Mikrofazies und Sequenzarchitektur einer heterozoen Karbonatrampe

Abstract

Am Beispiel des permischen „Confusion Shelf“ werden ein Faziesmodell und ein sequenzstratigraphisches Konzept für eine flache, niedrig reliefierte, heterozoe Karbonatrampe vorgestellt. Während des Perms bildete sich im nordamerikanischen Anteil des Superkontinents Pangea ein golfartiges Randmeer über einem allmählich subsidierenden kratonalen „sag basin“, dem „Sublett Basin“. Während drei sedimentärer Zyklen wurden die Sedimente der Grandeur/Kaibab, Plympton und Gerster Formation abgelagert. Die Karbonatserien verzahnen sich im Beckenzentrum mit „black shales“ und Phosphoriten. Weite Teile der Abfolge sind silifiziert. Das Untersuchungsgebiet umfasst den Südrand des Beckens im heutigen West-Utah und Ost-Nevada, für den bereits ein biostratigraphisches Gerüst existierte und so eine Modellentwicklung ermöglichte. In dem Untersuchungsgebiet wurden 21 Profile aufgenommen und ca. 3000 Proben für die Mikrofaziesanalyse gewonnen. <br /> Die Gesteine des „Confusion Shelf“ lassen sich 25 karbonatischen, phosphatischen, evaporitischen, kieseligen und siliziklastischen Faziestypen zuordnen. Sie dokumentieren Sedimentation im tieferen Subtidal bis in den lagunär/restriktiven Bereich und beschreiben eine breite homoklinale Rampe. Insgesamt dominieren schlammreiche Gefüge. Es wurden nur Fazieselemente des heterozoen Partikelspektrums festgestellt, tropische Fazieselemente kommen nicht vor. Teile der Abfolge sind intensiv von der Diagenese betroffen. <br /> Beckenweite Diskontinuitätsflächen trennen drei Gesteinskörper, deren interne Faziesentwicklung jeweils einen Transgressions-/Regressionszyklus dokumentiert. Die Zyklen lassen sich auf Grund von biostratigraphischen Daten und Vergleichen mit Meeresspiegelschwankungskurven für das Perm mit Zyklen dritter Ordnung korrelieren und weisen eine eustatische Steuerung nach. Der gesamte permische Sedimentzyklus ist ursächlich mit der tektonischen Entwicklung des Sublett-Basin verknüpft. Kleinzyklen sind nur reliktisch in dem „keep up system“ mit niedrigen Karbonatbildungsraten entwickelt. <br /> Die durch Diskontinuitätsflächen getrennten Einheiten lassen sich als drei Sequenzen definieren. Durch die interne Faziesarchitektur sind zwei Typen zu unterscheiden. In dem Sequenztyp 1 (Grandeur/Kaibab- und Gerster-Zyklus) sind durch eine monotone Faziesausbildung definierte „systems tracts“ nicht abgebildet. Die Faziesverteilung deutet auf eine geringe Neigung der Rampe. Der Sequenztyp 2 (Plympton-Zyklus) ist vertikal und lateral stärker geliedert. Der Sequenzkörper enthält einen gut ausgebildeten „transgressive systems tract“ und „highstand systems tract“, Parasequenzen sowie retrograde und progradierende Stapelmuster der Fazieszonen. Der „lowstand systems tract“ ist nicht erhalten. Die Faziesverteilung deutet auf ein versteiltes Rampen-Profil hin. „Black shales sind auf den „transgressive systems tract“ begrenzt. Während der Bildung des „highstand systems tract“ progradieren die Karbonate über das ganze Becken. Die Sequenzgrenze ist immer die Transgressionsfläche. <br /> Es wurden Sedimentationsraten bestimmt, die mit 5-12 cm/1000 y weit unter denen von rezenten tropischen Karbonaten liegen, aber für Kaltwasserkarbonate typisch sind. Die Subsidenzanalyse weist eine stärkere Absenkung des Beckens während der mittleren Sequenz nach und bestätigt so die aus der Mikrofazies-Verteilung angenommene Versteilung der Rampe. <br /> Die Assoziation von „black shales“ und Karbonaten im mittleren Zyklus stellt ein potenzielles Kohlenwasserstoff-System dar, die Qualität wird aber durch die nahezu vollständige Abwesenheit von Karbonatfaziestypen mit primärer Porosität relativiert. Phosphatgesteine sind weit verbreitet aber nur geringmächtig. <br /> Es lassen sich keine sedimentären Hinweise auf die Ursache der heterozoen Faziesausbildung finden. Weit verbreitete Evaporite deuten auf eine potenziell erhöhte Wassertemperatur hin. Der Einfluss von kaltem Upwelling-Wasser bleibt hypothetisch.

A facies model and a sequence stratigraphic concept for low angle, heterozoan carbonate ramp complexes in low paleo-latitudes is introduced as a case study for the Permian “Confusion Shelf”. A gulf-like marginal sea area developed during the Permian in the North American portion of the supercontinent Pangea above the slowly subsiding Sublett sag basin. The Grandeur/Kaibab, Plympton, and Gerster Formations resulted from three depositional cycles. The carbonate suite intertongues with black shales and phosphorites of the basin center. Significant portions of the sediment succession are silicified. The study area encompasses the southern margin of the basin in western Utah and eastern Nevada, for which an existing biostratigraphic framework allowed an efficient development of a stratigraphic concept. 21 sections were measured in the study area and roughly 3000 samples were collected for a microfacies analysis. <br /> The rocks of the “Confusion Shelf” were subdivided into 25 calcareous, phosphatic, evaporitic, siliceous, and siliciclastic facies types. The sediments document deposition in deeper subtidal to lagoonal/restricted environments of a broad, homoclinal ramp. Mud supported textures are generally dominating. Only facies elements of the heterozoan particle spectrum were identified, topical facies elements are lacking. The succession is partly affected by intense diagenesis.<br /> Basin-wide discontinuity surfaces are subdividing three sediment bodies that each represent transgressive-regressive depositional cycles. The cycles correlate by biostratigraphic means and comparison with sea level curves for the Permian with third-order cyclicity. The third-order eustatic control is superimposed by the tectonic subsidence and decay of the Sublett Basin. The “keep up” system with reduced carbonate production rates records only fragmentary low-order cycles. <br /> The surface-bound rock complexes define third-order sequences that split into two types by internal organization. The type 1 sequence (Grandeur/Kaibab and Gerster cycles) with a laterally and vertically monotonous composition lacks well defined systems tracts. The T/R profile of the preserved suite describes an abrupt rise and fall of sea level. Parasequences are not recorded. The facies distribution indicates a low angle dip of the ramp. The type 2 sequence reveals a pronounced vertical and lateral facies distribution and a symmetrical, low angle T/R profile. The sequence body consists of well defined transgressive and highstand systems tracts. Facies zones show retrograde and prograde stacking patterns. Low-order cyclicity indicates the preservation of parasequences. The low stand systems tract is not preserved. The facies distribution indicates a steeper ramp profile. Black shales are restricted to the transgressive systems tract. The carbonate ramp progrades over most of the basin during the formation of the highstand systems tract. The sequence boundary is always a transgressive surface. <br /> The sedimentation rates of 5 - 12 cm/1000y from the investigated Permian carbonates are far below those of modern tropical systems, but correlate with those of temperate environments. The subsidence analysis shows evidence of increased subsidence during the deposition of the middle sequence and confirms the steeper ramp profile indicated by the microfacies distribution. <br /> The association of black shales and carbonate rocks assigns a potential petroleum system. The quality of the system is confined by the lack of primary porosity in most carbonate facies types. Phosphate rocks occur to a wide lateral extent, but are of little thickness. <br /> Indications for the cause of the heterozoan carbonate facies were not revealed from the sedimentary record. Abundant evaporites suggest increased water temperatures. The effect of cold upwelling water remains hypothetical.