Carbonate sedimentology and chemostratigraphy of Kimmeridgian shoal-water deposits in the Lower Saxony Basin of Northern Germany

Abstract

The Late Jurassic is generally considered to be an equable greenhouse-type climate with a high global sea level. Within the Late Jurassic, the Kimmeridgian stage represents a temperature plateau, reaching peak warmth. During this period, large parts of Europe were covered by shallow epicontinental seas with widespread deposition of subtropical shoal-water carbonates. Unfortunately, the absence of open-marine marker fossils hampers a precise age assignment of these Kimmeridgian strata. In addition, the fragmentary shoal-water record with numerous sedimentary gaps makes the stratigraphic correlation notoriously difficult on both regional and global scales. These stratigraphic uncertainties limit further interpretation of the significant paleoclimatic signals derived from these deposits. This thesis focuses on the Kimmeridgian deposits in the Lower Saxony Basin (LSB), which are composed of alternating limestone, marl and claystone, representing the typical Kimmeridgian platform deposits as mentioned above. In order to refine the age assignment of these strata, an integrated stratigraphic approach, combining chemostratigraphic (carbon and strontium isotopes) analyses with conventional sequence stratigraphy and biostratigraphy, is applied to three sections (Langenberg, Bisperode, Pötzen). Moreover, oxygen isotope analyses based on pristine low-Mg calcite shell material, together with clay mineral assemblages, provide novel insight into the paleoclimatic evolution for the Kimmeridgian world. In order to provide a robust baseline for further stratigraphic correlation and paleoclimatic interpretation, analysis of high-resolution carbonate microfacies and sequence stratigraphy are firstly carried out. Based on the regional ostracod biostratigraphic framework, the established sequences can be correlated between the studied sections in a regional scale, which allows for a better understanding of the main factors controlling the Kimmeridgian sedimentary evolution in the LSB. Moreover, a preliminary sequence stratigraphic correlation with other European basins reveals that the majority of the medium-scale sequence boundaries can be recognized in similar biostratigraphic positions in other areas. Furthermore, a precise dating of the Kimmeridgian deposits in the LSB is performed, combining the conventional ostracod biostratigraphy and strontium isotope stratigraphy (SIS). The new strontium data presented here confirm the potential of well-preserved low-Mg calcite from shallow-marine settings to preserve global marine Sr-isotope signals and expand the limited SIS dataset of the Kimmeridgian. In addition, after strict evaluation of both diagenetic alternation and local environmental effects, the δ13C signatures from different sections are considered to predominantly record the global marine signals. A high-resolution composite δ13C record for Kimmeridgian shoal-water deposits can therefore be established, calibrated by the newly established dating results. Consequently, the new chemostratigraphic results allow for a stratigraphic correlation between shallow-marine deposits in the Subboreal LSB and coeval pelagic counterparts in the peri-Tethyan and Western Tethyan realms. Shell materials precipitated by brachiopods, oysters and Trichites shells from the LSB are evaluated for their potential to act as archive for marine sea surface temperatures (SST). An overall slightly warming trend from the early to late Kimmeridgian is revealed according to the established SST curve, and a weak seasonality in SST is documented by δ18O variations along a large Trichites shell. However, a special “cold” snap inferred from distinctly higher δ18O values in the early Kimmeridgian is interpreted to be partly related to the short-term influx of cooler boreal water masses. This positive oxygen isotope anomaly may also be partly linked to enhanced δ18Oseawater values driven by a drier climate, which is inferred from the smectite-dominated characteristic of the coeval bulk material. Moreover, the kaolinite/(illite+chlorite) ratio points out humid/arid fluctuations correlate well with sea-level changes, with humid climates accompanying high sea-levels and arid climates accompanying low sea-levels.

Der späte Jura gilt in der Regel als eine Zeit mit ausgeglichenem Treibhausklima und hohem, globalen Meeresspiegel. Das Kimmeridgium, eine Stufe im späten Jura, zeigt ein Temperaturplateau, in dem die Höchsttemperatur erreicht wird. In diesem Zeitraum waren große Teile von Europa von einem seichten Binnenmeer bedeckt, in dem subtropische Flachwasser-Karbonate abgelagert wurden. Leider verhindert die Abwesenheit von offen-marinen Leitfossilien eine genaue Alterszuordnung der Schichten des Kimmeridgiums. Darüber hinaus weisen Flachwasser-Karbonaten zahlreiche Schichtlücken auf, sodass eine regionale oder globale stratigraphische Korrelation aufgrund der fragmentarischen Aufzeichnung schwierig ist. Daher ist eine Interpretation der signifikanten, paläoklimatische Signale, die von diesen Ablagerungen abgeleitet werden, begrenzt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Ablagerungen des Kimmeridgiums im niedersächsischen Becken (LSB). Dort wechseln sich die für die Plattformen des Kimmeridgiums typischen Kalkstein, Mergel und Tonstein ab. Um das Alter dieser Schichten zu definieren, wurde ein integrierter stratigraphischer Ansatz gewählt. Dazu wurden chemostratigraphische Analysen (Kohlenstoff und Strontium-Isotopie) und herkömmliche Sequenz- und Biostratigraphie kombiniert und auf drei Abschnitte (Langenberg, Bisperode, Pötzen) angewandt. Darüber hinaus liefern Sauerstoffisotopenanalysen auf der Grundlage von diagenetisch unverändertem Schalenmaterial (Low-Mg-Kalzit) zusammen mit Tonmineralanalysen neue Einblicke in die paläoklimatische Entwicklung des Kimmeridgiums. Um eine stabile Basis für weitere stratigraphische Korrelationen und paläoklimatische Interpretationen zu erhalten, wird zunächst eine hochaufgelöste Analyse von Mikrofazies und Sequenzstratigraphie durchgeführt. Basierend auf regionaler Ostrakoden-Biostratigraphie können die etablierten Sequenzen zwischen den untersuchten Abschnitten auf regionalem Maßstab korreliert werden, sodass ein besseres Verständnis der Hauptfaktoren, die die Sedimententwicklung des Kimmeridgiums im LSB kontrollieren, ermöglicht wird. Darüber hinaus zeigt eine vorläufige stratigraphische Korrelation der Sequenz mit anderen europäischen Becken, dass die Mehrheit der mittelskaligen Sequenzgrenzen an ähnlichen biostratigraphischen Positionen in anderen Bereichen erkennbar ist. Weiterhin wird eine genaue Datierung der Ablagerungen des Kimmeridgiums im LSB durchgeführt, die die konventionelle Ostrakoden-Biostratigraphie und die Strontium-Isotopstratigraphie (SIS) kombiniert. Die neuen, hier vorgestellten, Strontium-Daten bestätigen das Potenzial von gut erhaltenem Mg-Kalzit aus flachmarinen Gebieten, um globale, marine Sr-Isotopensignale zu erhalten und den limitierten SIS-Datensatz des Kimmeridgiums zu erweitern. Darüber hinaus werden die δ13C Signaturen aus verschiedenen Abschnitten als Aufzeichnung des globalen Meeressignals angesehen, nachdem sie einer strengen Bewertung bezüglich diagenetischer Alternation und lokaler Umwelteinflüsse unterzogen wurden. Ein zusammengesetzter, hochauflösender δ13C-Datensatz für Ablagerungen von Flachwasserkarbonaten des Kimmeridgiums von kann daher durch die neuen Datierungsergebnisse ermittelt und kalibriert werden. Folglich erlauben die neuen, chemostratigraphischen Ergebnisse eine stratigraphische Korrelation zwischen flachmarinen Ablagerungen im subborealen LSB und gleichaltrigen Ablagerungen in den peri-tethischen und westlichen Tethys-Gebieten. Schalenmaterial aus dem LSB, das von Brachiopoden, Austern und Trichites-Schalen stammt, wird auf sein Potenzial hin untersucht, als Archiv für Meerestemperaturen zu dienen. Ein leichter Erwärmungstrend vom frühen bis zum späten Kimmeridgium zeigt eine Übereinstimmung mit der etablierten Meerwassertemperaturkurve. Eine schwache Saisonalität der Meeresoberflächentemperatur wird durch Sauerstoffisotopvariationen entlang einer großen Trichitesschale dokumentiert. Ein spezieller Kälteeinbruch, der sich aus deutlich höheren δ18O-Werten im frühen Kimmeridgium ableitet, wird teilweise mit dem kurzfristigen Zustrom kühler, borealer Wassermassen in Verbindung gebracht. Diese positive Sauerstoffisotopenanomalie kann auch teilweise mit erhöhten δ18Oseawater-Werten, die von einem trockeneren Klima ausgelöst werden, in Verbindung gebracht werden. Diese Klimaänderung wird vom Auftreten von Smektit innerhalb des gemessenen Intervalls bestätigt. Darüber hinaus weist das Kaolinit/(Illit+Chlorit)-Verhältnis auf feuchte/aride Schwankungen hin, die gut mit Veränderungen des Meeresspiegels korrelieren, wobei ein hoher Meeresspiegel feuchte Klimazonen und ein niedriger Meeresspiegel trockene Klimazonen verursacht.