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Doctoral thesis

Carbonate sedimentology, sequence stratigraphy, and cyc-lostratigraphy of the Tithonian in the Swiss and French Jura Mountains : a high-resolution record of changes in sea level and climate

DOKPE

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    21.10.2005

246 p

Thèse de doctorat: Université de Fribourg, 2005

English French German The present study aims at a better understanding of the development of the Swiss and French Jura platform during the Jurassic/Cretaceous (J/K) boundary interval, with a special focus on the Tithonian stage. Nine reference sections were measured in the Jura Mountains of northwestern Switzerland and eastern France, in the Helvetic Alps, and in the Subalpine Ranges in south-eastern France. Their palaeogeographic position was on the northwestern margin of the Alpine Tethys. Six of the sections are located in platform, one in slope, and two in basin positions, covering an interval of about 11 Ma from the Late Kimmeridgian (152.2 Ma) to the Middle Berriasian (141.0 Ma). In the Jura Mountains, the sedimentary record consists of a succession of lagoonal and peritidal carbonates that represent a shallow-water carbonate platform. The (hemi)pelagic (re)sediments studied in SE France and the Helvetic Alps were deposited on the slope and in the adjacent basins. Based on a detailed description and comprehensive sedimentological analysis of the reference sections the development and early diagenesis of the Late Jurassic/ Early Cretaceous carbonate platform are interpreted. Stratiform, early dolomitization plays an important role in the Late Jurassic. Three different types of early diagenetic dolomite are observed and interpreted to represent three different dolomitization mechanisms: 1) a reflux-type mechanism that accounts for the majority of dolomite, 2) a dolomitization mechanism that depends on the presence of organic matter in burrow systems and is probably related to microbial mediation, and 3) dolomite that forms by evaporation near the surface of tidal flats. Massive dolomitization usually occurs in dolomite caps that define the upper parts of high-frequency shallowingupward sequences. Sedimentary sequences occur on different scales. The stratigraphic record of the measured sections can be subdivided in elementary, small-scale, medium-scale, and large-scale (3rd-order) sequences. These sequences are superimposed on long-term (2nd-order) sea-level changes. The studied interval begins in the Late Kimmeridgian – a period of maximum creation of accommodation space, followed by a long-lasting regression into the Early Cretaceous. According to their estimated duration as inferred from biochronostratigraphic tie-points and their regular stacking pattern, medium-scale, small-scale, and elementary sequences can be interpreted in terms of cyclostratigraphy. Medium- and small -scale sequences are interpreted to represent the long and short eccentricity-cycle (400 and 100 ka respectively). Elementary sequences may in part relate to the 20 ka precession cycle but their record seems to be largely masked by noise that was generated by autocyclic processes, erosion, and/or non-deposition. Large-scale (3rd-order) sequence boundaries in the Jura Mountains usually consist of well-developed mediumscale sequence boundaries that were accentuated either by the superposition of the (orbitally induced) short-term fluctuations on the long-term trend in sea-level change and/or by regional tectonics. Using litho- and sequence stratigraphic markers and clay mineral data, a detailed correlation for the Late Jurassic and earliest Cretaceous reference sections on the Jura platform is established. Based on some rare biostratigraphic tie-points, the litho- and sequence-stratigraphic record from the platform is then linked to a large-scale sequence-stratigraphic framework derived from the biostratigraphically well-defined basin sections. This allows for a verification of the established sequence- and cyclostratigraphic timeframe by projecting biozones from the basin onto the platform and to relate lithologic changes observed in the basin to events or environmental changes that are much better recorded on the platform. It turns out that the developed sequence and cyclostratigraphic framework correlates well with various European sequence-stratigraphic studies and that the inferred timing from cyclostratigraphic analysis is well in tune with the sequence-chronostratigraphic charts of HARDENBOL et al. (1998). For the first time, this allows studying platform development and environmental change around the J/K boundary in the Swiss and French Jura Mountains within a high-resolution timeframe. Clay mineral analysis reveals a Middle to Late Tithonian episode characterized by a very low abundance of kaolinite ("kaolinite minimum zone"). The low abundance of kaolinite is interpreted to indicate the "Late Jurassic dry phase" that is known from all over Europe. Based on the developed cyclostratigraphic timeframe, the duration of the Late Jurassic dry phase in the Jura Mountains is inferred to have lasted 8.4 Ma. Moreover, the detailed lithostratigraphic data allow for subdividing the dry phase into a dry phase sensu stricto (fully arid, desertlike climate) and a transition phase with a gradual change to semiarid, and winterwet conditions. A combination of sequence-, cyclo-, bio- and chronostratigraphic evidence supports the hypothesis that the beginning of the kaolinite minimum zone in the Jura Mountains is isochronous to the beginning of the kaolinite minimum zone in Dorset, southern England. Possible drivers for these major climate changes are discussed. The scenario considered to be most consistent with the sum of all observations is a change in oceanic current patterns in the Greenland-Norwegian seaway. The change in oceanic current patterns was probably linked to a combination of changing geometry of the Greenland- Norwegian seaway due to high rift activity and long-term sea-level evolution, both supposedly linked to a platetectonic reorganization that precedes the opening of the northern North Atlantic. Cette étude a pour but une meilleure compréhension du développement de la plate-forme du Jura Suisse et Français à la limite Jurassique/Crétacé (J/K), avec un accent sur l’étude du Tithonien. Neuf coupes de référence ont été mesurées dans le Jura au nord-ouest de la Suisse et dans l’est de la France, dans les Alpes helvétiques et dans les Chaînes Subalpines au sud-est de la France. Leurs positions paléogéographiques étaient sur la marge nordouest de la Téthys Alpine. Six de ces coupes sont situées sur la plate-forme, une sur la pente et deux dans le bassin, couvrant un intervalle d’environ 11 Ma du Kimméridgien supérieur (155.2 Ma) au Berriasien moyen (141.0 Ma). Dans le Jura, l’enregistrement sédimentaire comprend une succession de carbonates lagunaires et péritidaux, qui représente une plate-forme carbonatée peu profonde. Les sédiments (hémi-) pélagique (remaniés) étudiés dans le sud-est de la France et dans les Alpes Helvétiques ont été déposés sur la pente et dans les bassins adjacents. Basé sur une description détaillée et une vaste analyse sédimentologique des coupes de référence, le développement et la diagenèse précoce de la plate-forme carbonatée au Jurassique supérieur/Crétacé inférieur sont interprétés. La dolomitisation stratiforme précoce joue un rôle important dans le Jurassique supérieur. Trois types différents de dolomie précoce sont observés et interprétés. Ils correspondent à trois différents mécanismes de dolomitisation : 1) un mécanisme de type reflux qui explique la majorité de la dolomie, 2) un mécanisme de dolomitisation qui dépend de a présence de matière organique dans des terriers et est probablement relié à la médiation microbienne et 3) la dolomie qui se forme par évaporation près de la surface des estrans tidaux. La dolomitisation massive survient souvent dans des dolomite caps qui définissent les parties supérieures des séquences haute fréquence du type shallowing upward. Les séquences sédimentaires existent à différentes échelles. L’enregistrement stratigraphique des coupes mesurées peut être subdivisé en séquences élémentaires, à court terme, moyen terme et long terme (3ème ordre). Ces séquences sont superposées à des changements du niveau marin de long terme (2ème ordre). L’intervalle étudié commence dans le Kimméridgien supérieur avec une période de création d’espace d’accommodation maximale, suivi par une longue régression dans le Crétacé inférieur. Selon les durées estimées d’après des données biochronostratigraphiques et un agencement régulier des bancs (stacking pattern), les séquences de moyen terme, court terme et élémentaires peuvent être interprétés en terme de cyclostratigraphie. Les séquences de moyen terme et court terme sont interprétées comme le cycle de 1er ordre et 2ème ordre d’excentricité (400 et 100 ka respectivement). Les séquences élémentaires peuvent en partie être liées au cycle de précession (20 ka). Cependant leur enregistrement semble être largement masqué par le bruit qui a été généré par des processus autocycliques, l’érosion et/ou l’omission. Les limites de séquences de long terme (3ème ordre) dans le Jura sont souvent formés par des limites de séquence de moyen terme bien développées, accentuées par la superposition des fluctuations à court terme (lié à un contrôle orbital) sur l’évolution à long terme des changements du niveau marin et/ou par la tectonique régionale. En utilisant des marqueurs lithostratigraphiques et séquentiels ainsi que les résultats des analyses des minéraux argileux, une corrélation détaillée pour les coupes de références du Jurassique supérieur et du début du Crétacé sur la plate-forme du Jura est établit. Basé sur de rares niveaux biostratigraphiques bien définis, l’enregistrement lithostratigraphique et séquentiel de la plate-forme est alors lié à un cadre séquentiel de long terme, déduit des coupes de bassin biostratigraphiquement bien définies. Cet approche permet une vérification du cadre séquentiel et cyclostratigraphique établis en projetant des biozones du bassin sur la plate-forme et de relier les changements lithologiques observés dans le bassin à des événements ou des changements paléoenvironnementaux, qui sont mieux enregistrés sur la plate-forme. Il en ressort que le cadre séquentiel et cyclostratigraphique développé se corrèle bien avec de nombreuses études de stratigraphie séquentielle à l’échelle Européen. Et que les durées estimées par l’analyse cyclostratigraphique sont bien en accord avec la charte chronostratigraphique et séquentiel de HARDENBOL et al. (1998). Pour la première fois, cela permet d’étudier le développement de la plate-forme et les changements environnementaux autour de la limite Jurassique-Crétacé dans le Jura suisse et français dans un cadre à haute résolution. Les analyses minéralogiques des argiles révèlent un épisode du Tithonien moyen au Tithonien supérieur, caractérisé par une très faible abondance de kaolinite (kaolinite minimum zone). La faible abondance de kaolinite indique la «phase aride du Jurassique supérieur» qui est connue dans toute l’Europe. Basée sur le cadre cyclostratigraphique développé, la durée de la phase aride du Jurassique supérieur dans le Jura est estimée à 8.4 Ma. De plus, les données lithostratigraphiques détaillées permettent de subdiviser la phase aride en une phase aride sensu stricto (aride, climat de désert) et une phase de transition avec un changement graduel vers des conditions semi-arides de type «méditerranéen». Une combinaison des arguments séquentiels, cyclostratigraphiques, bio- et chronostratigraphiques supporte l’hypothèse que le début de la zone minimum à kaolinite dans le Jura est isochrone au début de la zone minimum à kaolinite dans le Dorset, au sud de l’Angleterre. Des facteurs possibles pour ces changements climatiques majeurs sont discutés. Le scénario considéré comme le plus vraisemblable est un changement dans la courantologie du Proto-Atlantique. Ce changement était probablement lié à une combinaison d’une géométrie changeante du détroit entre Groenland et la Norvège dû à une forte activité de rifting et d’une évolution du niveau marin sur le long terme. Ces deux causes sont probablement liés à une réorganisation des plaques continentales qui précède l’ouverture de la partie nord de l’Atlantique Nord. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung der schweizer und französischen Jura Plattform im obersten Jura und der untersten Kreide, wobei das Tithon eine besondere Beachtung erfährt. Dazu wurden neun Referenzprofile im Juragebirge (NWSchweiz und E-Frankreich), den Helvetischen Alpen und voralpinen Ketten in SE-Frankreich aufgenommen und untersucht. Die paläogeographische Position der aufgenommenen Profile ist am Nordwestrand der Alpinen Tethys, wobei sich sechs Profile auf der Plattform, eins auf dem Slope und zwei in Beckenposition befanden. Der untersuchte Zeitabschnitt umfasst etwa 11 Ma, vom späten Kimmeridge (152.2 Ma) bis ins mittlere Berrias (141.0 Ma). In dieser Zeit wurde im heutigen Juragebirge eine Abfolge aus lagunären und peritidalen Plattform- Karbonaten abgelagert, während in SE-Frankreich und den Helvetischen Alpen (hemi)pelagische (Re)Sedimente des Slopes und des Beckens angetroffen werden. Aufbauend auf einer detaillierten Beschreibung und umfassenden sedimentologischen Untersuchung der Referenzprofile werden die Entwicklung und frühdiagenetische Prozesse der oberjurassischen/ unterkretazischen Karbonat plattform nachvollzogen. Eine besondere Rolle splielt dabei frühdiagenetische, schichtparallelle Dolomitisierung. Drei verschiedene Dolomit-Typen werden beschrieben und deren Entstehungsmechnasimen diskutiert: 1) Reflux-Dolomit, der den grössten Volumenanteil der beobachteten Dolomitisierung ausmacht; 2) an Bioturbation gebundene Dolomitisierung, die an das Vorkommen organischer Substanz gebunden scheint und wahrscheinlich mikrobiell induziert ist und 3) Dolomit, der nahe der Karbonatwatt- Oberfläche durch Verdunstung entsteht. Durchgehende Dolomitisierung findet sich vor allem in dolomite caps, die in der Regel im oberen, stark regressiv geprägten Teil, von Verflachungssequenzen anzutreffen sind. Die untersuchten Sedimente können in Ablagerungssequenzen verschiedener Ordnung unterteilt werden: Elementar-, "small-scale", "medium-scale" und "large-scale"-Sequenzen (3. Ordnung). Diese Ablagerungssequenzen unterschiedlicher Dauer überlagern sich gegenseitig und sind langfristigen Meeresspiegelschwankungen (2. Ordnung) untergeordnet. Der untersuchte Zeitabschnitt beginnt mit einem Intervall steigenden Meeresspiegels im späten Kimmeridge, bevor ein lang andauernder, regressiver Trend bis in die frühe Kreide einsetzt. Aufgrund ihrer errechneten durchschnittlichen Dauer und des regelmässigen Stapelungsmusters lassen sich Elementar-, "small-scale" und "medium-scale"- Sequenzen als Milankovitch-Zylen interpretieren. Dabei entsprechen die "small-scale"- und "medium-scale"-Sequenzen dem langen und kurzen Exzentrizitäts-Zyklus (400 ka bzw. 100 ka). Elemetanrsequenzen können teilweisem dem Präzessions-Zyklus (20 ka) zugeordnet werden, allerdings geht dieses hochfrequente Signal in den meisten Fällen in einem durch autozylische Prozesse, Erosion und Omission erzeugten Rauschen unter. In den Plattformprofilen bestehen "large-scale"-Sequenzgrenzen (3. Ordnung) aus gut entwickelten "medium-scale"- Sequenzgrenzen, welche entweder durch Überlagerungseffekte von kurzfristigen Meeresspiegelschwankungen orbitalen Ursprungs und langfristigen Meeresspiegelschwankungen tektonoeustatischen Ursprungs, oder/und regionale Tektonik entstehen. Mit Hilfe von lithologischen und sequenzstratigraphischen Leithorizonten, zusätzlich unterstützt durch Tonmineralanalysen, wird eine hochauflösende Korrelation der spätjurassischen und unterkretazischen Profile auf der Jura Plattform erstellt. Einige verstreute biostratigraphische Referenzpunkte in den Plattformprofilen erlauben es, den auf der Plattform etablierten sequenz- und zyklostratigraphischen Zeitrahmen mit der sequenzstratigraphischen Abfolge der Beckenprofilen zu verbinden, die den Vorteil einer wohl definierten Biostratigraphie aufweisen. Dies ermöglicht eine Überprüfung sequenz- und zyklostratigraphischen Zeitrahmens auf der Plattform, indem Biozonen vom Becken auf die Plattform projeziert werden können und im Gegenzug die lithologiche Entwicklung der Beckenprofile mit Änderungen von Umweltbedingungen auf der Plattform in Zusammenhang zu bringen, welche dort wesentlich detaillierter überliefert sind. Vergleicht man den entwickelten sequenz- und zyklostratigraphischen Zeitrahmen mit Literaturdaten, so stellt sich heraus, dass die sequenzstratigraphische Interpretation der untersuchten Profile grosse Ähnlichkeiten mit vielen Studien aus Europa zeigt und der zyklostratigraphische Zeitrahmen sehr gut mit den sequenz-chronostratigraphischen Tabellen von HARDENBOL et al. (1998) übereinstimmt. Es ist folglich zum ersten Mal möglich die Entwicklung der Jura Plattform und sich ändernde Umweltbedingungen um die Jura/Kreide-Grenze in einem hochauflösenden Zeitrahmen nachzuvollziehen. Die durchgeführten Tonmineralanalysen zeigen eine Phase von sehr geringem Kaolinitvorkommen (kaolinite minimum zone) im mittleren bis späten Tithon an. Deshalb wird diese Zeit als die Entsprechung einer spätjurassichen Trockenphase interpretiert, welche aus ganz Europa bekannt ist. Wendet man den entwickelten zyklostratigraphischen Zeitrahmen an, so ergibt sich eine Dauer der spätjurassichen Trockenphase von 8.4 Ma. Ausserdem lässt sich die Trockenphase in eine Trockenphase sensu stricto (vollarid, wüstenähnliches Klima) und eine Übergangsphase mit einem allmählichen Wechsel zu semiariden, winterfeuchten Bedingungen unterteilen. Die Hypothese, dass der Beginn der spätjurassichen Trockenphase im Juragebirge und in Dorset (S-England) isochron ist wird durch eine Kombination aus sequenz-, zyklo-, bio- und chronostratigraphischen Argumenten gestützt. Mögliche Ursachen für diese klimatischen Veränderungen werden diskutiert. Als wahrscheinlichstes Szenario wird eine Änderung des Strömungsmusters in der Grönland-Norwegischen Meeresstrasse angenommen. Die Änderung des Strömungsmusters wird vermutlich durch eine Kombination aus hoher Riftaktivität und langfristigen relativen Meeresspiegelschwankungen verursacht, welche wiederum mit einer plattentektonische Reorganisation in Verbindung steht, die der Öffnung des nördlichen Nordatlantiks vorausgeht.
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