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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-27675
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2006/2767/


Mathematical modelling and 3-D computer simulation of Neogene carbonates (S. Spain) : Unravelling the controlling factors of carbonate platform evolution

Mathematische Modellierung und 3-D Computersimulation neogener Karbonate (S. Spanien) : Entschlüsselung der Kontrollfaktoren der Evolution von Karbonatplattformen

Cuevas Castell, José Manuel

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Karbonatsysteme , Meeresspiegelschwankungen , Mittelmeer , Messin
Freie Schlagwörter (Englisch): Carbonate systems , sea-level fluctuations , Mediterranean , Messinian
Basisklassifikation: 38.23 , 54.76
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Paläontologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Betzler, Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.12.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 17.01.2006
Kurzfassung auf Englisch: Geological mapping, mapping of facies distribution, and reconstruction of platform-interior growth geometries of several Messinian carbonate platforms located in SE Spain (Province of Almería) were carried out to reveal the controlling factors involved in the evolution of these platforms. Growth of the carbonate platforms has been simulated using REPRO, a FORTRAN program which was developed for the modeling of carbonate environments, especially for systems with coral reefs, and which provides 3-D computer models. The different platform environments and depths were calculated with several zoning subroutines. Simulation of the six platform-related facies was done using various routines. The Reef Framework Facies was modeled by the numerical solution of a Fisher-equation, which is a generally accepted model for growth and proliferation of populations in biology and ecology. The Lagoon Facies was simulated by a function of water depth-dependant carbonate production. The distribution of reef-debris (Breccia and Block Facies, and Middle Slope Calcarenite Facies) were modeled by using a routine which simulates gravity-driven particle export from the reef crest. Pelagic deposits were modeled using a routine for simulating a constant pelagic rain with a diffusion factor. Finally, the entry of a fan delta conglomeratic system in one of the carbonate platforms was simulated by a siliciclastic point source and gravity-driven particle redistribution.
The best fits between the modeling results and the real platform geometries were achieved under the assumption that platform growth geometries were controlled by short-term sea-level fluctuations superimposed onto a longer term sea-level drop. The sea-level curve used for the modeling of the platforms is based stable oxygen isotope record at ODP Site 926. In the study region, the curve suggests a maximum sea-level drop of 70 m that results from a 50 m eustatic sea-level drop and 20 m of tectonic uplift. This curve compares well with relative sea-level curves based on the fluctuations in the reef crest position during the growth of the platforms. The sea-level fluctuations were governed by orbital forcing. The periods of short-term sea-level fluctuations coincide with precession, but a certain modulation of the precessional cycles by obliquity is recognizable during the early stages of evolution. The period of the long-term sea-level drop was approximately 100 ka, corresponding with short eccentricity.
The validity of the modeling results are demonstrated by using three independent methods. Firstly, the outer morphologies of the real carbonate platforms coincide with the shapes and dimensions of the simulated platforms. Secondly, several synthetic geological sections were compared with modeled sections located in equivalent positions showing good match between the real and the modeled sections. Finally, the coral growth rates provided by the Fisher-equation subroutine compare well to the coral growth rates in Recent fringing reefs, which are approximately 2 to 8 mm/y.
The modeling results allow to understand the internal complexities of the carbonate platforms, as well as the lateral variations of the sedimentary packages and facies. REPRO provides a separate visualization of the different facies bodies as a function of time and space, showing the intrinsic pattern of facies distribution in the platforms. On a local to regional scale, the modeling results also permit to distinguish between relative and global sea-level signals in the western Mediterranean Messinian sedimentary sequences and reveal that the sedimentary cycles were produced by sea-level fluctuations with different periodicities. Moreover, the number of sedimentary cycles recorded in the neritic deposits differs of the number recorded in the pelagic deposits, which demonstrate that neritic and pelagic depositional realms record environmental oscillations in a distinct way.
Kurzfassung auf Deutsch: Gegenstand der durchgeführten Untersuchungen sind mehrere Karbonatplattformen messinischen Alters im SE Spaniens (Provinz Almería). Neben einer Kartierung der Faziesverteilungen wurde insbesondere versucht, die Geometrien des Plattform-Inneren zu rekonstruieren, um die kontrollierenden Faktoren in der Entwicklung dieser Plattformen aufzuzeigen. Die Evolution der Plattformen wurde mit Hilfe des FORTRAN Programms REPRO simuliert, welches für die 3D-Modellierung von Karbonatsystemen, insbesondere von Korallenriffen, entwickelt wurde. Verschiedene Plattform-Milieus und unterschiedliche Wassertiefen wurden hierbei unter Anwendung mehrerer Subroutinen berechnet. Die Simulation von sechs verschiedenen Faziesbereichen, die mit der Plattformentwicklung einhergehen, wurde durch die Benutzung mehrerer Routinen ermöglicht. Die Fazies des Riffgerüstes (Reef Framework Facies) wurde mit Hilfe einer numerischen Lösung der Fisher-Gleichung simuliert, ein in der Biologie und Ökologie allgemein akzeptiertes Modell des Wachstums und der Vermehrung von Populationen. Die lagunäre Fazies (Lagoon Facies) wurde als Funktion einer von der Wassertiefe abhängigen Karbonatproduktion. Die Verteilung der Faziesbereiche des proximalen und mittleren Riffhangs (Breccia and Block Facies, bzw. Middle Slope Calcarenite Facies) wurden mittels einer Routine errechnet, die den Schwerkraft gesteuerten Export von Riffschutt aus dem Randbereich des Riffes simuliert. Pelagische Ablagerungen wurden mit einer Routine modelliert, die einen konstanten pelagischen Partikelregen unter Berücksichtigung eines Diffusionsfaktors simuliert. Zudem wurde der Eintrag eines konglomeratischen Fandelta-Systems in eine der Karbonatplattformen durch Ansetzen einer siliziklastischen Punktquelle und einer gravitativ induzierten Kornumlagerung in die Simulation mit einbezogen.
Größtmögliche Übereinstimmungen zwischen Modellergebnissen und real beobachteten Plattformgeometrien wurden unter der Annahme erzielt, dass die Geometrien des Plattformwuchses von hochfrequenten Meeresspiegelschwankungen kontrolliert werden, die einen niederfrequenten Meeresspiegelfall überlagern. Für die Modellierung der Plattformen wurde eine an Daten des ODP Site 926 gewonnene Meeresspiegelkurve benutzt. Die Modellergebnisse zeigen für die bearbeitete Region eine maximales Fallen des Meeresspiegels von 70 m an. 50 m entfallen dabei auf ein Absinken des eustatischen Meeresspiegels, 20 m resultieren aus tektonischer Hebung. Die gewonnene Kurve stimmt gut mit einer Kurve des relativen Meeresspiegels überein, die aus den Fluktuationen der Riffdach-Position während der Plattformevolution resultiert. Die beobachteten Meeresspiegelschwankungen wurden durch orbitale Zyklen kontrolliert, dabei stimmen die Perioden der kurzfristigen Schwankungen mit der Präzession überein, wobei während der frühen Plattformevolution eine gewisse Beeinflussung der Präzessionszyklen durch Obliquität zu erkennen ist. Die Periode des niederfrequenten Meeresspiegelabfalls betrug ungefähr 100 ka, was mit der kurzen Exzentrizitätsperiode übereinstimmt.
Die Gültigkeit der Modellierungsergebnisse wird durch die Anwendung von drei unabhängigen Methoden bestätigt. (1) die äußere Morphologie der realen Karbonatplattformen stimmt mit den Formen und Dimensionen der simulierten Plattformen überein; (2) der Vergleich zwischen mehreren synthetischen geologischen Profilen und modellierten Profilen in gleicher Position zeigt eine gute Übereinstimmung der beiden; (3) die Wachstumsraten der Korallen, die mit der Fisher-Gleichung errechnet wurden, weisen eine ähnliche Rate wie die in heutigen Saumriffen auf, welche bei ca. 2 bis 8 mm/a liegt.
Die Modellierungsergebnisse ermöglichen einen Einblick in die interne Komplexität der Karbonatplattformen sowie die Dynamik der lateralen Veränderungen von Sedimentpaketen und Faziesbereichen. Mit REPRO können verschiedene Sedimentkörper in zeitlich-räumlicher Verbreitung graphisch dargestellt werden, wobei die Muster in der Faziesverteilung innerhalb der Plattformen deutlich werden. Die Modellierungsergebnisse erlauben es weitergehend, den Einfluß von relativen und globalen Meeresspiegelschwankungen auf lokale und regionale Sedimentsequenzen im Messin des westlichen Mittelmeeres zu unterscheiden. Sie machen zudem deutlich, dass die sedimentären Zyklen durch Meeresspiegelschwankungen unterschiedlicher Periodizität beeinflusst wurden. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass sich die Anzahl der sedimentären Zyklen in den neritischen Ablagerungen von der in den pelagischen Ablagerungen unterscheidet, was darauf hindeutet, dass Umweltveränderungen die neritischen und pelagischen Bereiche und deren Sedimente unterschiedlich beeinflussen.

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