presented by - ETH E

Diss. ETH No. 13110
CLIMATIC AND TECTONIC CONTROLS ON TURBIDITIC
AND PELAGIC SEDIMENTATION IN TLIE DEEP SEA:
THE PALEOCENE-LOWER EOCENE ZTJMAIA SERIES
(NORTHERN SPAIN)
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
for the
degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Piotr Gawenda
M.Sc. in
Geology
born 30. 07. 1963
Citizen of Polartd
accepted on the recommendation of
PD Dr. Wilfried Win kler
examiner
Prof. Dr. Daniel Bernoulli
lst co-examiner
Prof. Dr. Birger Schmitz
2nd co-examiner
1999
V
Abstract
The turbidites and pelagic Sediments of the Zumaia series were deposited in a
deeper marine basin in the Paleocene to early Eocene Bay of Biscay located at a
paleolatitude of 35° N. Deposition occurred in a basin which was open towardsthe At¬
lantic ocean and bounded by the proto-Pyreneanmountain chain to the east and carbon¬
ate shelves to the north and south. The Zumaia series records changesin the tectonic and
oceanographic regimes which were related to the early stages of the Pyrenean orogeny
and changingclimate.
In the lowerPaleocene series
(NP1-4), alternations of thick-bedded, red and gray
pelagic limestones and red hemipelagic marlstones prevail. Only few turbidites contain¬
ing little siliciclastic material are present in this interval and the rates of turbiditic and
pelagic Sedimentation were low (0.4 to 1.0 cm/ky). Deposition of the lowerPaleocene to
lowermost upper Paleocene series occurred under prevailingwarm and perenniallywet
climatic conditions. The upper Paleocene series (NP 5-9) is characterised by abundant
thin-beddedbioclastic arenites, intercalated with grey hemipelagic marlstones and pe¬
lagic limestones. The content of siliciclasticmaterial in the calcarenites is generallylow.
From NP 5 upward, the frequency of turbidites,as well as the thickness of beds increases.
This increase is accompanied by increasing rates of pelagic Sedimentation (from -1.0 to
-7.0 cm/ky),greater thicknessesof pelagic limestone beds and a higher CaC03 contentof
the pelagic layers. After a maximum in NP 7-8, the trend towards increasing frequency
and thickness of turbiditicand pelagic beds was reversed. The Paleocene/Eocenetransi¬
tion is characterised by a an interval of red clayey marlstones.Sedimentation of turbid¬
ites and pelagiclimestones ceased during this time interval.
Deposition ofthe Paleocene series occurred during tectonic quiescence. In the upper
Paleocene,the clay mineral assemblages point to a symmetrical change from warm pe¬
rennially wet to cool/dry and again to warm/perenniallywet conditionsin the source
area. The
reappearance of kaolinite indicates that substantial warming occurred across
the Paleocene-Eoceneboundary Carbon isotope ratios in pelagic Sediments show a
gradual decrease in 13C fromthe K/T boundary to the lowermost Eocene (from 513C 2.0 %0
PDB to -0.0 %0). In the upper Paleocene, this long-term trend is interruptedby a 13C
enrichment-depletion cycle which peaks in upper NP 7/.lower NP 8 (8'3C > 3.0 %0). The
Paleocene/Eocenetransition is characterisedby
distinctive negative 513C excursion
(approx. 4.0 %o). The carbon isotope signal is conform with the evolution of the ocean
productavity. This is also documented by the presence of glauconitic infills in planktonic
foraminiferain pelagiclayers (due to a lowering of the oxygen minimum zone), coeval
with and following the late Paleocene 513C maximum.
a
vi
An increase and
subsequent
decrease in the deposition of bioclastic turbidites in
the middle late Paleocene (interval NP 5 throughNP 9), is interpreted to reflect climatically controlled produetion of carbonate sediment by heterozoan communities on the
shelvesof the Paleocene Bay of Biscay in response to a cooler climatein the late Paleocene
Atlantic region, more efficient mixing of the ocean waters and enhanced supply of nutrients by increased wind-driven Ekman pumping. Frequent turbidity currents redeposited increasedvolumes of calcareousdebris. In contrast, low turbiditiccarbonate deposi¬
tion occurred during warm and perenniallywet periods (early Paleocene and the Pale¬
ocene/Eocene transition) due to decreased produetion of carbonate material.
The lower Eocene terrigeneousturbidites (NP U-14b) gradually developedfrom
the Paleocene to lowermostEocene mixed pelagic limestone-carbonateturbidite sequence
(NP 1-10). Plate tectonic reconstruetions and dating of the Pyrenean foreland thrust ac¬
tivity documentconvergencebetween the Iberian and Eurasian plates and uplift of the
Pyrenees during the early Eocene. Starting in early NP 11 the turbiditebedsbecamedominated by terrigenous detritus. The quartz content in the turbidite layers generally exceeds50 %. This is paralleled by an increase of fine terrigenous materialin the hemipelagic
beds (40-70 % phyllosilicates).Consequently, from early NP 12 onwards, there is a dis¬
tinct change from grey pelagic limestonesand marly limestones to thin green hemipelagic
clayey marlstones.This reflects reduced pelagiccarbonate produetion and/or increased
Sedimentation of clay minerals from surface water plumes. Compared to the Paleocene,
both the mean bulkand turbiditicSedimentation rates significantly increased (1.5 cm/ky
to 43 cm/ky and 0.25 cm/ky to 39.4 cm/ky, respectively),as did the frequency of turbiditic
events.
During the early Eocene, there are strong variations in the clay mineral assemblages.
Such fluetuations provide information on changes in climate and relief in the source ar¬
eas. The presence of kaolinite indicates that a warm humid climate prevailed during the
entire early Eocene. In upper NP 12, mid-NP 13 and upper NP 14, the abundances of
detrital kaolinite and illite in the hemipelagic layers correlate withincreased contents in
K-feldspar and siliciclastics.This may be explained by pulses of tectonic activity(steepening of slopes) in the source area which at the same time accelerated erosion and trans¬
port of preexistingsoils and of little weathered detritus (illite and other siliciclastics).
Intervening periods (late NP 13 to early NP 14) were characterized by an increase of
smectite at the expense of kaolinite. During these
periods,
smectitic
clays were eroded
fromlowland fluvial plains.
The sedimentaryevolution of the Zumaia series, from a carbonate-dominated
system (Pal.eoce.ne-lower.most lowjer Eocene) to a siliciclastic system (middle to upper
lower Eocene), documents the response of deep-sea Sediments to the westward
progradation of tectonic uplift in the Pyrenean chain. The frequency-size statistics of
Vit
turbidite beds thicknesses during periods of increased tectonic activity and sediment
input show a power-lawdistribution, implyingthat the depositionalsystem temporarily
reached a self-organisedcritical state (especially in NP 12). The evotution of the system
to the critical State appears to have been driven mainlyby increasedsiliciclastic input.
Zusammenfassung
Die turbiditisehen und pelagischen Ablagerungen der Zumaia-Serie, wurden vom
Paleozän bis frühen Eozän in der tiefmarinen Buchtvon Biscaya abgelagert. Diese Bucht
auf ca. 35° N Paläobreite gegen den Atlantischen Ozean offen und im Osten durch
die frühe Pyrenäenkette und im Norden (Aquitanien) und Süden (Iberien) durch die
war
Karbonatschelfebegrenzt. Die Zumaia-Serieregistrierte Änderungenin den tektonischen
und ozeanographischen Verhältnissen, die mit den frühen Stadien der PyrenäenOrogenese und Änderungendes Paläoklimas erklärt werden.
Im Unteren Paleozän (NP 1-4) herrschen dickbankigen, rote und graue pelagische
Kalkebzw. rote hemipelagischen Mergel vor. Nur wenige Turbidite, die ihrerseitswenig
siliziklastisches Material enthalten, kommenin diesem Intervall vor. Die turbiditischen
und pelagischen (kompaktierten) Sedimentationsraten sind gering (0.4 bis 1.0 cm/ka).
Spätpaleozänerfolgte die Sedimentationunter
vorherrschend warmen/dauerfeuchten klimatischen Bedingungen.Die oberpaleozäne
Serie ist charakterisiert durchzahlreichedünnbankige,bioklastische Kalkarenite, die mit
grauen hemipelagischen Mergel und pelagischen Kalken in Wechsellagerungstehen. Der
Anteil an siliziklastischem Materialin den Kalkarenitenist allgemein gering (<15 %). Von
NP 5 aufwärts steigt die Frequenz der Turbidite (gemessenals Anzahl Turbidite pro Me¬
ter pelagischen Sedimentes), wie auch die Mächtigkeit der Schichten an. Dieser Anstieg
verläuft parallel zu (1) einer ansteigenden pelagischen Sedimentationsrate (kompaktiert,
von 1.0 auf 7.0 cm/ka), (2) grösseren Mächtigkeiten pelagischer Kalkschichten und (3)
dem CaCO, Gehalt der pelagischen Schichten. Nach einem Maximumin NP 7-8 kehrt
der Trend in Frequenz und Mächtigkeit der turbiditischen und pelagischen Schichten
um. Der Übergang vom Paleozän zum Eozän ist durch einen ca. 4.5 m
mächtiges Intervall
von roten, tonigen Mergeln charakterisiert. Die Sedimentationvon Turbiditen und
pelagischen Kalken setzte währenddieses Zeitintervalls fast gänzlich aus.
Die Ablagerung der paleozänen Serie erfolgte während einer tektonischen
.Ruhephase in den Pyrenäen. Im Oberen Paleozän zeigen die
Vom Frühen Paleozänbis frühesten
Tonmineralvergesellschaftungeneinen symmetrischenWechsel von warm/dauerfeuchten
zu kühl/trockenen und wiederzu warm/dauerfeuchten
Bedingungen im Herkunftsgebit
der Sedimente an. Der Übergang vom Paleozän zum Eozän ist durch eine besondere
Erwärmung des Klimasgekennzeichnet.Kohlenstoff-Isotopenverhältnissein paleozänen
pelagischen Sedimenten zeigen einen graduellen Abfall
der
5"C-Werte von der K/T-
Grenze zum untersten Eozän an, von S13C -2.0 % PDB zu 0.0 %o). Im späten Paleozän
wirddieser langzeitliche Trend durcheinen Zyklusvon 13C-Anreicherungsund -Abnahme
unterbrochen, der seinen Höchststandin der oberen NP 7 und der unteren NP8 Zonehat
IX
(S13C > 3.0 %o). Die Kohlenstoff-Isotopenentwicklung verläuft zeitlich parallel mit der
Produktivitätim Becken: das Auftreten von glaukonitischenFüllungenin planktischen
Foraminiferender pelagischenAblagerungenzeigt ein Absinken der Sauer stoffminimumZoneim Becken an. Der
Übergang vom Paleozän
zum Eozän
ist durch eine
ausgeprägte
negativen 51JC-Exkursion gekennzeichnet (51JC < 4.0 %o).
Der Anstieg und die darauffolgende Abnahme von bioklastischen Turbiditen im
oberen Paleozän (NP 5 bis NP 9) wird als Resultat der mit der Klima wechselnden
Produktion von karbonatischem Materialdurchdie heterozoischen (massigtemperierten)
Lebensgemeinschaften auf den an grenzende Schelfbereichen interpretiert. Diese
Produktionwurde durch die spätpaleozäne Klimaabkühlung in der atlantischen Region
kontrolliert. Ein hoher Temperaturgradientzwischen niedrigen und hohen Breiten
verursachte eine gute windgetriebene Durchmischung der oberen produktiven
Wasserschichten und ihre Anreicherungmit Nährstoffen (Ekman upwelling). Häufige
Turbiditätsströmelagerten erhöhte Volumina von kalkigem Material in der Tiefsee ab.
Im Gegensatz dazu fandenwährend den warmen und dauerfeuchten Perioden (frühes
Paleozän und Paleozän/Eozän-Übergang)aufgrund der verringerten Produktionnur
geringe turbiditische Umlagerungenstatt.
der Quarzgehaltin den Turbiditlagen im
allgemeinen über 50%. Dies wird begleitet durch einen Anstieg von feinem, terrigenem
Material in den hemipelagischen Schichten (40-70 % Phyllosilikate).Konsequenterweise
beobachtet man voir der frühen NP 12 an einen auffallendenWechselvon grauen Kalken
und Mergeln zu grünen, dünnen hemipelagischen tonigen Mergeln. Gleichzeitig stiegen
sowohl die durchschnittlichenGesamt- und Turbiditsedimentationsratenim Vergleich
Im unteren Eozän.
zum Paleozän
(NP ll-14b) steigt
(von 1.5 cm/ka auf 43 cm/ka, bzw. von 0.25 cm/ka auf 39.4 cm/ka), wie
auch die Häufigkeit der Turbiditereignisse bedeutend an. Plattentektonische
Rekonstruktionen und Datierungen der südlichenpyrenäischenVorlandsüberschiebungen
weisendaraufhin, dass zu dieser Zeit die iberische Platte mit der eurasischenkonvergierte
und die Pyrenäen gehoben wurden. Die damit verknüpfte zunehmende Verfügbarkeit
von terrigenem Schuttresultiertein einer erhöhten UmlagerungdurchTurbiditätsstöme.
Die erhöhte Trübung der Oberflächenwässer durch feinensiliziklastischenDetritus, der
auch den Wechsel in der hemipelagischen Sedimentation einleitet, hat möglicherweise
auch die Karbonat-Produktionbeeinträchtigt.
In den Sedimenten des unteren Eozäns werden auch starke Wechsel in den
Tonmineral-Assoziationen der hemipelagischen Sedimente beobachtet. Solche
Fluktuationenliefern Informationen über das vorherrschende Klima und das wechselnde
Relief Des Hinterlandes.Die Anwesenheit von Kaolinit weist darauf hin, dass während
des ganzen frühen Eozäns ein warmes, humides Klima vorherrschte. In der oberen NP
12, mittleren NP 13 und oberen NP 14 kann aber in den hemipelagischen Lagen der Eintrag
von
detritischemKaolinit und Illit mit einem gleichzeitigerhöhten Eintragvon K-Feldspat
und Siliziklastika korreliert werden. Dieses Phänomen kann durch Pulse tektonischer
Aktivität (Versteilung des Reliefs) im Quellgebiet erklärt werden. Dabei wurden
gleichzeitig die Erosion von reifen Böden (Kaolinit) und frisch freigelegten, wenig
und andere Siliziklastika) eingeleitet und deren Transport
ins Becken beschleunigt.Während einer dazwischenliegendenPeriode (spätere NP 13
bis frühe NP 14) wurdemehrheitlichSmektit auf Kostenvon Kaolinit ins Becken geliefert.
Wahrscheinlich wurden diese smektitischenTone von den Überschwemmungsebenen
im angrenzenden Tiefland geliefert.
Die sedimentäre Entwicklungder Tiefseesedimente der Zumaia-Serie, von einem
verwittertenGesteinen
(Illit
Karbonatsystem(Paleozän-frühesteEozän) zu einem siliziklastischem System (mittleres
bis spätes Frühes Eozän), dokumentiertdie graduelle tektonische Heraushebung der
Pyrenäen. Während Perioden erhöhter tektonischer Aktivität und erhöhten
Sedimenteintrags im frühen Eozän zeigt die Statistik der turbiditischen
Schichtmächtigkeiteneine logarithmischeHäufigkeit-Verteilung(auch fraktaleVerteilung
genannt).Das lääst den Schluss zu, dass das turbiditische Ablagerungssystemzeitweilig
einen selbstorganisiertenkritischen Zustand erreichte (besonders in NP 12). Diese
Entwicklung des Systems scheint hauptsächlich durch den erhöhten siliziklastischen
Eintragverursacht worden zu sein.
XI
Resumen
Las turbiditas y sedimentospelägicos de la serie de Zumaia son el resultadode la
sedimentacion durante el Paleoceno-Eocenoinferior en una cuenca marina profunda
situadaen el Golfo de Vizcaya, a una paleolatitud de 35°N. La sedimentacion tuvo lugar
en una cuenca abierta hacia el Ocea.no Atläntico, limitada por el Este por la cadena de
proto-Pirenaicay por el Norte y por el Sur por plataformas carbonatadas. La
Zumaia registro los cambios producidos en los regimenes tectönico y
montanas
serie de
oceanogräfico,que estänrelacionadoscon los primeros estadios de la orogenia Pirenaica
y con cambios climäticos.
En la serie dei Paleoceno inferior (zonas NP 1-4) predominan alternancias potentes
de calizas rojasy grises y de margas rojas. En este intervalo solo existen algunas turbiditas,
que contienen escaso materialsiliciclästico,y las velocidades de sedimentacion turbiditica
y pelägica fueron lentas (de 0.4 a 1.0 cm/ky). La sedimentacion de la serie desde el
Paleoceno inferiorhasta el Paleoceno superiorbajo se produjo en condiciones climäticas
principalmente cälidas y permanentemente hümedas. La serie dei Paleoceno superior
(NP 5-9) se caracteriza por la presencia de abundantes arenitas bioclästicas finamente
estratificadas, intercaladasentre margas hemipelägicas grises y calizas pelägicas. El
contenido de material siliciclästico en las calcarenitas es generalmente escaso. A partir de
NP 5 aumentan la frecuencia de las turbiditas y el espesor de los estratos.Este aumento
es paralelo a los aumentos de la velocidad de la sedimentacion pelägica (de -1.0 a -7.0
cm/ky), dei espesor de los estratos de calizas pelägicasy dei contenido en CaCO, en los
pelägicos. Despues de un mäximo en NP 7-8, las tendencias de frecuencia y de
espesor de los estratos turbiditicos y pelägicosse invirtiö. La transiciön Paleoceno/Eoceno
niveles
caracteriza por
intervalo de margas arcillosasrojas. La sedimentacion de turbiditas
y calizas pelägicas cesö durante este intervalo de tiempo.
La sedimentacion de la seriePaleocena se produjo durante un periodo de inactividad
tectonica.En el Paleoceno superior, las asociaciones de minerales de la arcilla indican un
cambio simetrico en las condiciones dei area fuente: de condiciones cälidas y
permanentemente hümedas a frias y secas, y de nuevo a cälidas y permanentemente
hümedas. La reapariciön de caolinita indica que durante el limite Paleoceno-Eoceno se.
produjo un calentamiento climätico importante. Las proporciones de isötopos de carbon
en los sedimentos pelägicos muestran una disminuciön
gradual de 13C desde el limite
se
un
Cretäcico/Terciario hasta la parte basal dei Eoceno (de 6,3C 2.0 %o PDB a -0.0 %„). En el
Paleoceno superior, la anterior tendencia se mterrumpe con un ciclo aumento-disminuciön
de "C, que alcanzasu mäximo en NP 7 superior/NP 8 inferior (813C > 3.0 %>). La transiciön
Paleoceno/Eocenose caracteriza por una clara proporciön negativa (4.0 %o aprox.). La
xii
senal de los isötopos de carbon se correlaciona bien con la evoluciön de la productividad
oceänica con el tiempo. Esto tambien se infiere a partir de la presencia de relleno
glauconitico en foraminiferosplanctönicosde las capas pelägicas(debido a un descenso
de la zona minima de oxigeno), coetänea y subsecuente al mäximo de 5 l3C dei Paleoceno
superior.
Un aumento y la subsecuentedisminuciön en la sedimentacionde turbiditas
bioclästicas en el Paleoceno medio-superior (intervalo NP 5 a NP 9) se interpreta como el
resultado de la producciön, dependiente dei clima, de sedimento carbonatado por
comunidades heterozoicasen las plataformas dei Golfo de Vizcaya durante el Paleoceno.
Esto sucediö a consecuencia dei clima frio dominante en la region Atläntica durante el
Paleoceno superior, de la mezcla mäs eficiente de aguas oceänicas, y dei incremento en el
aporte denutrientes por el intenso bombeo eölicoEkman. Corrientes turbiditicasfrecuentes
resedimentaron los grandes volümenes de fangos calcäreos. Por el contrario, durante los
periodos cälidos y permanentementehumedos (Paleocenoinferiory transiciön Paleoceno/
Eoceno) apenas
produjo sedimentacion de carbonatos turbiditicos, debido a la
disminuciönen la producciönde material carbonatado.
Las turbiditas terrigenas dei Eoceno inferior (NP ll-14b) transiciona desde la
secuencia de calizas pelägicasy turbiditas carbonatadas dei Paleoceno-Eocenobasal (NP
1-10). La reconstrucciön de las placas tectönicas y la edad de los cabalgamientos dei
antepais Pirenaico implican una convergencia entre las placas de Iberia y Eurasia y un
se
levantamiento de los Pirineos durante el Eoceno inferior. AI comienzo de NP 11 los detri¬
terrigenos
dominantes en las capas turbiditicas.El contenido en cuarzo en las
capas turbiditicas generalmente supera el 50 %. Paralelamente se produjo un aumento
dei material terrigeno fino en los niveles hemipelägicos (con un 40-70 % de filosilicatos).
tus
son
En consecuencia,a partir dei comienzo deNP 12 se produce un cambioevidente de calizas
pelägicasgrises y calizas margosas a margas arcillosas hemipelägicas verdes. Esto indica
una disminuciön en la
producciönde carbonato pelägicoy/o un aumento dei material
en Suspension a partir de plumas de agua superficial. En comparaciön con el Paleoceno,
tanto la velocidati media
dei total de la sedimentacion como la de la fracciön turbiditica
aumentaron significativamente (de 1.5 a 43, y de 0.25 a 39.4 cm/ky, respectivamente),asi
como la frecuencia de los eventos turbiditicos.
Durante el Eoceno inferior se proclucen variaciones muy importantes en las
asociacionesde minerales de la arcilla. Tales tluctuaciones aportmi information sobre
cambios en el clima y en el relieve de las äreas fuente. La presencia de kaolinita indica
que un clima htimedo y cälido prevaleciö a lo largo de todo el Eoceno inferior. En las
zonas NP 12 superior, NP 13 media y NP 14 superior, la abundanciade ilita de caolinita
y
detrfticas en los niveles hemipelägicos concuerda con un aumento en el aporte siliciclästico
y de feldespatopotäsico. Estos rasgos puedenexplicarse mediantela existencia de pulsos
xiii
de actividad tectönica en el ärea fuente (que producirfan un aumentoen la pendiente de
las laderas), lo que aceleraria la erosiöny el transportede los suelos existentes y de detri¬
tus poco meteorizados
(illita y otros siliciclastos). Los periodos intermedios (NP 13 supe¬
rior a NP 14 inferior) se caracterizan por un aumento dei contenido en esmectita a expensas
de la caolinita. Durante estos periodos, las arcillas esmectiticas fueron aportadas
probablamentedesde llanuras fluviales.
La evoluciön sedimentariade la serie de Zumaia, desde un sistemadominantemente
carbonatado (Paleoceno-Eoceno inferior bajo) hacia un sistema siliciclästico
inferior),
efecto que tuvo, en los sedimentos de
fondo marino, el avance hacia el Oeste dei levantamiento tectönico en la cadena Pirenaica.
La relation entre frecuencia-tamanodei espesor de las capas turbiditicasdurante periodos
de intensa actividadtectönica y de aporte de sedimentos, muestra una correlation linear
perfecta en el espacio logaritmico, lo que implica que el sistema deposicional alcanzö
lempo.ralm.enteun estado critico de autoregulaciön (especialmente durante NP 12). La
evoluciöndei sistemahacia el estado critico parece que se debiö principalmente al aumento
de aportes siliciclästicos.
dia y
superior dei
Eoceno
muestra el
(partes me¬