feature of our Eocene simulation is the widespread subsidence taking place over northern India in the midtroposphere (around 5000 m), preventing deep convective updraught that would transport water vapour up to the condensation level. Both processes lead to the onset of a broad arid region located over northern India and over the HTP. More humid regions of high seasonality in precipitation encircle this arid area, due to the prevalence of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) migrations (or Indonesian-Australian monsoon, I-AM) rather than monsoons. Although the existence of this central arid region may partly result from the specifics of our simulation (model dependence and palaeogeographic uncertainties) and has yet to be confirmed by proxy records, most of the observational evidence for Eocene monsoons are located in the highly seasonal transition zone between the arid area and the more humid surroundings. We thus suggest that a zonal arid climate prevailed over Asia before the initiation of monsoons that most likely occurred following Eocene palaeogeographic changes. Our results also show that precipitation seasonality should be used with caution to infer the presence of a monsoonal circulation and that the collection of new data in this arid area is of paramount importance to allow the debate to move forward.
The origin of Asian monsoons
(2020)
The Cenozoic inception and development of the Asian monsoons remain unclear and have generated much debate, as several hypotheses regarding circulation patterns at work in Asia during the Eocene have been proposed in the few last decades. These include (a) the existence of modern-like monsoons since the early Eocene; (b) that of a weak South Asian monsoon (SAM) and little to no East Asian monsoon (EAM); or (c) a prevalence of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) migrations, also referred to as Indonesian-Australian monsoon (I-AM). As SAM and EAM are supposed to have been triggered or enhanced primarily by Asian palaeogeographic changes, their possible inception in the very dynamic Eocene palaeogeographic context remains an open question, both in the modelling and field-based communities. We investigate here Eocene Asian climate conditions using the IPSL-CM5A2 (Sepulchre et al., 2019) earth system model and revised palaeogeographies. Our Eocene climate simulation yields atmospheric circulation patterns in Asia substantially different from modern conditions. A large high-pressure area is simulated over the Tethys ocean, which generates intense low tropospheric winds blowing southward along the western flank of the proto-Himalayan-Tibetan plateau (HTP) system. This low-level wind system blocks, to latitudes lower than 10 degrees N, the migration of humid and warm air masses coming from the Indian Ocean. This strongly contrasts with the modern SAM, during which equatorial air masses reach a latitude of 20-25 degrees N over India and southeastern China. Another specific feature of our Eocene simulation is the widespread subsidence taking place over northern India in the midtroposphere (around 5000 m), preventing deep convective updraught that would transport water vapour up to the condensation level. Both processes lead to the onset of a broad arid region located over northern India and over the HTP. More humid regions of high seasonality in precipitation encircle this arid area, due to the prevalence of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) migrations (or Indonesian-Australian monsoon, I-AM) rather than monsoons. Although the existence of this central arid region may partly result from the specifics of our simulation (model dependence and palaeogeographic uncertainties) and has yet to be confirmed by proxy records, most of the observational evidence for Eocene monsoons are located in the highly seasonal transition zone between the arid area and the more humid surroundings. We thus suggest that a zonal arid climate prevailed over Asia before the initiation of monsoons that most likely occurred following Eocene palaeogeographic changes. Our results also show that precipitation seasonality should be used with caution to infer the presence of a monsoonal circulation and that the collection of new data in this arid area is of paramount importance to allow the debate to move forward.
Der zentralasiatische Naturraum, wie er sich uns heute präsentiert, ist das Ergebnis eines Zusammenwirkens vieler verschiedener Faktoren über Jahrmillionen hinweg. Im aktuellen Kontext des Klimawandels zeigt sich jedoch, wie stark sich Stoffflüsse auch kurzfristig ändern und dabei das Gesicht der Landschaft verwandeln können. Die Gobi-Wüste in der Inneren Mongolei (China), als Teil der gleichnamigen Trockenregionen Nordwestchinas, ist aufgrund der Ausgestaltung ihrer landschaftsprägenden Elemente sowie ihrer Landschaftsdynamik, im Zusammenhang mit der Lage zum Tibet-Plateau, in den Fokus der klimageschichtlichen Grundlagenforschung gerückt. Als großes Langzeitarchiv unterschiedlichster fluvialer, lakustriner und äolischer Sedimente stellt sie eine bedeutende Lokalität zur Rekonstruktion von lokalen und regionalen Stoffflüssen dar.. Andererseits ist die Gobi-Wüste zugleich auch eine bedeutende Quelle für den überregionalen Staubtransport, da sie aufgrund der klimatischen Bedingungen insbesondere der Erosion durch Ausblasung preisgegeben wird. Vor diesem Hintergrund erfolgten zwischen 2011 und 2014, im Rahmen des BMBF-Verbundprogramms WTZ Zentralasien – Monsundynamik & Geoökosysteme (Förderkennzeichen 03G0814), mehrere deutsch-chinesische Expeditionen in das Ejina-Becken (Innere Mongolei) und das Qilian Shan-Vorland. Im Zuge dieser Expeditionen wurden für eine Bestimmung potenzieller Sedimentquellen erstmals zahlreiche Oberflächenproben aus dem gesamten Einzugsgebiet des Heihe (schwarzer Fluss) gesammelt. Zudem wurden mit zwei Bohrungen im inneren des Ejina-Beckens, ergänzende Sedimentbohrkerne zum bestehenden Bohrkern D100 (siehe Wünnemann (2005)) abgeteuft, um weit reichende, ergänzende Informationen zur Landschaftsgeschichte und zum überregionalen Sedimenttransfer zu erhalten. Gegenstand und Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist die sedimentologisch-mineralogische Charakterisierung des Untersuchungsgebietes in Bezug auf potenzielle Sedimentquellen und Stoffflüsse des Ejina-Beckens sowie die Rekonstruktion der Ablagerungsgeschichte eines dort erbohrten, 19m langen Sedimentbohrkerns (GN100). Schwerpunkt ist hierbei die Klärung der Sedimentherkunft innerhalb des Bohrkerns sowie die Ausweisung von Herkunftssignalen und möglichen Sedimentquellen bzw. Sedimenttransportpfaden. Die methodische Herangehensweise basiert auf einem Multi-Proxy-Ansatz zur Charakterisierung der klastischen Sedimentfazies anhand von Geländebeobachtungen, lithologisch-granulometrischen und mineralogisch-geochemischen Analysen sowie statistischen Verfahren. Für die mineralogischen Untersuchungen der Sedimente wurde eine neue, rasterelektronenmikroskopische Methode zur automatisierten Partikelanalyse genutzt und den traditionellen Methoden gegenübergestellt. Die synoptische Betrachtung der granulometrischen, geochemischen und mineralogischen Befunde der Oberflächensedimente ergibt für das Untersuchungsgebiet ein logisches Kaskadenmodell mit immer wiederkehrenden Prozessbereichen und ähnlichen Prozesssignalen. Die umfangreichen granulometrischen Analysen deuten dabei auf abnehmende Korngrößen mit zunehmender Entfernung vom Qilian Shan hin und ermöglichen die Identifizierung von vier texturellen Signalen: den fluvialen Sanden, den Dünensanden, den Stillwassersedimenten und Stäuben. Diese Ergebnisse können als Interpretationsgrundlage für die Korngrößenanalysen des Bohrkerns genutzt werden. Somit ist es möglich, die Ablagerungsgeschichte der Bohrkernsedimente zu rekonstruieren und in Verbindung mit eigenen und literaturbasierten Datierungen in einen Gesamtkontext einzuhängen. Für das Untersuchungsgebiet werden somit vier Ablagerungsphasen ausgewiesen, die bis in die Zeit des letzten glazialen Maximums (LGM) zurückreichen. Während dieser Ablagerungsphasen kam es im Zuge unterschiedlicher Aktivitäts- und Stabilitätsphasen zu einer kontinuierlichen Progradation und Überprägung des Schwemmfächers. Eine besonders aktive Phase kann zwischen 8 ka und 4 ka BP festgestellt werden, während der es aufgrund zunehmender fluvialer Aktivitäten zu einer deutlich verstärkten Schwemmfächerdynamik gekommen zu sein scheint. In den Abschnitten davor und danach waren es vor allem äolische Prozesse, die zu einer Überprägung des Schwemmfächers geführt haben. Hinsichtlich der mineralogischen Herkunftssignale gibt es eine große Variabilität. Dies spiegelt die enorme Heterogenität der Geologie des Untersuchungsgebietes wider, wodurch die räumlichen Signale nicht sehr stark ausgeprägt sind. Dennoch, können für das Einzugsgebiet drei größere Bereiche deklariert werden, die als Herkunftsgebiet in Frage kommen. Das östliche Qilian Shan Vorland zeichnet sich dabei durch deutlich höhere Chloritgehalte als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken aus. Sie unterscheiden sich insbesondere durch stark divergierende Chloritgehalte in der Tonmineral- und Gesamtmineralfraktion, was das östliche Qilian Shan Vorland als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken auszeichnet. Dies steht in Zusammenhang mit den Grünschiefern, Ophioliten und Serpentiniten in diesem Bereich. Geochemisch deutet vor allem das Cr/Rb-Verhältnis eine große Variabilität innerhalb des Einzugsgebietes an. Auch hier ist es das östliche Vorland, welches aufgrund seines hohen Anteils an mafischen Gesteinen reich an Chromiten und Spinellen ist und sich somit vom restlichen Untersuchungsgebiet abhebt. Die zeitliche aber auch die generelle Variabilität der Sedimentherkunft lässt sich in den Bohrkernsedimenten nicht so deutlich nachzeichnen. Die mineralogisch-sedimentologischen Eigenschaften der erbohrten klastischen Sedimente zeugen zwar von zwischenzeitlichen Änderungen bei der Sedimentherkunft, diese sind jedoch nicht so deutlich ausgeprägt, wie es die Quellsignale in den Oberflächensedimenten vermuten lassen. Ein Grund dafür scheint die starke Vermischung unterschiedlichster Sedimente während des Transportes zu sein. Die Kombination der Korngrößenergebnisse mit den Befunden der Gesamt- und Schwermineralogie deuten darauf hin, dass es zwischenzeitlich eine Phase mit überwiegend äolischen Prozessen gegeben hat, die mit einem Sedimenteintrag aus dem westlichen Bei Shan in Verbindung stehen. Neben der Zunahme ultrastabiler Schwerminerale wie Zirkon und Granat und der Abnahme opaker Schwerminerale, weisen vor allem die heutigen Verhältnisse darauf hin. Der Vergleich der traditionellen Schwermineralanalyse mit der Computer-Controlled-Scanning-Electron-Microscopy (kurz: CCSEM), die eine automatisierte Partikelauswertung der Proben ermöglicht, zeigt den deutlichen Vorteil der modernen Analysemethode. Neben einem zeitlichen Vorteil, den man durch die automatisierte Abarbeitung der vorbereiteten Proben erlangen kann, steht vor allem die deutlich größere statistische Signifikanz des Ergebnisses im Vordergrund. Zudem können mit dieser Methode auch chemische Varietäten einiger Schwerminerale bestimmt werden, die eine noch feinere Klassifizierung und sicherere Aussagen zu einer möglichen Sedimentherkunft ermöglichen. Damit ergeben sich außerdem verbesserte Aussagen zu Zusammensetzungen und Entstehungsprozessen der abgelagerten Sedimente. Die Studie verdeutlicht, dass die Sedimentherkunft innerhalb des Untersuchungsgebietes sowie die ablaufenden Prozesse zum Teil stark von lokalen Gegebenheiten abhängen. Die Heterogenität der Geologie und die Größe des Einzugsgebietes sowie die daraus resultierende Komplexität der Sedimentgenese, machen exakte Zuordnungen zu klar definierten Sedimentquellen sehr schwer. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass die Sedimentzufuhr in das Ejina-Becken in erster Linie durch fluviale klastische Sedimente des Heihe aus dem Qilian Shan erfolgt sein muss. Die Untersuchungsergebnisse zeigen jedoch ebenso die Notwendigkeit einer ergänzenden Bearbeitung angrenzender Untersuchungsgebiete, wie beispielsweise den Gobi-Altai im Norden oder den Beishan im Westen, sowie die Verdichtung der Oberflächenbeprobung zur feineren Auflösung von lokalen Sedimentquellen.