Pleistocene to Holocene carbonate sedimentation on the Northwest Shelf of Australia

Hallenberger, Maximilian; Back, Stefan; Iryu, Yasufumi

doi:10.18154/RWTH-2022-08048

Pleistocene to Holocene carbonate sedimentation on the Northwest Shelf of Australia

Hallenberger, Maximilian^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Maximilian Hallenberger

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Back, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Iryu, Yasufumi (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-08-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-08048
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/852397/files/852397.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Karbonat-Rampensystem (frei) ; Karbonatablagerung (frei) ; Meeresspiegel (frei) ; Sedimentverteilung (frei) ; seismische Reflexionsdaten (frei) ; subtropisches Kontinentalschelf (frei) ; tropisches Kontinentalschelf (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Der tropische bis subtropische Kontinentalschelf von Nordwest-Australien (NWS) erstreckt sich zwischen 13° und 21°S und beherbergt ein ausgedehntes Karbonat-Rampensystem, das in seiner Größe mit den Karbonatsystemen der Bahamas oder des Persischen Golfs vergleichbar ist. Es bildet eine wichtige, aber noch wenig erforschte Grundlage für die Interpretation vergleichbarer Rampensysteme, die in den Sedimentaufzeichnungen vorkommen. Die Sedimentverteilung auf dem Meeresboden ist ausführlich dokumentiert. Die Informationen über den neogenen bis pleistozänen Sedimentabschnitt des NWS hingegen beschränkten sich bisher auf Bohrklein aus Industriebohrungen und geophysikalische Daten. Im Jahr 2015 wurden im Rahmen der Expedition 356 des International Ocean Discovery Program (IODP) Bohrkerne in der Kontinentalrandabfolge des südlichen und zentralen Teils des NWS entnommen, um deren Ablagerungsgeschichte seit dem mittleren Miozän zu untersuchen. Die während dieser Expedition gesammelten Daten ermöglichten es zum ersten Mal, die Entwicklung einer tropischen, offen-marinen, distal steil abfallenden Rampe auf orbitaler Auflösung zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Kombination aus sedimentologischen-, geochemischen-, petrophysikalischen-, und Klimaproxydaten. Erhobene Datensätze stammen aus dem mittelpleistozänen bis holozänen Abschnitt dreier IODP-Bohrungen (U1461 - U1463), die auf der mittleren bis äußeren Rampe des NWS positioniert sind. An der Bohrung U1461 wurden Kerndaten mit seismischen 2D-Reflexionsdaten kombiniert, was eine regionale und detaillierte Studie des Karbonatsystems auf einer zehner Meter Skala ermöglichte. Während ariden Glazialen ist die Sedimentation im untersuchten Teil des NWS durch anorganisch ausgefällte Karbonate, einschließlich Aragonit-Nadel-Schlamm und Ooiden, gekennzeichnet. Ooide entwickelten sich unter flachmarinen Bedingungen auf kleinräumigen Plattformen. Seismische und sedimentologische Daten deuten darauf hin, dass sich diese Plattformen lokal über der heutigen Mittelrampe bildeten und in der Regel während einer einzigen Eiszeit aktiv waren. Aragonit-Nadel-Schlamm fiel (anorganisch) in Flachwasserbereichen aus. Ein Großteil dieser Feinsedimente wurde anschließend in tieferes Wasser verfrachtet, wo sie sich mit pelagischen Karbonaten vermischten. Im Vergleich dazu sind humide Zwischeneiszeiten in der Regel durch eine geringere Sedimentation gekennzeichnet, was zu einer Verschmelzung der Ablagerungen der Gletschertiefstände führte. Allerdings wurden während des Holozäns und des marinen Isotopenstadiums 11 über weite Teile der mittleren Rampe nordwestlich von Barrow Island beträchtliche Mengen an biogenen Karbonaten abgelagert. Diese Sedimentansammlungen werden als lokales Phänomen interpretiert, welches durch einen lokalen Rückgang der Strömungsenergie hervorgerufen wurde. Eine an der IODP-Stelle U1461 durchgeführte Analyse des letzten Glazial zu Interglazial Übergangs ergab einen rapiden Übergang von Karbonaten, die reich an anorganischem Aragonit sind, einschließlich kleiner Nadeln (<5 μm) und Ooide, zu Sedimenten, die aus biogenen Karbonaten und Siliziklastika bestehen. Diese Umstellung erfolgte vor 10.1 tausend Jahren und fällt mit einem ausgeprägten Wandel hin zu einem humideren Klima und einem erhöhten Flussabfluss zusammen. Diese werden mit einer allmählichen südwärts Verschiebung der intertropischen Konvergenzzone und dem Einsetzen des australischen Sommermonsuns in Verbindung gebracht. Dieser Umschwung in Klima und Sedimentologie fällt außerdem mit einer Abnahme der Karbonat-Ionen-Konzentration zusammen, welche an den Schalen der planktischen Pteropoden Art Heliconoides inflatus gemessen wurde. Erhöhte Karbonat-Ionen-Konzentration und Alkalinität des Ozeanwassers aufgrund eines ariden Klimas und geringen fluvialen Abflusses scheinen daher eine Voraussetzung für die Bildung von (anorganischen) Aragonit reichen Flachwassersedimenten auf dem NWS zu sein. Diese Bedingungen sind nicht notwendigerweise synchron zu glazial-interglazialen Übergängen, sondern eher mit dem regionalen hydrologischen Zyklus verbunden. Diese Dissertation beleuchtet daher ein Rampensystem, in welchem das Klima bei der Steuerung der Karbonatablagerung ebenso wichtig ist wie die Entwicklung des Meeresspiegels. Die präsentierte Arbeit trägt damit grundlegend zum Verständnis des quartären NWS bei. Sie hat des Weiteren wichtige Implikationen für die Interpretation älterer Karbonatrampensysteme, welche auf seismischen Reflexionsdaten und in Aufschlüssen beobachtet werden.

The tropical to subtropical continental shelf of Northwest Australia (NWS) stretches between 13° to 21°S and hosts an extensive carbonate ramp system comparable in size to the carbonate systems of the Bahamas or the Persian Gulf. It forms an important, yet poorly understood, template for the interpretation of comparable ramp systems occurring within the sedimentary record. The sediment distribution on the seafloor is well documented, but information on the Neogene to Pleistocene sedimentary section of the NWS has until recently been limited to cuttings from industry wells and geophysical data. In 2015, the International Ocean Discovery Program (IODP) Expedition 356 cored the continental margin sequence of the southern and central part of the NWS to investigate its depositional history starting from the middle Miocene. Data collected during this expedition represents an exceptional opportunity to investigate the development of a tropical open marine distally steepened ramp on an orbital resolution. This thesis presents a combination of sedimentological, geochemical, petrophysical, and climate proxy datasets derived from the mid-Pleistocene to Holocene section of three IODP Sites (U1461 – U1463) positioned on the mid- to outer ramp of the NWS. At Site U1461, core data is further integrated with 2D seismic-reflection data, allowing regional and detailed studies of the carbonate system on a tens-of-meters scale. During arid glacials, sedimentation across the studied part of the NWS is characterized by inorganically precipitated carbonates, including aragonite-needle mud and ooids. Ooids developed under shallow marine conditions on small-scale flat-topped platforms. Seismic and sedimentological evidence indicates that these platforms formed locally on top of the present-day mid-ramp and were typically active during a single glacial period. Aragonite-needle mud precipitated (inorganically) in shallow-water areas. Much of these fine sediments were subsequently exported into deeper water where they mixed with pelagic carbonates. By comparison, humid interglacial periods are generally characterized by reduced sedimentation, resulting in the amalgamation of glacial lowstand deposits. However, considerable amounts of skeletal carbonates were deposited across extended parts of the mid ramp northwest of Barrow Island during the Holocene and Marine Isotope Stage 11. These sediment accumulations are interpreted as a spatially limited feature caused by a local decline in current energy. A comprehensive analysis of the last glacial to interglacial transition at IODP Site U1461 revealed a rapid transition from carbonates rich in inorganic aragonite, including small needles (<5 μm) and ooids, into sediments composed of skeletal calcite and siliciclastics. This switch occurred at 10.1 ka and is synchronous to a pronounced change towards a more humid climate and elevated fluvial runoff. These changes are associated with a gradual southward shift of the Intertropical Convergence Zone and the onset of the Australian Summer Monsoon. It further coincides with a decrease in carbonate ion concentration measured on the shells of the planktonic pteropod species Heliconoides inflatus derived from IODP Site U1461 and U1463.It can be concluded that an elevated carbonate ion concentration and ocean water alkalinity caused by an arid climate are a prerequisite for the formation of (inorganic) shallow water aragonite-rich sediments on the NWS. These conditions are not necessarily synchronous to glacial-interglacial transitions but are rather linked to the regional hydrological cycle. This thesis therefore highlights a ramp system, where climate is as important as sea-level in controlling carbonate deposition. It thereby contributes to the understanding of the Quaternary NWS and ancient carbonate ramp systems observed on seismic-reflection data and in outcrops.

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