Palaeooceanographic modeling in global and regional scale [Elektronische Ressource] : an example from the Burdigalian Seaway, Upper Marine Molasse (Early Miocene) / vorgelegt von Ulrich Bieg

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• Publié par: eberhard_karls_universitat_tubingen
• Publié le: 01 janvier 2005
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Extrait

Palaeooceanographicmodelingin
globalandregionalscale:
An example from the Burdigalian Seaway
Upper Marine Molasse (Early Miocene)
Dissertation
Zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften
der Geowissenschaftlichen Fakultat¨
der Eberhard Karls Universit at¨ Tubingen¨
vorgelegt von
Ulrich Bieg
aus Aalen
2005Tag der mund¨ lichen Pruf¨ ung: 16.12.2005
Dekan: Prof. K.-G. Nickel, Ph.D.
1. Berichterstatter : PD Dr. M.-P. Suss¨
2. Ber : PD Dr. J. Kuhlemann
iiS U M M A R Y
This thesis consits of 5 major parts. Most of the chapters are separate publications (mainly pub-
lished, under review or in preparation).
Chapter 1: A general introduction is given to the reader on the control of foreland basins. After the
numerical background of the global and regional M simulations, a workflow is outlined, to process2
geocoded ArcView data towards a 3D gOcad model, generating input files for Quoddy. Quoddy is a
Fortran77 finite element program that simulates tides and velocity fields in shallow waters.
Chapter 2: An introduction to the palaeogeography of the early Miocene in global scale is given in
chapter 2. The study presents the results of a global tidal M simulation. Aim of the study is to2
evaluate proper tidal amplitudes at the open gateways of the Burdigalian Seaway, which linked the
western Mediterranean (Marseille, France) with the Paratethys (Linz, Austria). The derived tidal
amplitudes are used to drive the shallow water model in chapter 3.
Bieg, U., Thomas, M., Cordero, F., Suss,¨ M.P., Kuhlemann J. (2003): Global M Simulation2
for the Early Miocene delivering border conditions for a forthcoming tidal simulation of the Circum-
Mediterranean realm; Zbl. Geol. Pala¨ont. Teil I, Heft 3/4, 259-276.
Chapter3: Astratigraphicandpalaeogegraphicframeworkisestablishedforthemaximumfloodingof
the peri-Alpine foreland basin during the OMM. Shallow water simulations are introduced, providing
information on the tidal response and meso-scale currents of the seaway, using different boundary
conditions. The simulations are driven by M waves and provide information on tidal amplitudes and2
bottom velocities. Calculated residual currents yield insights into net-sediment transport directions.
Bieg, U., Suss,¨ M.P., Kuhlemann J. (accepted): Simulation of Tidal Flow and Circulation
Patterns in the Burdigalian Seaway (Upper Marine Molasse, Early Miocene); IAS Special Publica-
tion.
Chapter 4: A field study in SW Germany is carried out to develop a sequence stratigraphic model,
which allows to correlate marginal sequences with the basin. The nearshore cross-bedded Randen-
grobkalkwasevaluatedfortidal-/wave-orcurrentinfluences. Thesuccessionsareseparatedindifferent
facies types according to the ratio of siliciclastics (quarz grains) to carbonate (fossiliferous debris),
sedimentary structures and microfacies.
iiiSummary
Chapter5: Thischapterrespansthequestionwhichboundaryconditionsmayhavedriventheregional
currents in the Burdigalian Seayway. A twofold approach has been carried out. (1) Enhanced palaeo-
geographic reconstructions for the circum-Mediterranean realm have been used for further global M2
simulations. This yields a tidal range, which might have co-oscillated with the open gateways of the
Burdigalian Seaway, giving us a conservative but also an optimistic idea about the expected tidal am-
plitudes. (2) To accomodate the shift of tidal loci, during the transgression, palaeogeographic sketch
maps have been derived for the OMM key stages. To generate an overall idea about net-sediment
transport directions, the regional model of the Burdigalian Seawy was also forced by wind and fresh
water influx from the surrounding rivers and fan deltas. This yields information on the sensitivity of
residual velocities in terms of the different driving forces.
ivZ U S A M M E N F A S S U N G
Die Doktorarbeit gliedert sich in 5 Kapitel. Bei den Kapiteln handelt es sich um einzelne Studien,
die bereits publiziert wurden, sich im Begutachtungsprozeß befinden oder als Manuskript vorliegen.
¨Kapitel 1: Das erste Kapitel vermittelt einen Uberblick ub¨ er die Steuerungsmechanismen von Vor-
landbecken. Daru¨ber hinaus werden die numerischen Methoden und ein ”Workflow” vorgestellt, wie
man von einer ArcView Anwendung mit Liniendaten ub¨ er ein 3D Gittermodell in gOcad zu den
Geometrie- und Parameter-Dateien kommt, die als Eingabe fur¨ Quoody (einem Fortran77 Finite-
Elemente Programm zur Modellierung von Gezeiten und Str¨omungen) benutzen werden.
Kapitel 2: Im zweiten Kapitel findet der Leser eine Einfuh¨ rung in die globale pal¨aogeographische
Entwicklung des fruh¨ en Miozan¨ s. Basierend auf einer Rekonstruktion der Kontinent/Meer Verteilung
wird eine globale Simulation der halbt¨agigen, durch den Mond gesteuerten Gezeitenwelle (M )2
vorgestellt. Ziel der Studie ist es fu¨r den pal¨aogeograpisch stark ver¨anderten Mittelmeerraum
Gezeitenamplituden abzuleiten und diese fur¨ das in Kapitel 3 vorgestellte Flachwassermodell als
Randbedingung zu verwenden.
Bieg, U., Thomas, M., Cordero, F., Suss,¨ M.P., Kuhlemann J. (2003): Global M Simulation2
for the Early Miocene delivering border conditions for a forthcoming tidal simulation of the Circum-
Mediterranean realm; Zbl. Geol. Pal¨aont. Teil I, Heft 3/4, 259-276.
Kapitel 3: Das Flachwassermodell umfaßt den Burdigalischen Seeweg, der sich von Marseille
¨(Frankreich) bis Linz (Osterreich) erstreckt. Er verbindet die aktiven Gezeitenmeere des Mittelmeer-
raums mit der Paratehys. Kapitel 3 fu¨hrt in die Ausbreitung von Gezeitenwellen ein und erkl¨art
wie es durch die spezielle Beckengeometrie zu einer Verst¨arkung der Gezeitenwirkung kommen kann.
Dabei werden verschiedene Randparameter benutzt und die Simulationsergebnisse erkl¨art. Neben
den berechneten Gezeitenamplituden werden besonders die Geschwindigkeitsfelder untersucht. Ziel
ist es die Netto-Sedimenttransportrichtung fu¨r unterschiedliche Randbedingungen zu er¨ortern.
Bieg, U., Suss,¨ M.P., Kuhlemann J. (accepted): Simulation of Tidal Flow and Circulation
Patterns in the Burdigalian Seaway (Upper Marine Molasse, Early Miocene); IAS Special Publica-
tion.
Kapitel 4: In Kapitel 4 wird eine Feldstudie vorgestellt. Ziel der Studie ist es, ein sequenz-
stratigraphisches Modell fu¨r die kustenn¨ ahen OMM Ablagerungen w¨ahrend der maximalen Trans-
gression zu entwerfen. Auf dieser Grundlage ist es m¨oglich, rand- und beckenw¨artige OMM Ab-
vZusammenfassung
folgen stratigraphisch zu korrelieren. Der an der nord¨ lichen Ku¨ste abgelagerten Randengrobkalk
(Raum Tengen) wurde dazu anhand seiner Mikrofazies, den Sedimentstrukturen und der Lithofazies
in verschiedene Fazies Bereiche untergliedert. Dabei wurde neben Sequenzgrenzen auch die maximale
¨Uberflutungsfl¨ache definiert.
Kapitel 5: Abgeschlossen wird die Arbeit mit einer Studie bei der neben erweiterten globalen Gezeit-
ensimulationen auch Flachwassersimulationen vorgestellt werden, die sowohl durch Gezeiten, als auch
durchWindundSußw¨ asszufluss¨ eangetriebenwerden. GrundlagederFlachwassersimulationenisteine
detailierte pal¨aogeographische Rekonstruktion des Nordalpinen Vorlandbeckens fu¨r unterschiedliche
Ausdehnungszust¨andedesOMMMeeres. DieseerlaubenesdieVerand¨ erungdesGezeitensystemshin-
sichtlich der Lage der amphidromischen Systeme und der Gezeitenamplituden zu erkl¨aren. Dadurch
daß das Flachwassermodell neben den Gezeiten auch durch Wind und Su¨sswasserzufluss¨ e angetrieben
wird, erlaubt dies eine allumfassende Beurteilung des Netto-Sedimenttransports.
viContents
Summary iii
Zusammenfassung v
1 Introduction&Methods 1
1.1 Aim & Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The North Alpine Foreland Basin (NAFB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 General introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Basin fill history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 Interplay between Alpine tectonics and foreland basin evolution . . . . . . . . . 5
1.3 Numerical Methods and Workflow to generate a shelf-scale shallow water model . . . . 7
1.3.1 Generation of a 3D Palaeogeographic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 The prognostic time domain model - QUODDY . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Global M2 Simulation for the Early Miocene delivering border conditions for a forthcoming tidal simulation of the
Circum Mediterraneanrealm 17
2.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.1 Palaeogeography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.2 The numerical tidal model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Global Palaeogeography of the early Miocene 18 Ma . . . . . . . . .