Sedimentology, facies and diagenesis of warm-temperate carbonates on a tectonically structured island shelf [Elektronische Ressource] : key studies from Rhodes, Greece / vorgelegt von Jürgen Paul Herbert Titschack

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Sedimentology, facies and diagenesis of warm-temperate carbonates on a tectonically structured island shelf: key studies from Rhodes, GreeceDen Naturwissenschaftlichen Fakultätender Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergzurErlangung des Doktorgradesvorgelegt vonJürgen Paul Herbert TitschackausDarmstadtAls Dissertation genehmigt von den Naturwissen-schaftlichen Fakultäten der Universität Erlangen-NürnbergTag der mündlichen Prüfung: 3.11.2006Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. D.-P. HäderErstberichterstatter: Prof. Dr. A. FreiwaldZweitberichterstatter: Prof. Dr. W. BuggischDrittberichterstatter: Prof. Dr. T. BrachertTo my fatherZusammenfassungRezente und fossile Kaltwasserkarbonate, besonders von off enen Schelfen, repräsentieren ein zentrales Forschungsgebiet während der letzten Jahrzehnte. Im Gegensatz dazu sind Untersuchungen von tektonisch aktiven Gebieten mit einem rapide veränderlichen Relief bis heute selten. Die vorliegende Doktorarbeit umfaßt drei Fallstudien verschiedener Ablagerungsräume: (1) gebunden an submarine Steilwände, (2) gebunden an submarine Höhen und (3) subaerische Ablagerungsräume. Ziel war es, einen detaillierten Einblick in die Faziesvariabilität, die sedimentären Prozesse und die kontrollierenden Parameter dieser sedimentären Systeme zu geben.
Publié le : dimanche 1 janvier 2006
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Sedimentology, facies and diagenesis of warm-temperate
carbonates on a tectonically structured island shelf:
key studies from Rhodes, Greece
Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur
Erlangung des Doktorgrades
vorgelegt von
Jürgen Paul Herbert Titschack
aus
DarmstadtAls Dissertation genehmigt von den Naturwissen-
schaftlichen Fakultäten der Universität Erlangen-Nürnberg
Tag der mündlichen Prüfung: 3.11.2006
Vorsitzender der
Promotionskommission: Prof. Dr. D.-P. Häder
Erstberichterstatter: Prof. Dr. A. Freiwald
Zweitberichterstatter: Prof. Dr. W. Buggisch
Drittberichterstatter: Prof. Dr. T. BrachertTo my fatherZusammenfassung
Rezente und fossile Kaltwasserkarbonate, besonders von off enen Schelfen, repräsentieren ein zentrales
Forschungsgebiet während der letzten Jahrzehnte. Im Gegensatz dazu sind Untersuchungen von tektonisch
aktiven Gebieten mit einem rapide veränderlichen Relief bis heute selten. Die vorliegende Doktorarbeit
umfaßt drei Fallstudien verschiedener Ablagerungsräume: (1) gebunden an submarine Steilwände, (2)
gebunden an submarine Höhen und (3) subaerische Ablagerungsräume. Ziel war es, einen detaillierten
Einblick in die Faziesvariabilität, die sedimentären Prozesse und die kontrollierenden Parameter dieser
sedimentären Systeme zu geben. Bedingt durch die Variabilität der untersuchten Ablagerungsräume und
der Fazies mußte eine angepaßte Methodik für jede Fallstudie verwendet werden.
Die plio-pleistozänen warm-temperierten Karbonate von Rhodos wurden in einer tektonisch
aktiven Region nahe dem hellenischen Bogen, an dem die afrikanische unter die europäische Platte
subduziert wird, abgelagert. Diese tektonisch dynamische Umgebung beeinfl ußte die stratigraphische,
topographische und sedimentologische Geschichte der Insel. Dies spiegelt sich ebenfalls in dem stark
strukturierten Inselschelf mit einem steilen Paläorelief wider, das durch die NW-SE verlaufenden
Mikrograbensysteme hervorgerufen wird. Die plio-pleistozäne Stratigraphie beschreibt einen
übergeordneten Transgressions-Regressions-Zyklus, der während der maximalen Überfl utung bathyale
Tiefen im frühen Pleistozän erreichte. Der regressive Halbzyklus dauert bis heute an. Dieser Zyklus
ist in Mittel- und Kleinzyklen unterteilt, die tektonische Veränderungen oder glazial-interglaziale M
eeresspiegelschwankungen widerspiegeln. Ablagerungen auf dem tektonisch strukturierten Schelf von
Rhodos bildeten sich entlang submariner Steilwände, auf submarinen Höhen sowie unter subaerischen
Bedingungen entlang der Küste.
Sedimentäre Systeme gebunden an submarine Steilwände (Fallstudie 1) wurden entlang einer
Steilwand nahe Lindos, östliches Rhodos, untersucht. Der Aufschluß weist Ablagerungssysteme auf, die
in Mikrogräben, am Fuß von Steilwänden und in Spalten sowie Vertiefungen im Untergrund auft reten.
Karbonatproduktionsstätten waren an den submarinen Steilwänden entwickelt, die Substrat zur
Besiedlung bereitstellten. Die gebildeten Karbonate unterlagen einer wiederkehrenden Umlagerung. Die
ausgebildeten Sedimenttransportprozesse hingen hauptsächlich von dem Gefälle und der Verfügbarkeit
von feinem Matrixsediment ab. Als Umlagerungsprozesse konnten ‘rock falls’, ‘debris falls’, ‘grain fl ows’
und ‘debris fl ows’ unterschieden werden.
Autochthone Karbonatproduktionsstätten herrschten auf submarinen Hochs vor. Das untersuchte
warm-temperierte Rotalgenriff vom ‘Coralligène-Typ’ und der überlagernde Maerl von Plimiri (Fallstudie
2), südöstliches Rhodos, konnten mit der Elektronen-Spin-Resonanz Methode datiert werden. Die Alter
des primären Aragonites und neomorphen Kalzitsparites der Muschel Spondylus gaederopus, unterstützt
durch die Untersuchung der stabilen Sauerstoff - und Kohlenstoffi sotope dieser Muschel, erlaubten die
Korrelation der beobachteten Kleinzyklen mit spätpleistozänen Meeresspiegelschwankungen (Marines
Isotopenstadium (MIS) 5 – 1). Des weiteren konnte ein Intervall meteorischer Diagenese zeitlich dem
MIS 4 zugeordnet werden.
Im subaerischen Ablagerungsraum entwickelten sich unter anderem äolische Systeme entlang
der Küste. Der untersuchte Äolianit nahe Kattavia (Fallstudie 3), südwestliches Rhodos, weist eine
fl ache, schichtförmige Morphologie auf. Er ist in drei äolische Sequenzen durch ‘super (bounding)
surfaces’ unterteilt, die als Bodenhorizonte ausgebildet sind. Das Auft reten von Ooiden, als häufi ger
Sedimentbestandteil, wird als wichtige Beobachtung für die Paläoumwelt- und stratigraphische
Interpretation der Ablagerungen genutzt. Das Ooidvorkommen bei Kattavia stellt sowohl eines
der nördlichsten Ooidvorkommen im Quartär dar, als auch im gesamten Phanerozoikum und legt
subtropische bis tropische Bedingungen während der Ooidbildung nahe. Folglich wird eine interglaziale
Bildung der Ooide und anschließende glaziale Bildung der Äolianite angenommen, da durch die glaziale
Meeresspiegelabsenkung die Ooide zu diesem Zeitpunkt für einen äolischen Transport zur Verfügung
standen. Das Vorkommen von Ooiden in allen äolischen Sequenzen deutet auf mehrere Bildungsphasen
(während Warmzeiten) hin.
Alle untersuchten Ablagerungssysteme weisen eine starke Beeinfl ussung durch das Paläorelief auf.
Das Relief des Untergrundes kontrollierte wo, wie, wieviel und wie schnell Sediment abgelagert wurde.
Hierbei wurde der Akkommodationsraum der Ablagerungssysteme entlang submariner Steilwände
eher durch die Hangneigung der Ablagerungen als durch den Meeresspiegel bestimmt. Dagegen VI Zusammenfassung
wurde der Akkommodationsraum sedimentärer Systeme auf submarinen Höhen durch Meeresspiege
lschwankungen und in subaerisch äolischen Systemen durch das Klima kontrolliert. Folglich sollte in
sedimentären Systemen auf strukturierten Schelfen die bathymetrische Position und das sedimentäre
Milieu berücksichtigt werden.
Das komplexe Paläorelief des Untergrundes stellte Substrat und diverse ökologische Nischen zur
Verfügung, in denen sich hochdiverse warm-temperierte Biozönosen (Biodetritus Assoziationen)
bilden konnten, was sich auch in der hohen Faziesvariabilität widerspiegelt. Bedingt durch die laterale
Diskontinuität der Sedimente war die Integration mehrerer Aufschlüsse für die Rekonstruktion der
stratigraphischen Entwicklung notwendig.
Das Fehlen tropischer Faunenelemente in den marinen plio-pleistozänen Ablagerungen von Rhodos
ist überraschend, wenn man das Vorkommen der spätpleistozänen ooid-führenden Äolianite in
Betracht zieht, die, wenn auch nur zeitweise, subtropische bis tropische Verhältnisse nahe legen. Am
wahrscheinlichsten ist, daß die Einwanderung tropischer Faunenelemente zum einen durch die spezifi schen
paläogeographischen Konfi gurationen des Mittelmeeres und zum anderen durch die permanent warm-
temperierten Verhältnisse im westlichen Mittelmeer und angrenzenden Atlantik verhindert wurde. Eine
Beobachtung, die man bei der Interpretation sedimentärer Systeme in Randmeeren, sowohl heute als
auch im Fossilen, berücksichtigen sollte.Summary
Cool-water carbonates in modern as well as ancient environments, especially from open shelf settings,
have become a central topic of research during the last decades. Studies from tectonically active regions,
which are strongly infl uenced by a rapidly changing relief are rare today. Within this PhD thesis three
key studies were selected from Plio-Pleistocene warm-temperate deposits from the island of Rhodes in
diff erent palaeoenvironmental settings: (1) submarine cliff related, (2) submarine high related and (3)
subaerial environments, so that a detailed insight into the facies variability, sedimentary processes and
controlling parameters of sedimentary setting on highly structured island shelves could be given. Due
to the variability of the studied palaeoenvironments and facies each key study requested an adapted
method.
Th e Plio-Pleistocene warm-temperate carbonates of Rhodes were deposited in a tectonically active
region in the vicinity of the Hellenic Arc, where the African plate is progressively subducted underneath
the European plate. Th us, the stratigraphic, topographic and depositional history of Rhodes is largely
aff ected by the dynamic tectonic setting. Th is is also refl ected in the highly structured island shelf with a
steep palaeorelief accentuated by NW-SE oriented micrograben systems. Th e Plio-Pleistocene stratigraphy
records a large-scale transgressive-regressive cycle with maximal fl ooding conditions reaching bathyal
depth during the early Pleistocene. Th e regressive hemicycle lasts until today. Th is cycle is subdivided into
medium- and small-scale cycles refl ecting tectonic changes or glacial-interglacial sea-level fl uctuations.
Deposition on the tectonically structured shelf of Rhodes took place along submarine cliff faces, on
submarine highs and under subaerial conditions along the coast.
Sedimentary systems related to submarine cliff faces (key study 1) were studied along a basement
rock cliff close to Lindos, eastern Rhodes. Th e outcrop exhibits depositional systems, which are related
to micrograbens, to the foot of steep cliff s, to neptunian dykes and depressions in the basement rocks.
Carbonate factories developed on the fl anks, which provided substrates for organism settlement, and
underwent frequent redeposition. Redepositional events were most likely caused by earthquakes. Th e
process of redeposition depended predominantly on the slope angle and the availability of fi ne matrix
sediment. Redeposition via rock falls, debris falls, grain fl ows and debris fl ows are distinguished.
On the top of submarine highs autochthonous carbonate factories prevailed. Th e herein studied warm-
temperate coralligène-type red algal reef and succeeding maerl from Plimiri (key study 2), southeastern
Rhodes, could be dated with the Electron Spin Resonance (ESR) method. Th e ages of the primary
aragonite and neomorphic calcite spar of the bivalve Spondylus gaederopus, as well as oxygen and carbon
stable isotope analyses of this bivalve, allowed the correlation of the identifi ed small-scale sedimentary
cycles to Late Pleistocene sea-level fl uctuations (Marine Isotope Stage (MIS) 5 – 1). Furthermore, an
interval of meteoric diagenesis could be assigned to MIS 4.
In the subaerial environment, coastal aeolian systems developed commonly. Th e herein studied aeolianite
close to Kattavia (key study 3), southwestern Rhodes, exhibits a low-angle sheet-like morphology. It
is diff erentiated into three aeolian sequences bound by super (bounding) surfaces. Th e super surfaces
are developed as soil horizons. Th e occurrence of ooids as dominant sediment constituent in all three
sequences is used as important hint for the palaeoenvironmental and stratigraphic interpretation of the
deposits. Th e ooids from the Kattavia aeoliante represent one of the northern-most ooid occurrences in
the Quaternary, as well as in the Phanerozoic and suggest subtropical to tropical conditions during their
formation. Th erefore, an interglacial ooid formation and subsequent glacial aeolianite formation, when
the ooids were available for aeolian transport due to the glacial lowering of the sea level, is suggested.
Th e ooid occurrence in all aeolianite sequences suggests several phases (interglacials) favourable for their
formation.
All studied depositional systems exhibit a strong infl uence by the palaeorelief. Th e basement rock relief
controlled where, how, how much and how fast sediment was deposited. Th ereby, the accommodation
space of sedimentary systems related to submarine cliff faces was rather controlled by the slope angle of
the deposits than by sea level. In contrast, the accommodation space of sedimentary systems on submarine
highs was controlled by sea-level fl uctuations and by climate for the subaerial aeolian sedimentary setting.
Hence, the bathymetric position and sedimentary environment should be considered in sedimentary
systems on structured shelves.VIII Summary
Th e complex palaeorelief of the basement rocks provided substrates and diverse ecological niches
for manifold warm-temperate biocoenoses (skeletal associations). Consequently, the Plio-Pleistocene
deposits show a high facies variability. Due to their lateral discontinuity, the integration of several
outcrops was needed to reconstruct the stratigraphy.
Th e absence of tropical faunal elements in the marine Plio-Pleistocene deposits of Rhodes is surprising
if taking into account the presence of Late Pleistocene ooid-bearing aeolian deposits on the island,
suggesting frequent tropical conditions during this interval. Most likely, the specifi c palaeogeographic
confi guration of the Mediterranean Basin and the permanent warm-temperate climatic conditions in
the western Mediterranean Basin and adjacent Atlantic hindered the invasion of tropical elements. An
observation, which should be kept in mind when studying sedimentary systems in marginal seas, today
as well as in the fossil record.“… when Zeus and the immortals made division of the lands of earth, not yet to see was Rhodes, shining
upon the waves of sea, but the isle lay hidden deep within the salt sea’s folds. But for Helios no lot was drawn;
for he was absent, and they left him of broad earth no heritage, that holy god. And when he made known his
mischance, Zeus was in mind to portion out the lots again; but he allowed him not, for he said that beneath
the surge of sea his eyes had seen a land growing out of the depths, blessed with rich nourishment for men
and happy with teeming fl ocks.
… And there grew up from the watery wave this island (Rhodes), and great Helios who begets the fi erce
rays of the sun, holds her in his dominion, that ruler of the horses breathing fi re.”
(Pindar, 522 – 443 BC, Odes Olympian 7 ep3-ep4; http://theoi.com/Titan/Helios.html#Rhodes)

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