Morphodynamics and Morphological Development of Shelf Mud Depocenters

Abstract

Mud depocenters are accumulations of fine-grained sediment with meter-scale thickness that occur on many modern continental shelves. While a depocenter’s sedimentary record can provide useful data on past environmental conditions, its morphology can also be highly dynamic, and processes driving mud depocenter development are not yet fully understood. This thesis elucidates the physical mechanisms behind shelf mud accumulation. An extensive literature survey represents the first comprehensive compilation of known physical processes controlling mud depocenter development. Detailed case studies on two mud depocenters in the southwestern Baltic Sea give new insights into their morphodynamics by combining oceanographic and geological data with numerical modeling. Five physical processes are deemed key for shelf mud dynamics: 1. Wave- and current-supported sediment gravity flows, in which a highly-concentrated bottom layer is kept in suspension by waves and/or currents and moves down the gentle shelf slope as a result of gravitational force, 2. Hydrodynamic fronts, which either plow the inner shelf through generation of strong coast-parallel jets at the seafloor, or provide lateral and vertical barriers to cross-shelf sediment transport on seasonal and longer timescales through stable density gradients in regions of freshwater influence, 3. Internal waves at the interfaces of stratified coastal oceans, which keep the outer shelf free of mud through resuspension and transport during shoaling or breaking, 4. Bedload deposition of mud forming laminated bedding under energetic flow conditions, 5. Chronic bottom trawling, in which heavy fishing gear is dragged along the seafloor, resuspending and mixing large amounts of sediment in the process. Notably, many of these processes are episodic and short-lived in nature. This is a stark contrast to most geological methods of analysis such as stratigraphy, which imply a morphodynamic equilibrium condition for the interpretation of any geological record. This work suggests that shelf mud sedimentation is a much more dynamic process than previously thought, and care must be taken when comparing in-situ observations of sediment transport to both the recent and ancient sedimentary record. The nearly tide-less and semi-enclosed situation of the Baltic Sea lends itself to the study of morphodynamics and sediment transport processes. While the hydrodynamics of the Baltic Sea have been extensively surveyed for many decades, little is known about the dynamics of the muddy depocenters in its sub-basins. I apply a source-to-sink approach to two muddy depocenters in the southwestern Baltic Sea, the Arkona and Bornholm Basins. Mass budget estimates are compiled for sources and sinks of fine-grained sediment in the study area. Potential sources considered are coastal erosion, riverine loads, and biogenic production of solids. Coastal erosion at the German and Polish Baltic Sea coasts is shown to be the major supplier of fines, making up roughly half of all sources. Supply from riverine loads and biogenic production are an order of magnitude smaller. The sinks are given by deposition in the sub-basins and outflow towards the North Sea within the surface waters. Comparison of sources and sinks reveals an imbalance, wherein at least 900 kt/yr of sink material is not accounted for, amounting to between one half and one fifth of all other source considered. A potential source mechanism to close this gap exists in the form of sediment-laden, saline inflows from the North Sea. These wind-driven events, termed Major Baltic inflows (MBIs), occur episodically and with varying intensities, with large events occurring about once per year on average. During an MBI, inflowing water travels as a dense bottom current, transporting a large amount of salt into the Baltic Sea. A three-dimensional numerical coastal ocean and sediment transport model is set up and used to simulate two monitored MBIs. Comparison to the monitoring data shows that the hydrodynamics of these MBIs are well reproduced by the model. Model experiments are carried out by placing a pool of erodible sediment in the Kattegat Strait, to be resuspended and advected into the Baltic Sea along with the inflowing water during the MBIs. Based on the outcome, a scaling relationship relating salt flux to sediment flux is computed, allowing an upscaling of the model results in time. According to those scaling relationships, a few hundred kt/yr of fine-grained sediment can be advected into the Baltic Sea by MBIs during the last 150 years, on average. Large inflows advect more sediment per Gt of salt individually than smaller inflows, but smaller inflows are responsible for the bulk of the total flux due to their more frequent occurrence. Comparison with measured suspended matter concentrations in the Kattegat indicates that fluxes computed by the model are plausible, though may possibly be underestimated. Nevertheless, the results show that MBIs are capable of advecting a significant amount of suspended matter into the Baltic Sea. In order to explore the process-product relationship between bottom currents and morphology, a high-resolution model experiment with emphasis on the Bornholm Basin and Bornholm Channel is conducted. During an MBI, bottom currents are directed downslope at the channel entrances, where large density gradients and steep bathymetric slopes lead to gravity-driven flows with minor influence of Coriolis forcing. As the bottom current enters Bornholm Basin, it transitions into a geostrophic contour current at about 70 m depth. There, the inflowing dense water mass reaches neutral buoyancy in the Bornholm Basin, having continuously entrained less saline water during its passage through the Baltic Sea. These dynamics match the results of previous geological studies, which related bottom-current controlled submarine geometries, so-called contourites, in the Baltic Sea to MBIs. Symmetric mud deposition on channel flanks results from downslope currents, and asymmetric deposition results from geostrophic currents. In the Arkona Basin, no such contouritic features are found. Based on model results, it is hypothesized that a high variability of bottom current directions in the Arkona Basin has an overall diffusive effect on lateral sediment distribution, explaining the basin’s flat appearance. The results presented within this thesis allow, for the first time, a mechanistic connection between hydrodynamics and morphodynamics of mud depocenters in the southwestern Baltic Sea.

Schlammdepozentren sind Ablagerungen feinkörnigen Sediments mit Mächtigkeiten von einigen Metern, die auf vielen heutigen Kontinentalschelfen vorkommen. Während die Sedimentabfolgen eines Depozentrums nützliche Daten über vergangene Umweltbedingungen liefern können, kann die Morphologie eines Schlammdepozentrums auch sehr dynamisch sein, und die treibenden Prozesse hinter der Entwicklung von Schlammdepozentren sind noch nicht vollständig erforscht. In dieser Arbeit werden die Mechanismen der Schlammsedimentation auf dem Schelf ergründet. Eine umfangreiche Literaturrecherche stellt die erste umfassende Zusammenstellung derjenigen physikalischen Prozesse dar, welche die Entwicklung von Schlammdepozentren steuern. Detaillierte Fallstudien an zwei Schlammdepozentren in der südwestlichen Ostsee geben neue Einblicke in ihre Morphodynamik, indem ozeanographische und geologische Daten, sowie numerische Modellierung kombiniert werden. In der Vergangenheit wurden fünf physikalische Prozesse als entscheidend für die Dynamik von Schlamm auf dem Schelf angesehen: 1. Wellen- und strömungsgestützte Suspensionsströme, bei denen eine hochkonzentrierte Bodenschicht durch Wellen und/oder Strömungen in Suspension gehalten wird und sich aufgrund der Schwerkraft den sanften Schelfhang hinabbewegt, 2. Hydrodynamische Fronten, welche entweder den inneren Schelf durch die Erzeugung starker, küstenparalleler Bodenströmungen aufwirbeln, oder als beständige Dichtegradienten auf saisonalen und längeren Zeitskalen laterale und vertikale Barrieren für den Sedimenttransport bilden, 3. Interne Wellen an den Sprungschichten geschichteter Küstenmeere, die den äußeren Schelf durch Wiederaufschlämmung bei Auflaufen oder Brechen von Schlamm frei halten, 4. Geschiebetransport ausgeflockter Feinsedimente, welche bei der Ablagerung laminierte Lagen bilden, 5. Grundschleppnetzfischerei, bei der schweres Gerät den Meeresboden durchpflügt und dabei große Mengen an Sediment wiederaufschlämmt. Bemerkenswert ist, dass viele dieser Prozesse episodisch und von kurzer Dauer sind. Dies steht in einem ausgesprochenen Gegensatz zu den meisten geologischen Analysemethoden wie z.B. der Stratigraphie, die ein morphodynamisches Gleichgewicht bei der Interpretation der Sedimentabfolgen voraussetzen. Diese Arbeit zeigt, dass die Schlammablagerung auf dem Schelf ein sehr viel dynamischerer Prozess ist, als bisher angenommen. Eine Gegenüberstellung von in-situ-Beobachtungen des Sedimenttransports mit rezenten und fossilen Sedimentabfolgen bedarf daher besonderer Vorsicht. Die nahezu tidenfreie und halbgeschlossene Lage der Ostsee bietet sich für die Untersuchung von Morphodynamik und Sedimenttransportprozessen besonders an. Während die Hydrodynamik der Ostsee seit vielen Jahrzehnten ausgiebig untersucht wird, ist über die Dynamik der Schlammdepozentren in ihren Becken noch wenig bekannt. In dieser Arbeit wird ein Source-to-Sink-Ansatz auf zwei Schlammdepozentren im Arkona- und Bornholmbecken in der südwestlichen Ostsee angewendet. Dazu werden Massenbudgetschätzungen für alle Quellen und Senken von feinkörnigem Sediment im Untersuchungsgebiet erstellt. Als potentielle Quellen werden Küstenerosion, Flussfrachten und biogene Produktion von Feststoffen berücksichtigt. Die Erosion der deutschen und polnischen Ostseeküsten erweist sich als Hauptlieferant von Feinsedimenten und macht etwa die Hälfte aller Quellen aus. Die Zufuhr durch Flussfrachten und biogene Produktion ist um eine Größenordnung geringer. Die Senken sind durch Ablagerung in den Depozentren und durch Ausstrom Richtung Nordsee in der oberen Wasserschicht gegeben. Bei der Gegenüberstellung von Quellen und Senken zeigt sich ein Ungleichgewicht, wobei die Senken die Quellen um mindestens 900 kt/Jahr übersteigen, was zwischen der Hälfte und einem Fünftel aller anderen berücksichtigten Quellen entspricht. Sedimentbeladene, salzhaltige Einströme aus der Nordsee sind ein potenzieller Mechanismus, der diese Lücke schließen kann. Diese windgetriebenen Ereignisse werden als Major Baltic Inflows (MBI) bezeichnet. Sie treten episodisch und mit unterschiedlichen Intensitäten auf, wobei größere MBIs im Durchschnitt etwa einmal pro Jahr auftreten. Während eines MBIs bewegt sich das einströmende Wasser als dichtegetriebene Bodenströmung hangabwärts und transportiert dabei große Mengen an Salz in die Ostsee. Zur Simulation zweier messtechnisch beobachteter MBIs wird ein dreidimensionales numerisches Küstenmeer- und Sedimenttransportmodell aufgesetzt. Ein Vergleich mit den Messdaten zeigt, dass die Hydrodynamik dieser MBIs durch das Modell gut abgebildet wird. In Modellexperimenten wird ein Vorrat aus erodierbarem Feinsediment am Boden des Kattegats platziert. Dieses wird während des MBIs aufgeschlämmt und mit dem einströmenden Wasser in die Ostsee eingetragen. Basierend auf den Ergebnissen wird ein Skalierungsverhältnis zwischen Salzfluss und Sedimentfluss berechnet, was ein Hochskalieren der Modellergebnisse in der Zeit ermöglicht. Gemäß dieser Beziehung wurden während der vergangenen 150 Jahre im Durchschnitt einige hundert Kilotonnen feinkörnigen Sediments pro Jahr durch MBIs in die Ostsee eingebracht. Dabei verfrachten große Einströme individuell mehr Sediment pro Gigatonne Salz als kleinere Einströme, jedoch sind kleinere Einströme aufgrund ihres häufigeren Auftretens für den Großteil des Gesamtflusses verantwortlich. Der Vergleich mit gemessenen Schwebstoffkonzentrationen im Kattegat zeigt, dass die im Modell berechneten Sedimentflüsse plausibel sind, möglicherweise jedoch unterschätzt werden. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass MBIs in der Lage sind, eine signifikante Menge an Schwebstoffen in die Ostsee zu transportieren. Um den Zusammenhang zwischen Bodenströmungen und Morphologie zu untersuchen, wird ein hochauflösendes Modellexperiment mit Schwerpunkt auf dem Bornholmbecken und dem Bornholmkanal durchgeführt. Während eines MBIs werden die Bodenströmungen an den Kanaleingängen hangabwärts gelenkt, wobei hohe Dichtegradienten und steile Bathymetrie zu schweregetriebenen Strömungen unter geringem Einfluss der Corioliskraft führen. Nachdem die Bodenströmung in das Bornholmbecken eintritt, geht sie in einer Tiefe von etwa 70 Metern in eine geostrophische Konturströmung über. In dieser Tiefe erreicht die einströmende, dichte Wassermasse im Bornholmbecken neutralen Auftrieb, nachdem sie auf ihrem Weg durch die Ostsee kontinuierlich weniger salzhaltiges Wasser mitgerissen hat. Diese Dynamik stimmt mit den Ergebnissen früherer geologischer Studien überein, welche die submarinen Ablagerungen der Ostsee, die unter Einfluss von Bodenströmungen entstanden sind, sogenannte Konturite, mit MBIs in Verbindung brachten. Demnach werden symmetrische Ablagerung von Schlamm an den Kanalflanken durch Abwärtsströmungen erzeugt, und asymmetrische Ablagerung durch geostrophische Konturströmungen. Im Arkonabecken sind keine derartigen konturitischen Merkmale zu finden. Basierend auf den Modellergebnissen wird die Hypothese aufgestellt, dass eine hohe Variabilität der Bodenströmungsrichtungen im Arkonabecken einen diffusiven Effekt auf die laterale Sedimentverteilung hat, was die Ebenheit der Beckenfüllung erklärt. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse erlauben somit erstmals eine mechanistische Verbindung zwischen Hydrodynamik und Morphodynamik von Schlammdepozentren in der südwestlichen Ostsee.