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Numerical Modeling as a Means to Enhance Genetic Sedimentary Basin Interpretation : A Case Study of the Southern Cantabrian Basin (NW Spain)

Dietrich, Birgit

German Title: Numerische Modellierung in der genetischen Sedimentbecken-Interpretation am Beispiel des südlichen Kantabrischen Beckens (NW-Spanien)

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Abstract

The objective of this work was to quantify factors controlling the development of the Southern Cantabrian Basin (NW Spain). A sedimentological and sequence stratigraphic model was established for the syn-orogenic Carboniferous basin fill, and subsequently ­analyzed and calibrated by a combined ­approach of reverse basin and stratigraphic forward modeling. The basin fill comprises Cambrian to Carboniferous deposits that were deformed and displaced along thrust planes by thin-skinned tectonics within the Variscan fold-and-thrust belt. In order to carry out stratigraphic ­modeling, structural balancing was employed to determine initial distances between the recorded stratigraphic columns. Surface data only were available, therefore a family of structures was determined for the Southern Cantabrian Zone to construct admissible cross-sections. Within the thrust sheets, minimum shortening rates range from 19% to 54%, depending on the extent to which individual tectonic units were deformed. Minimum shortening rates range between 44% and 64%, including displacement along the thrust planes. The Carboniferous deposits reflect the deve-lopment from a simple underfilled foreland basin to a segmented and subsequently filled foreland basin system. Within the field area, distal siliciclastic foredeep deposits successively onlap and terminate the Valdeteja carbonate platform that developed in the position of the forebulge. The cratonward margin of the platform and the transition to the basinal back-bulge deposits are well exposed. The margin exhibits excellent stratification patterns that were able to be traced within aerial photographs due to the overly subvertical dip of the sedimentary package. Sequence stratigraphic analysis was based on stratigraphic columns measured during field work, thin section analysis, biostratigraphic data and aerial photographs. It was used to reach a higher time-resolution within the carbonate platform and to correlate the stages of platform development with the progressively ­approaching, predominantly siliciclastic, ­deposits of the San Emiliano Formation. Platform termination proceeded from the west and south to the east by increasing subsidence rates and terrigenous input. The change in ­depositional environment from a shallow-water platform to a mixed carbonate-­siliciclastic basinal deposition reflects the response of the lithosphere to the progressively approaching Variscan Orogen. Reverse basin modeling was applied to two restored, north-south oriented transects and also to a third, west-east oriented transect connec-ting them. Subsidence rates were obtained for the complete Paleozoic basin fill. These data cover the development of the basin from an early Paleozoic extensional to a late Paleozoic compressional setting that resulted in the creation of the Variscan Orogen. Due to the proximal position of the transects, pre-Carboniferous data show uniformly low subsidence rates with a maximum of 80m/Ma. Thermo-tectonic subsidence rates of 740m/Ma at maximum created the necessary space to accommodate the siliciclastics shed ­during the orogenic foredeep stage during the Carboniferous. Subsidence rates within the internal parts of the forebulge depozone reach a maximum of 110m/Ma, whereas ­subsidence in the outer parts of the forebulge reaches 270m/Ma. Spatial and temporal distribution patterns of subsidence values at the time of platform termination point to a complex non-linear setting in front of the Variscan Orogen that could be indicative of an orogenic recess or an oblique collision. Stratigraphic forward modeling highlighted the importance of geometrical constraints as one of the controlling factors for platform progradation into the basin. During aggradation, the carbonate repose angle increased to up to 45°. Carbonate production rates for the platform of the Valdeteja Formation reached a maximum of 260m/Ma. Furthermore, the Carboniferous eustatic sea-level curve was calibrated by the model.

Translation of abstract (German)

Das Ziel der Arbeit war die Quantifizierung der Kontrollfaktoren für die sedimentologische Entwicklung des südlichen Kantabrischen Beckens (NW Spanien). Ein sedimentologisches und sequenzstratigraphisches Modell wurde für die synorogene karbonische Beckenfüllung erstellt und mittels einer kombinierten stratigraphischen Rückwärts- und Vorwärtsmodellierung analysiert und kalibriert. Die Beckenfüllung umfasst kambrische bis karbonische Abfolgen, die während der Variszischen Orogenese in einzelne Überschiebungseinheiten zerstückelt und entlang von Überschiebungshorizonten verlagert wurden. Als Grundlage für die stratigraphische Modellierung wurde eine strukturelle Bilanzierung durchgeführt um die ursprünglichen Abstände zwischen den gemessenen Profilen zu bestimmen. Da nur Oberflächendaten zur Verfügung standen, wurde eine Gruppe von Strukturelementen für die südliche Kantabrische Zone aufgestelllt, die als Rahmenbedingung für die Erstellung der Profile gedient haben. Minimale Verkürzungsbeträge innerhalb der einzelnen Überschiebungspakete betragen 19% bis 54%, abhängig von dem jeweiligen Grad der Verformung der strukturellen Einheiten. Bei Einberechnung der Überschiebungsweiten in die minimalen Verkürzungsbeträge ergeben sich Werte zwischen 44% und 64%. Im Laufe der Orogenese kam es zur Differenzierung des Vorlandbeckens in ein zentrales, tieferes Becken vor dem Orogen (Vortiefe) und einen gehobenen Bereich in distaler Position (“forebulge”) sowie ein angrenzendes, kleineres Becken (“back-bulge”) zwischen forebulge und Kraton. In der Position des forebulge bildete sich die Karbonatplattform der Valdeteja-Formation. Die Vortiefe wurde sukzessive mit Siliziklastika der San Emiliano-Formation verfüllt, die mit fortschreitender Orogenese auf die Karbonatplattform übergriffen. Der Übergang zwischen Karbonatplattform und angrenzendem Becken auf der Seite des Kratons sind gut aufgeschlossen. Exzellente Schichtungsmuster sind im Luftbild aufgrund des überwiegend subvertikalen Einfallens der Schichtung verfolgbar. Für die sequenzstratigraphische Analyse wurden die Luftbildinterpretation, sowie im Gelände gemesse stratigraphische Profile, Dünnschliffanalyse und biostratigraphische Daten genutzt. Die Sequenzstratigraphie ermöglichte die Verbesserung der zeitlichen Auflösung innerhalb der Plattform und der Korrelation zu den distalen siliziklastischen Sedimenten der Vortiefe. Aufgrund der zunehmenden flexurellen Biegung der Lithosphäre durch das Herannahen des Orogens wurde die Karbonatplattform zunehmend zurückgedrängt und Klastika verfüllten den neu geschaffenen Akkommodationsraum. Eine Rückwärtsmodellierung ermittelte Subsidenzwerte für die komplette paläozoische Beckenfüllung entlang der zwei bilanzierten nord-süd verlaufenden Transekten und eines weiteren, west-ost gerichteten Transektes, der die anderen beiden Transekte verbindet. Die Subsidenzdaten umfassen die extensions-dominierte Entwicklung während des frühen Paläozoikums und die anschließende Inversion des Spannungsfeldes bis hin zur Variszischen Orogenese. Geringe Subsidenzwerte von maximal 80m/Ma im prä-orogenen Becken sind auf die proximale Lage der Transekte zurückzuführen. Während des Karbons erreichten die thermo-tektonischen Subsidenzraten einen Maximalwert von 740m/Ma bei Einsetzen der klastischen Sedimentation im westlichen Arbeitsgebiet. Interne Bereiche des forebulge weisen maximale Subsidenzwerte von 110m/Ma auf, während externe Bereiche maximale Werte von 270m/Ma erreichen. Die zeitliche und räumliche Subsidenzentwicklung deutet auf eine komplexe, nicht-lineare Verteilung der Faziesgürtel vor dem Variszischen Orogen hin. Aufgrund der Faziesverteilung und der Subsidenzentwicklung wird ein nicht-linearer, gebogener Verlauf des Orogens oder, alternativ, eine schräge Kollision angenommen. Die stratigraphische Vorwärtsmodellierung verdeutlichte den bedeutenden Einfluss von geometrischen Parametern auf das Progradationsmuster der Plattform. Während Zeiten hoher Aggradation versteilte sich der Neigungswinkel des Plattformhanges auf bis zu 45°. Die Karbonatproduktionsraten innerhalb der Valdeteja Formation erreichten Werte bis zu 260m/Ma. Die eustatische Meeresspiegelkurve wurde aufgrund der Modellierergebnisse modifiziert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Zühlke, HD Rainer
Date of thesis defense: 4 July 2005
Date Deposited: 24 Aug 2005 11:21
Date: 2005
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Carbonatplattform, Karbon, Sequenzstratigraphie
Uncontrolled Keywords: Südliches Kantabrisches Becken , Rückwärtsmodellierung , Vorwärtsmodellierung , nicht-lineares Orogen , strukturelle BilanzierungCarboniferous foreland basin , carbonate platform , sequence stratigraphy , basin modeling , orogenic recess
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