Sedimentary environments and climate change [Elektronische Ressource] : a case study (late Miocene, central Crete) / Karsten Friedrich Kröger

. . Seeboorapha

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• Publié le: 01 janvier 2005
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Extrait

Sedimentary environments and climate change:
a case study (late Miocene, central Crete)








Dissertation
Zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften


Am Fachbereich Geowissenschaften
Der Johannes Gutenberg-Universität Mainz


Karsten Friedrich Kröger
geb. am 29.12.1972 in Hamburg







Mainz 2004 Abstract

In this study, conditions of deposition and stratigraphical architecture of Neogene (Tortonian,
11-6,7Ma) sediments of southern central Crete were analysed. In order to improve resolution
of paleoclimatic data, new methods were applied to quantify environmental parameters and to
increase the chronostratigraphic resolution in shallow water sediments. A relationship
between paleoenvironmental change observed on Crete and global processes was established
and a depositional model was developed.
Based on a detailed analysis of the distribution of non geniculate coralline red algae, index
values for water temperature and water depth were established and tested with the distribution
patterns of benthic foraminifera and symbiont-bearing corals.
Calcite shelled bivalves were sampled from the Algarve coast (southern Portugal) and central
87 86Crete and then Sr/ Sr was measured. A high resolution chronostratigraphy was developed
based on the correlation between fluctuations in Sr ratios in the measured sections and in a
late Miocene global seawater Sr isotope reference curve. Applying this method, a time frame
was established to compare paleoenvironmental data from southern central Crete with global
information on climate change reflected in oxygen isotope data.
The comparison between paleotemperature data based on red algae and global oxygen isotope
data showed that the employed index values reflect global change in temperature. Data
indicate a warm interval during earliest Tortonian, a second short warm interval between 10
and 9,5Ma, a longer climatic optimum between 9 and 8Ma and an interval of increasing
temperatures in the latest Tortonian. The distribution of coral reefs and carpets shows that
during the warm intervals, the depositional environment became tropical while temperate
climates prevailed during the cold interval.
Since relative tectonic movements after initial half-graben formation in the early Tortonian
were low in southern central Crete, sedimentary successions strongly respond to global sea-
rdlevel fluctuation. A characteristic sedimentary succession formed during a 3 order sea-level
cycle: It comprises mixed siliciclastic-limestone deposited during sea-level fall and lowstand,
homogenous red algal deposits formed during sea-level rise and coral carpets formed during
late rise and highstand. Individual beds in the succession reflect glacioeustatic fluctuations
that are most prominent in the mixed siliciclastic-limestone interval.
These results confirm the fact that sedimentary successions deposited at the critical threshold
between temperate and tropical environments develop characteristic changes in depositional
systems and biotic associations that can be used to assemble paleoclimatic datasets.
II
Kurzfassung

Zur Voraussage der Auswirkungen der heutzutage beobachteten Klimaerwärmung ist es
wichtig, genaue Klimadaten aus der geologischen Vergangenheit zu gewinnen, mit deren
Hilfe Klimamodelle getestet werden können. Eine genaue Kenntnis der Auswirkungen
globaler Klimaschwankungen auf marine Ablagerungsräume ist hierzu erforderlich. Ziel
dieser Arbeit ist es, Methoden aufzuzeigen, um diese Zusammenhänge genauer zu erfassen
und die Verbindung zu globalen Prozessen herzustellen. Zu diesem Zweck wurden Sedimente
des jüngeren Tertiärs (Torton, 11-6,7Ma) untersucht, die im südlichen Zentralkreta exzellent
aufgeschlossen sind.
Die Analyse der stratigraphischen Architektur und der Entwicklung der Geometrie des
Ablagerungsraums ergab, dass die Sedimentation in einem tektonisch aktiven, E-W
orientierten Halbgrabensystem begann. Im Laufe des Tortons kam es zu einer Änderung des
Spannungsfeldes, woraus eine zunehmende Fragmentierung des Beckens unter anhaltend
starker Absenkung resultierte. Im Zuge abnehmender tektonischer Aktivität verminderte sich
auch der Eintrag von Siliziklastika und es bildete sich ein Rampensystem, in dem vor allem
kalkige Sedimente abgelagert wurden.
Zur Untersuchung der Umweltbedingungen zur Zeit der Ablagerung der Kalksteine erwiesen
sich nicht-geniculate coralline Rotalgen als wertvolle Indikatoren für Wassertemperatur und -
tiefe. Durch detaillierte Bestimmung der im Torton auf Kreta vorkommenden Rotalgentaxa
ließen sich Index-Werte zur Quantifizierung von Wassertiefe und -temperatur aufstellen und
an der Verbreitung anderer Organismen wie benthischen Foraminiferen und Korallen testen.
Auf der Basis von an kalzitschaligen Muscheln aus Portugal (Algarve) und Zentralkreta
87 86gemessenen Sr/ Sr-Daten wurde eine Methode der hochauflösenden Sr-Chronostratigraphie
entwickelt. Diese Methode basiert auf der Korrelation von Fluktuationen in den Sr-Kurven
gemessener Profile mit Fluktuationen in einer globalen Meerwasser-Referenzkurve aus dem
späten Miozän. Auf diese Weise ließen sich die auf der Analyse von Umweltindikatoren
beruhenden Klimadaten von Kreta in einen zeitlichen Rahmen setzen und mit globalen
Klimasignalen vergleichen, wie sie sich in Sauerstoff - Isotopenverhältnissen widerspiegeln.
Der Vergleich zwischen Paläotemperaturdaten auf der Basis von Rotalgen mit der globalen
Sauerstoffisotopenkurve hat gezeigt, dass die verwendeten Index-Werte globale
Temperaturschwankungen abbilden. Die Daten belegen eine Warmphase im frühesten Torton,
eine weitere kurze Warmphase zwischen 10 und 9,5 Ma, ein längeres klimatisches Optimum
III zwischen 9 und 8Ma, sowie eine Phase der Erwärmung im spätesten Torton. Diese
Warmphasen sind auch durch das Auftreten von zum Teil Riff-bildenden Korallen mit
Symbionten belegt. Dabei führte das längere klimatische Optimum zur flächendeckenden
Verbreitung von Korallenteppichen. Lokal erhöhte Nährstoffkonzentrationen schränkten die
Verbreitung von Korallenriffen und –teppichen im Untertorton ein. Dagegen konnten
aufgrund der vorgefundenen Foraminiferenvergesellschaftungen insgesamt hohe
Nährstoffkonzentrationen für das Obertorton ausgeschlossen werden.
Weit verbreitete sedimentäre Markerhorizonte spiegeln globale Meeresspiegelschwankungen
wider. Solche eustatischen Einflüsse sind sowohl durch die Korrelation mit der Sr-
Isotopenkurve als auch durch die auf Rotalgenvergesellschaftungen beruhende
Wassertiefenkurve belegt. Durch den Einfluß langfristiger eustatischer Schwankungen auf die
Topographie des Ablagerungsraumes entstand über eine Dauer von mehreren Millionen
Jahren eine charakteristische Sedimentabfolge. Diese Abfolge entspricht der Dauer eines
eustatischen Zyklus dritter Ordnung. Die vorgefundenen Merkmale eines solchen Zyklus sind
gemischt siliziklastisch-karbonatische Sedimente, die während eines Meeresspiegelfalls und –
tiefstands abgelagert werden, ungeschichtete Rotalgenkalke, die während eines ansteigenden
Meeresspiegels entstehen und Korallenteppiche, die in der späten Phase des Anstiegs oder
während des Meeresspiegelhochstands gebildet werden. Letzterer entspricht der wärmsten
Phase des Zyklus, während der die polare Eisakkumulation am geringsten ist. Einzelne
Schichten bilden wiederum kurzfristigere glazioeustatische Schwankungen ab. Diese treten
am deutlichsten in den gemischt siliziklastisch-karbonatischen Ablagerungen hervor.
Die vorherrschende Topographie des Ablagerungsraumes, der eine dem Meer zugewandten
Rampe darstellt, konnte nur dadurch erhalten bleiben, dass in dem Abschnitt der Rampe
unterhalb der Sturmwellenbasis signifikante Sedimentmengen durch lichtabhängige
Organismen gebildet wurden. Über geologische Zeiträume stabile Karbonatrampen sollten
sich daher präferenziell in Nebenmeeren mit geringer Sturmwellenabrasionstiefe bilden.
Wie die Untersuchung von Rotalgenvergesellschaftungen gezeigt hat, bilden
Karbonatrampen, die im kritischen Übergangsbereich zwischen gemäßigten und tropischen
Klimaten entstanden sind, globale Klimaschwankungen besonders deutlich ab. Durch die
Möglichkeit, diese Sedimente mit Hilfe der Sr-Isotopenchronostratigraphie in einen genauen,
an der glazioeustatischen Meeresspiegelfluktuation orientierten zeitlichen Rahmen zu setzen,
bietet sich ein Ansatzpunkt, genaue Klimadaten aus der geologischen Vergangenheit zu
gewinnen.

IV






Abstract…………