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Changes in climate and palaeoenvironment during the Late Jurassic–Early Cretaceous in southern South America and western Antarctica

Brysch, Sven

German Title: Veränderungen des Klimas und der Paläoumwelt während des späten Jura-frühen Kreide im südlichen Südamerika und der westlichen Antarktis

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Abstract

The palaeoenvironmental changes of Upper Jurassic (Middle Tithonian) to Lower Cretaceous (Lower Albian) sediments are here analysed along a North-South transect following the southwestern margin of Gondwana (central Chile, Patagonia, and Antarctica). The focus of this high-resolution multidisciplinary study is paid to climatic perturbations, which are evident in palynofacies and lithofacies records as well as by presence/absence of the cold-water indicative mineral glendonite. In central Chile two sections corresponding to the Tithonian–Hauterivian Lo Valdés Formation were analysed from the Mendoza-Neuquén backarc basin. An uppermost Tithonian unit was identified which corresponds to a relatively low sea level and deposition in proximal to inner platform environments. This interval is followed by a transgressive interval in the Berriasian, leading to deep shelf to basin depositional settings. The early–Middle Valanginian shows again a relatively low sea level with inner platform to slope deposits, followed by a second transgressive phase in the Upper Valanginian to Hauterivian at the top of the sections, represented by deep shelf to basin deposits. Sedimentary organic matter (OM) in the sections is intensely altered by thermal degradation and mostly consists of terrestrial OM with only very minor amounts of marine OM. Calpionellids are found in the Berriasian interval, indicating warm, oxygen-rich conditions at least for the water column. Corresponding to both intervals of low sea level (uppermost Tithonian, early–Middle Valanginian) microscopic glendonite was identified in the insoluble sample residue. The occurrence of glendonites in these shallow marine shelf environments indicates cold water temperatures and thus provides evidence for significant climatic cooling in the latest Tithonian and early–Middle Valanginian. In Patagonia (Región de Magallanes y de la Antártica Chilena) drilled core cuttings of two wells were analysed reaching from the Tithonian to Berriasian and Hauterivian to Aptian (Sofia 1 core – Tobífera Formation, lower and middle Zapata Formation, Austral Basin, backarc) and from the Upper Barremian to Lower Aptian (Nevenka 1 core – Springhill/Río Mayer Formation, Austral Basin, backarc). Samples of the Sofia 1 core show highly altered organic matter but information about the depositional setting could still be obtained by using the opaque:translucent ratio of phytoclasts and the shape and size of organic particles. Organic matter is better preserved in the Nevenka 1 core and the AOM-Phytoclast-Palynomorph relationship was used to identify depositional environments. Both Patagonian sections present a predominance of siliciclastic sedimentation while increased carbonate content was confined to short intervals. Microscopic glendonites were detected in the Upper Barremian and Lower Aptian section and are accompanied by proximal depositional environments, thus pointing to low sea level reflecting glacioeustasy. In Antarctica, the sampled interval ranges from the Middle Tithonian to the Lower Albian. Analysed sections include the Anchorage-, President Beaches- and Chester Cone Formation of the Byers Group (Byers Peninsula, intra-arc), the Himalia Ridge-, Spartan Glacier- and Pluto Glacier Formation of the Fossil Bluff Group (Alexander Island, forearc), the Nordenskjöld Formation and the Kotick Point Formation of the Gustav Group (James Ross Island, backarc). In the Byers- and Fossil Bluff Groups, a few samples show increased carbonate contents while most are composed of siliciclastic material. In contrast, carbonate content in the Nordenskjöld- and Kotick Point Formation is generally higher reaching up to 44 %. Again, occurrences of microscopic glendonite are majorly observed in intervals of proximal deposition in the Upper Tithonian, lowermost and uppermost Berriasian, lower and Upper Valanginian, Lower Barremian and throughout the Aptian. Presence of micro-glendonite and majorly concurrent proximal deposition points to intervals of low sea level, which is interpreted as a result of glacioeustasy. Scarce occurrences of micro-glendonite in intervals with distal depositional settings are considered to reflect cool bottom water conditions in times of higher sea level. Micrometre-sized glendonite pseudomorphs after ikaite are therefore recorded from all studied areas along the North-South transect (central Chile, Patagonia, Antarctica), but their restriction to specific levels of the Tithonian to Aptian sediment succession provides strong evidence for episodic cooling. Until now glendonites of Late Jurassic–Early Cretaceous ages have only been known from northern high latitudes. The new data from Chile and Antarctica provide strong evidence for repeated small scale glaciations in the southern hemisphere. These cold episodes in the Upper Tithonian, lowermost Berriasian, Valanginian, lowermost Hauterivian, Lower Barremian, Aptian and Lower Albian punctuated the Early Cretaceous greenhouse climate in both the northern and southern hemispheres and must thus have been global events.

Translation of abstract (German)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden entlang eines Nord-Süd-Transekts, der dem südwestlichen Rand Gondwanas (Zentralchile, Patagonien, Antarktis) folgt, anhand mehrerer Sedimentabfolgen die Paläoumweltveränderungen während des späten Jura (mittleres Tithonium) bis zur frühen Kreide (unteres Albium) analysiert Der Fokus dieser hochaufgelösten multidisziplinären Studie liegt auf klimatischen Störungen, die in Palynofazies- und Lithofazies-Aufzeichnungen sowie in der An- beziehungsweise Abwesenheit des Kaltwasser-anzeigenden Minerals Glendonit sichtbar werden. In Zentralchile wurden zwei Profile aus dem Mendoza-Neuquén backarc-basin analysiert, die der Lo Valdés Formation (Tithonium–Hauterivium) entsprechen. Das Intervall aus dem oberen Tithonium zeigt einen relativ niedrigen Meeresspiegel und Ablagerungen der proximalen bis inneren Plattform. Diesem Intervall folgt eine transgressive Phase im Berriasium, welche zu einem Ablagerungsmilieu des tiefen Schelfs führte. Das frühe–mittlere Valanginium ist erneut von einem niedrigen Meeresspiegel und Ablagerungen der inneren Plattform bis zum Kontinentalhang geprägt. Während des späten Valanginiums und des Hauteriviums am Top der untersuchten Profile, folgte eine zweite transgressive Phase, die durch Ablagerungen des tiefen Schelfs und des Beckens gekennzeichnet ist. Die sedimentäre organische Materie (OM) in diesen Profilen ist stark alteriert und besteht überwiegend aus terrestrischer OM, wohingegen marine OM nur geringfügig vertreten ist. Das Auftreten von Calpionellen im Intervall des Berriasiums deutet auf warme, sauerstoffreiche Bedingungen hin, die zumindest in den oberen Wasserschichten vorherrschte. Zeitgleich zu beiden Intervallen mit reduziertem Meeresspiegel (oberstes Tithonium, frühes–mittleres Valanginium) wurde das Auftreten von mikroskopischen Glendoniten in den Probenrückständen festgestellt. Das Auftreten von Glendoniten in den Ablagerungsräumen des flachmarinen Schelfs, deutet auf kalte Wassertemperaturen hin und liefert Belege für signifikante klimatische Abkühlung während des spätesten Tithoniums und des frühen–mittleren Valanginiums. In Patagonien (Región de Magallanes y de la Antártica Chilena) wurde das Bohrklein zweier Bohrkerne untersucht, die vom Tithonium bis Berriasium und Hauterivium bis Aptium (Bohrung Sofia 1 – Tobífera Formation, untere und mittlere Zapata Formation, Austral Becken, backarc) beziehungsweise vom oberen Barremium bis unteren Aptium (Bohrung Nevenka 1 – Springhill/Río Mayer Formation, Austral Becken, backarc) reichen. Die Proben aus dem Sofia 1 Bohrkern sind von stark alterierter organischer Materie geprägt. Anhand des Verhältnisses von opaken zu durchsichtigen Phytoklasten und der Verteilung von Form und Größe organischer Partikel konnten dennoch Informationen über das Ablagerungsmilieu gewonnen werden. Die organische Materie des Nevenka 1 Bohrkerns ist besser erhalten, weshalb zusätzlich das Verhältnis von AOM-Phytoklasten-Palynomorphen verwendet wurde, um die Paläo-Umwelt zu identifizieren. Beide Profile aus Patagonien bestehen überwiegend aus siliziklastischen Sedimenten, erhöhter Gehalt an Karbonat ist auf kurze Intervalle beschränkt. Begleitet von proximalen Ablagerungsbedingungen wurde das Auftreten von Mikroglendoniten im oberen Barremium und unteren Aptium beobachtet, was auf einen glazioeustatischen Einfluss auf den Meeresspiegel hindeutet. Aus dem Untersuchungsgebiet in der Antarktis reicht das beprobte Intervall vom mittleren Tithonium bis zum unteren Albium. Die analysierten Profile umfassen die Anchorage-, President Beaches- und Chester Cone Formationen der Byers Gruppe (Byers Peninsula, intra-arc), die Himalia Ridge-, Spartan Glacier- und Pluto Glacier Formationen der Fossil Bluff Gruppe (Alexander Island, forearc) sowie die Nordenskjöld- und Kotick Point Formationen (James Ross Island, backarc). Die Proben der Byers- und Fossil Bluff Gruppen bestehen überwiegend aus siliziklastischem Material wobei vereinzelt erhöhte Gehalte an Karbonat auftreten. Die Proben aus den Nordenskjöld- und Kotick Point Formationen zeigen hingegen durchgehend höhere Gehalte an Karbonat, die Anteile von bis zu 44 % erreichen. Auch hier wurden Vorkommen von Mikroglendoniten hauptsächlich in den Intervallen festgestellt, die von proximalen Ablagerungsmilieus gekennzeichnet sind: oberes Tithonium, unterstes und oberstes Berriasium, unteres und oberes Valanginium, unteres Barremium und durchgehend innerhalb des Aptium. Die Beschränkung von Mikroglendonit-Vorkommen auf Einheiten mit proximalen Ablagerungsbedingungen und folglich niedrigem Meeresspiegel, deutet auf glazioeustatischen Einfluss hin. Vereinzeltes Auftreten von Mikroglendoniten wurde auch in Intervallen mit distalen Ablagerungsbedingungen beobachtet, wo sie auf kalte Tiefenwässer in Zeiten erhöhten Meeresspiegels hindeuten. Somit wurde aus allen untersuchten Gebieten entlang des Nord-Süd-Transekts (Zentralchile, Patagonien, Antarktis) das Auftreten von Mikrometer-großen Glendonit-Pseudomorphen nach Ikait beobachtet. Die Beschränkung auf spezielle Niveaus des Oberjura und der Unterkreide (Tithonium bis Aptium) liefert deutliche Hinweise auf episodische Abkühlperioden. Bislang sind Glendonite von spätjurassisch-frühkretazischem Alter nur aus den nördlichen hohen Breiten bekannt. Die neuen Daten aus Chile und der Antarktis liefern nun starke Belege für wiederholte Vereisungen auf der südlichen Hemisphäre. Diese kalten Episoden im oberen Tithonium, untersten Berriasium, Valanginium, untersten Hauterivium, unteren Barremium, Aptium und unteren Albium unterbrachen das frühkretazische Treibhausklima sowohl in der nördlichen als auch in der südlichen Hemisphäre und müssen daher Ereignisse von globaler Reichweite gewesen sein.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Stinnesbeck, Prof. Dr. Wolfgang
Date of thesis defense: 26 October 2018
Date Deposited: 27 Nov 2018 13:26
Date: 2018
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
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