Author:

Abstract:

Zeespiegel- en klimaatvernaderingen in de zuidelijke Tethys (Egypte en Tunesie) tijdens het laat Daniaan tot vroeg Selandiaan (~62-60 Ma) Biostratigrafie en paleomilieureconstructies op basis van foraminiferen en andere microfossielen.(onderzoekfonds K.U.Leuven en FWO)Begeleiders: Prof. Dr. Robert Speijer (promotor), Biogeologie, KULeuven and Prof. Dr. Etienne Steurbaut (Co-promotor), KBIN.MotivatieHet onderzoek naar geo-biosfeer interacties in de vroege Paleogene wereld kreeg een belangrijke impuls met de vondst van bewijs van snelle klimaatsopwarming, die nu als het Paleoceen-Eoceen thermisch maximum bekend staat (PETM; Zachos et al, 2001). Deze gebeurtenis vertegenwoordigt een analoge situatie van snelle globale verandering in een relatief warm klimaat en toont aan dat tijdens ‘greenhouse’ periodes, storingen op korte termijn in "super-greenhouse" voorwaarden kunnen resulteren (Wing et al, 2003). Recente stabiele isotopen en micropaleontologische studies openbaarden dat de PETM niet de enige ‘hyperthermaal’ is geweest, maar dat er tijdens het midden Paleoceen tot midden Eoceen een reeks tot zelfs zes ‘hyperthermalen’ zijn voorgekomen (Thomas et al, 2000). In diepzeesecties in de centrale Stille Ocaan (Shatsky Rise) en de equatoriale en zuidoostelijke Atlantische Oceaan (Demerara Rise en Walvis Ridge, respectievelijk) zijn nu verscheidene andere prominente niveaus van carbonaatoplossing in vroeg Paleogene carbonaatsedimenten gevonden (Edgar et al, 2007; Lourens et al, 2005), onder hen de ELMO-event in het vroege Eoceen. De continentale randzeeën ervoeren ook storingen in de biotische en abiotische factoren in het Paleoceen. Voorbeelden zijn de ‘mid-Paleocene Biotic Event’ (~59.5 Ma) in Zumaia, Spanje (Bernaola et al, 2007) en de ‘upper Danian event beds’ (~61 Ma) in de zuidelijke Tethys (Speijer, 2003; Van Itterbeeck et al., 2007; Sprong et al., in press).Traditioneel geven storingen in continentale randzeeën, in tegenstelling tot diepzeesedimenten, andere perspectieven over de geo-biosfeer ontwikkeling, en in het bijzonder over de geschiedenis van zeespiegelveranderingen. Het stapelend patroon van sedimentologische en paleontologische kenmerken in sedimentaire opeenvolgingen verstrekken hulpmiddelen om relatieve zeespiegelveranderingen te ontdekken en hun effect op bekkenprocessen te bepalen. Voor het warme vroege Paleogeen is er geen sterke onafhankelijke steun voor glacio-eustatisch gecontroleerde zeespiegelschommelingen (Miller et al, 2005). Niettemin toont de Haq et al. (1987) curve van globale zeespiegelveranderingen een reeks van 10 eustatische schommelingen tussen de Krijt/Paleogeen- en Paleoceen/Eoceen grens, die in omvang van 20 tot 150 m variëren. Eén van deze schommelingen is gesitueerd dicht bij de grens tussen de Daniaan en Selandiaan etages (~60 Ma). In Denemarken - het typegebied van deze etages – wordt deze grens door een tijdsdiscordantie gekenmerkt (Thomsen en Heilmann-Clausen, 1985; Thomsen, 1994). Een tijdsdiscordantie in midden Paleocene continentale randzee-secties in Noord-Afrika (Speijer en Schmitz, 1998; Steurbaut et al., 2000; Speijer, 2003; Guasti et al., 2005, 2006) wordt voorlopig, met enige voorzichtigheid, gecorreleerd met deze zeeniveauschommeling. Microfaunale veranderingen die grote schommelingen in de zeespiegel aangeven zijn met deze midden Paleocene tijdsdiscordantie in de zuidelijke Tethys verbonden. Dit geeft aan dat belangrijke informatie over de ontwikkeling van de geo-biosfeer tijdens het vroege warme Paleogeen in midden Paleocene successies gevonden kan worden.De successies van epicontinentale zeeen in Noord-Afrika zijn een rijke bron voor studies over het vroege Paleogeen. Zij zijn dergelijke ideale studievoorwerpen vanwege hun dikte, relatieve volledigheid, en goed bewaard gebleven microfossielen. Ze zijn ook goed toegankelijk in dit (semi) dorre gebied dat een gedetailleerde gebiedsanalyse toestaat. De studies over het midden Paleoceen in Tunesië, Egypte en Jordanië door o.a. Speijer (2003), Steurbaut et al. (2000) en Guasti et al. (2005, 2006) wijzen er reeds op dat dit interval zeer belangrijke informatie over de ontwikkeling van de geo-biosfeer tijdens vroege Paleogeen zal verstrekken. Een benthische foraminiferen in hoge resolutie die het vroege Paleogeen van twee verschillende bekkens in Noord-Afrika met elkaar zal vergelijken is voorheen nog niet uitgevoerd. OnderzoeksvoorstelHet eerste doel is het ontrafelen van de zeespiegelgeschiedenis van de Daniaan/Selandiaan-overgang (D/S) in twee bekkens in Noord-Afrika. Dit project beoogt 1) het construeren van een stratigrafisch kader voor de D/S-overgang in twee bekkens in Egypte en Tunesië; 2) het reconstrueren van paleomilieu veranderingen tot in groot detail, in het bijzonder met betrekking tot omvang en snelheid van de relatieve zeespiegelverandering; en 3) het plaatsen van de resultaten in de globale veranderingen van klimaat en zeespiegel tijdens het midden Paleoceen. Als eerste zal door de zorgvuldige analyse en het bemonsteren van sedimentoppervlakken en -pakketten in het gebied, hun continuïteit en hun microfossiel inhoud kunnen worden geanalyseerd. De constructie van een biostratigrafisch kader is noodzakelijk om de successies langs een transect te kunnen correleren en de resultaten voor de twee bestudeerde bekkens te kunnen vergelijken. Zowel planktische foraminifera als kalkig nannoplankton zullen voor hun biostratigrafische kracht worden gebruikt. De microfossiel inhoud (benthische foraminifern en ostracoden) wordt dan gebruikt om paleomilieu- en zeespiegelveranderingen te ïdentificeren.In opgeheven en geplooide successies is de beste benadering om de omvang van zeespiegelschommelingen te bepalen door middel van fauna analyses langs de paleohelling van het bekken. In combinatie met het gedetailleerde biostratigrafisch kader zal het mogelijk zijn om de snelheid van de zeespiegelverandering te bepalen. Dit zal ook inzicht in mogelijke mechanismen verstrekken. De kwantitatieve microfauna analyses verstrekken verdere paleo-milieuinformatie over productiviteit, gelaagdheid en zuurstofgehalte van de waterkolom. Verder zal geochemische data, zoals stabiele isotopen gegevens, en klei-mineralen en spoorelement voorkomen, de paleo-milieu interpretatie ondersteunen.In beide studiegebieden (Tunesië en Egypte) worden secties geselecteerd die langs een paleodiepte transect van de continentale randzee liggen. In Tunesië is dit transect samengesteld uit de volgende secties: Sidi Nasseur, Elles en Garn Halfaya (b.v. Steurbaut et al., 2000). In Egypte bestaat dit transect uit Gebel Duwi, Aweina, Qreiya-1, Qreiya-3 en Araas (Oostelijke Woestijn van Egypte; Speijer, 2003). De Tunesische secties zijn gesitueerd binnen een bekken dat snelle subsidentie en sedimentaccumulatie kende. Tijdens het paleoceen werd dit bekken geleidelijk aan opgevuld met fijnkorrelige sedimenten, die tot een algemene verondieping leidden (Kouwenhoven et al, 1997). Het Egypte-transect lag op de ‘stabiele shelf’ met vrij lage subsidentie. Studies naar sommige van de secties wijzen erop dat de subsidentie gelijke tred hield met sedimentaanvoer, zodat de algemene paleodiepte niet veel veranderde door het Paleoceen (Speijer en Schmitz, 1998; Guasti, 2005). Dit project concentreert zich op het ~3 miljoen jaar lange interval, ruwweg bestaand uit planktische foraminiferen zones P2-P3 en kalkige nannoplankton zone NP4. De paleodiepte bepaling wordt verwezenlijkt door de kwantitatieve analyse van vooral de benthische foraminiferen fauna. De basis aanname voor deze methode is dat een specifieke assemblage een bepaalde waterdiepte kenmerkt. Het onderzoekTwee gedetailleerde successies (NSF en NSC-05, de secties van Sidi Nasseur, Tunesië) worden onderzocht over de D/S-overgang voor hun micropaleontologische inhoud. Het interval overspant een deel van planktische foraminiferen zone P2, subzone P3a en een deel van subzone P3b. Dit past in kalkige nannoplankton zone NP4. Gebruik makend van een meer gedetailleerde nannoplankton zonatie werd het bestudeerde deel van de successies in zone NTp6, zone NTp7a en een deel van NTp7b opgedeeld. Kwantitatieve ostracoden en kwalitatieve benthische foraminiferen gegevens werden gebruikt om milieuveranderingen over de D/S-overgang te kenmerken. De twee subsecties bevatten een totaal van 50 ostracoden taxa. De ostracoden fauna behoort volledig tot het Zuidelijke Tethys Type, en de fauna vertoont subtiele veranderingen doorheen de secties. Gebaseerd op statistische analyse van de kwantitatieve ostracoden gegevens werden faunale veranderingen bij een glauconitisch sedimentlaag (P3a/P3b grens) aangetoond. De lokale Reticulina proteros-assemblage, met typische soorten Reticulina proteros, Oertliella vesiculosa en Cytheroptheron lekefense, wordt geleidelijk aan vervangen door de Protobuntonia nakkadii-assemblage, met typische van soorten Cristaeleberis arabii, Xestoleberis tunisiensis, Cytheropteron sp. en Protobuntonia nakkadii. Benthische foraminiferen toonden ook verschillende veranderingen bij dit opvallende sedimentbed. De veranderingen in ostracoden en foraminiferen zijn veroorzaakt door veranderingen in paleoproductiviteit en een algemene relatieve zeespiegeldaling. De precieze biostratigraphic positie van de D/S-overgang in het studiegebied is het volgende onderwerp. De D/S-grens in het typegebied van de Daniaan en Selandiaan Etages, Denemarken, is geplaatst binnen zone P3, dichtbij de top van zonegrens NP4-NP5. In Zumaia, Spanje, is lithologische overgangen gecorreleerd met zonegrens NP4-NP5 en subzonegrens P3a-P3b. In secties in Egypte (een bruinrozige mergellaag) en Tunesië (een glauconietrijke mergellaag) werd de D/S-grens ook gecorreleerd met subzonegrens P3a/P3b. Het bleef onduidelijk of deze niveaus nauwkeurig correleerden.Subzonegrens P3a/P3b wordt gedefinieerd door het laagste voorkomen (LO) van Igorina albeari. Gebruikend makend van de literatuur bleek een eenduidige identificatie van de eerste vertegenwoordigers van I. albeari niet mogelijk te zijn. In deze studie worden de beschrijvingen van I. albeari vergeleken en een verenigbare definitie wordt voorgesteld. De Igoriniden met een lichte kiel aan alleen de laatste kamers worden al beschouwd als I. albeari. Het afvlakken van de laatste kamers en de fusie van muricae aan de rand zijn de kenmerken die een kiel doen vermoeden. Deze kiel laat een ondubbelzinnig onderscheid toe tussen I. pusilla en de eerste vorm van I. albeari en is in overeenstemming met de originele beschrijvingen zonder een middensoort te introduceren.In de zuidelijke Tethys is de LO van I. albeari iets voorafgaand aan de kenmerkende bruinrozige mergellaag in Egypte en wordt onmiddellijk gevolgd door de glauconietrijke sedimentlaag in Tunesië. Voorts is de subzonegrens NTp7A/NTp7B, die door de LO van Chiasmolithus edentulus wordt gedefinieerd, gecorreleerd met deze kenmerkende sedimentlagen. In Egypte verschijnt C. edentulus 1 m onder de LO van I. albeari, terwijl in Tunesië deze soorten tegelijk verschijnen. Dit impliceert significante erosie bij de glauconitietrijke laag in de bestudeerde delen van de Tunesië en een meer complete successie bij de bruinrozige mergellaag in de Nijl Vallei. Deze kenmerkende sedimentlagen kunnen ook met een niveau van lithologische verandering in de Aitzgorri Formatie van de Zumaia sectie worden gecorreleerd, door de LO van C. edentulus. De lithologische verandering van Aitzgorri Fm naar Itzurun Fm. in Zumaia, dat nu als officieel criterium voor de D/S grens wordt voorgesteld, is ongeveer 600 kyr jonger dan wat wij nu de ‘upper Danian event beds’ in Tunesië en Egypte noemen. De nadruk ligt nu op de ‘upper Danian event beds’ van Gebel Qreiya (Egypte). De ‘upper Danian event beds’ van Qreiya-3 onderbreken een sedimentsequentie met een benthische fauna die een langzaam dalende zeespiegel aangeeft. De onderbreking bestaat uit twee bedden en de interpretatie is dat deze bedden tijdens een transgressieve zeespiegelverandering werden gevormd. Veranderingen van de zeespiegel beïnvloedden de hoeveelheid en invloed van rivieraanvoer, en veranderen het voedsel- en zuurstofaanbod op de zeebodem. Bed I is een donkere bruinrozige mergel met hoge aantallen planktische foraminiferen, pyriet, visresten en benthische foraminiferen die door bioturbaties van hogere lagen zijn gekomen. Dit bed wordt geïnterpreteerd als zijnde gevormd in een anoxische milieu tijdens de snelle relatieve zeespiegelstijging. Bed II is een donkergrijze mergelige klei die is afgezet op midden neritische waterdiepte (50-125 m). De zeespiegel bleef stijgen en de rivieraanvoer nam af in het Qreiya gebied en de zeebodem werd weer beter belucht. Eerst heerste er midden-diep neritische (75-150 m) omstandigheden en tenslotte keerden de diep neritische (100-200m) waterdieptes terug. Het interval boven de ‘upper Danian event beds’ toont een geleidelijke toename van voedselaanbod, met de hoogste voedselbeschikbaarheid tijdens de stabiele diep neritische omstandigheden. Deze hoog-resolute multi-proxie studie van de Qreiya-3 sectie openbaart dat de relatieve zeespiegelveranderingen op zijn minst van lokale omvang is. Een hoge-resolutie studie langs het dieptetransect in het Nijl Vallei bekken door boven Daniaan en onder Selandiaan sedimenten is het volgende aandachtspunt. Een benthische foraminiferen studie wordt uitgevoerd aan vijf secties in Egypte om in detail een prominente zeespiegelschommeling te kwantificeren binnen de D/S-overgang. Een zeespiegel-schommeling van ~75 m wordt geregistreerd op het niveau van de ‘upper Danian event beds’ in de homogene mergelopeenvolging van de Dakhla Fm. De bestudeerde secties bevinden zich in de Oostelijke Woestijn, langs Nijl Vallei (Gebel Aweina, Gebel Qreiya, Gebel Araas) en kust van de Rode Zee (Gebel Duwi).De faunas in de meest noorderlijke secties, Qreiya en Araas, zijn zeer gelijkaardig, met diep neritische-bathyale benthische foraminiferen assemblages (planktische foraminiferen zone P2 en subzone P3a). De ondiepere secties Aweina en Duwi bevatten minder bathyale taxa. Een verandering naar een midden-diepe neritische fauna wordt waargenomen verscheidene meters onder de ‘upper Danian event beds’ in de ondiepere secties, en onmiddellijk onder de ‘upper Danian event beds’ in de diepere secties. Dan onderbreeken de ‘upper Danian event beds’ zeer abrupt, net boven de subzonegrens P3a/P3b, deze zeespiegeldaling. Deze storing wordt met ernstig zuurstofgebrek en eutroficatie geassocieerd die tot een ontbreken van het benthisch leven leiden. Een laag diverse midden-neritische benthische fauna, die door Neoeponides duwi wordt gekenmerkt, keert slechts terug nadat (dys)oxische omstandigheden zich iets hadden hersteld. Dit wijst erop dat de basis van de ‘upper Danian event beds’ een tijdsdiscordantie is, en dat de sedimenten van de laagste zeespiegelstand zijn geërodeerd.Gebaseerd op deze observaties en vroegere gegevens van planktische foraminiferen faunas concluderen wij dat de grotere nutriënten aanvoer via de rivier tot hogere primaire productiviteit en gelaagdheid van de waterkolom leidde. Duwi, anderzijds, werd niet beïnvloed door dit riviersysteem, aangezien het in het oostelijke deel van het bekken ligt. Ondertussen bleef de zeespiegel stijgen en oceanografische omstandigheden normaliseerden, waardoor rivieraanvoer (in de Nijl Vallei) en opwelling (in Duwi) waarschijnlijk naar het zuiden terugkeerden. Derhalve verschenen de normale, bathymetrisch gerangschikte, benthische faunas weer. De laatste verandering in fauna was zichtbaar boven zonegrens NP4-NP4; deze verandering gaf een geleidelijke toename van voedselaanbod aan. De paleobathymetrie en paleoproductiviteit van de ‘upper Danian event bed’ in de Tunesische Trog (Sidi Nasseur, Garn Halfaya, Elles) zijn ook bestudeerd. In de laagste monsters van Sidi Nasseur en Garn Halfaya, in het onderste deel van zone P2, wijst de dominantie van benthische foraminifer Bulimina strobila op verhoogd voedselaanbod in het milieu. De hoog diverse benthische fauna in het bovenste deel van zone P2 en in subzone P3a wijst op een oligotrophisch, diep neritisch-bathyaal milieu (100-200 m). In het bovenste deel van subzone P3a verdwijnen opeenvolgend dieper water taxa zoals Angulogavelinella abudurbensis en Anomalinoides affinis. De hoeveelheid bathyale taxa in de secties is afhankelijk van de positie van de secties langs de paleobathymetrische gradiënt, met Sidi Nasseur als ondiepste plaats (100-150 m), Garn Halfaya in het midden (125-175 m) en Elles als diepste plaats (150-200 m). Direct bovenop deze diep neritische sedimenten, correlerend met de grens tussen planktische foraminiferen subzones P3a en P3b, ligt de glauconiet-rijke ‘upper Danian event bed’. Dit bed wijst waarschijnlijk op een puls in voedselaanbod en een snelle zeespiegelstijging. De fauna boven deze ‘upper Danian event bed’ wijst nu op een midden-diep neritische milieu (75-150 m). Opnieuw zijn de verschillen in hoeveelheid bathyale taxa afhankelijk van de positie van de secties langs het dieptetransect. Hogerop in de secties van Sidi Nasseur en Garn Halfaya stijgen de hoeveelheden van taxa die indicatief zijn voor hoger voedselaanbod, zoals buliminiden, Stainforthia spp. en Siphogenerinoides elegantus.De ‘upper Danian event bed’ in Tunesië is een sequentiegrens, dit werd duidelijk door de aanwezigheid van glauconiet boven de ‘unconformity’, omdat dit mineraal wordt gevormd tijdens de transgressieve fase van de zeespiegelschommeling. Het is niet mogelijk om de amplitude van de zeespiegelschommeling met fauna veranderingen te bepalen, aangezien de lowstand sedimenten zijn geërodeerd. Door de aanwezigheid van het glauconiet in de ‘upper Danian event bed’ is een zeespiegelschommeling als oorzaak te concluderen, terwijl deze snelle fluctuatie dan weer tijdens een langzame zeespiegeldaling plaatsvond.In Egypte is bij de ‘upper Danian event beds’ ook een snelle zeespiegelcyclus waargenomen, gevolgd door ook een verhoging van de paleoproductiviteit. Als de verschillende afzettingsomstandigheden van de twee gebieden in beschouwing worden genomen maakten de lokale zeespiegelschommelingen aan de ‘upper Danian event beds’ deel uit van een regionaal significante zeespiegelcyclus. Conclusies Het uiteindelijke doel is de resultaten plaatsen in de context van globale klimaat- en zeespiegelveranderingen van het Paleoceen. De ‘upper Danian event beds’ van de zuidelijke Tethys komen op het zelfde stratigrafische niveau in twee afzonderlijke bekkens voor, de Tunesische Trog (Tunesië) en de Nijl Vallei bekken (Egypte), maar de correlatie met globale eustatische zeespiegelcurves is veel moeilijker. De ‘upper Danian event beds’ in de zuidelijke Tethys kunnen misschien gecorreleerd worden met DA-4 van Hardenbol et al (1998). In het Noordzee bekken en in Zumaia wordt een ‘upper Danian event bed’ niet direct herkend, hoewel er aanwijzingen zijn voor zeespiegelveranderingen. Lokale tectonische bewegingen of eustatische zeespiegelveranderingen kunnen dan de regionale schommelingen verklaren.Het Paleoceen wordt over het algemeen beschouwd als een ijsvrije, ‘greenhouse’ wereld, maar misschien zijn een zeer warm klimaat en seizoengebonden ijskappen niet wederzijds exclusief. Bornemann et al. (2008) toont isotopisch bewijsmateriaal voor ijstijdperiodes tijdens het Turoon, in de ‘supergreenhouse’ van het Krijt. Het bekendste interval met eustatische zeespiegelveranderingen en een isotopische excursie is de PETM.De vele gelijkenissen in het Nijl Vallei bekken, in sedimentologische eigenschappen, biotische veranderingen, koolstofisotopen en zeespiegelveranderingen, tussen de ‘upper Danian event beds’ en de PETM zijn zeer opvallend. Dit betekend dat op zijn minst in dit bekken gelijkaardige processen hebben plaatsgevonden. Het extreem warme klimaat tijdens de PETM wordt geassocieerd met een ~3‰ negatieve koolstofisotopen excursie (b.v., Kennett en Stott, 1991) en de ‘upper Danian event beds’ bevatten een koolstof isotopen excursie van ~1‰ (Schmitz et al, 1998). De abnormale planktische foraminiferen fauna die door Acarinina wordt gekenmerkt, en een fluctuatie in benthische foraminiferen faunas worden ook geassocieerd met beide gebeurtenissen (Speijer, 2003; Sprong et al., in prepE).De ‘upper Danian event beds’ zijn van kleinere omvang, maar belangrijk genoeg om de zeespiegel te beïnvloeden. Vele details betreffende de correlatie van de ‘upper Danian event beds’ tussen de open oceaan en de Zuidelijke Tethys, stratigrafisch en de koolstof- en zuurstof isotopen curves, moeten nog worden verduidelijkt. Niettemin, is het een intrigerende overweging dat de ‘upper Danian event beds’ een voorloper van de PETM kunnen zijn geweestn. Deze overweging is de basis voor verdere studies over de identificatie en beschrijving van Paleocene ‘hyperthermalen’ in continentale randzee- en diepzee secties.