Diagenetic studies of carbonate rocks focused for a long time on photozoan carbonate assemblages deposited in tropical climates. The results of these investigations were taken as models for the diagenetic evolution of many fossil carbonates. Only in recent years the importance of heterozoan carbonates, generally formed out of the tropics or in deeper waters, was realized. Diagenetic studies focusing on this kind of rocks are still scarce, but indicate that the diagenetic evolution of these rocks might be a better model for many fossil carbonate settings ("calcite-sea" carbonates) than the photozoan model used before.<br><br>
This study deals with the determination of the diagenetic pathways and environments in such shallow-water heterozoan carbonate assemblages. Special emphasis is put on the identification of early, near-seafloor diagenetic processes and on the evaluation of the amount of constructive diagenesis in form of cementation in this diagenetic environment.<br><br>
As study area the Central Mediterranean, the Maltese Islands and Sicily, was chosen. Here two sections were logged in Olio-Miocene shallow-water carbonates consisting of different kinds of heterozoan assemblages. The study area is very suitable for the investigation of constructive early diagenetic processes, as the rocks were never deeply buried and burial diagenetic pressure solution and cementation as cause of lithification could be ruled out. Nevertheless, the carbonate rocks are well lithified and form steep cliffs, implying cementation/lithification in another, shallower diagenetic environment.
To determine the diagenetic pathways and environments, detailed transmitted light and cathodoluminescence petrography was carried out on thin sections. Furthermore the stable isotope (δ<sup>18</sup>O and δ<sup>13</sup>C) composition of the bulk rock, single biota and single cement phases was determined, as well as the major and trace element composition of the single cement phases.<br><br>
Petrographically three (Sicily) to four (Maltese Islands) cementation phases, two phases of fabric selective and one of non-fabric selective dissolution, one phase of neomorphism and one of chemical compaction could be distinguished. The stable isotope measurements of the single cement phases pointed to cement precipitation from marine, marine-derived and meteoric waters. The trace element analysis indicated precipitation under reducing conditions, (A) in an open system with low rock-water interaction on the Maltese Islands and (B) in a closed system with high rock-water interaction on Sicily. For the closed systems case, aragonite as cement source could be concluded because its chemical composition was preserved in the newly formed cements.<br><br>
By integrating these results, diagenetic pathways and environments for the investigated locations were established, and the cement source(s) in the different environments were determined. The diagenetic evolution started in the marine environment with the precipitation of fibrous/fibrous-bladed and epitaxial cement I. These cements formed as High Mg Calcite (HMC) directly out of marine waters. The paleoenvironmentally shallowest part of the section on the Maltese Islands was also exposed to meteoric diagenetic fluids. This meteoric influence lead to the dissolution of aragonitic and HMC skeletons, which sourced the cementation by Low Mg Calcitic (LMC) epitaxial cement II in this part of the Maltese section. Entering the burial-marine environment the main part of dissolution, cementation and neomorphism started to take place. The elevated CO2 content in this environment, caused by the decay of organic matter, lead to the dissolution of aragonitic skeletons, which sourced the cementation by LMC epitaxial cement II, bladed and blocky cements. The earlier precipitated HMC cement phases were either partly dissolved (epitaxial cement I) or neomorphosed to LMC (fibrous/fibrous-bladed and epitaxial cement I). In the burial environment weak chemical compaction took place without sourcing significant amounts of cementation. In a last phase the rocks entered the meteoric realm by uplift, which caused non-fabric selective dissolution.
This study shows that early diagenetic processes, taking place at or just below the sediment-water-interface, are very important for the mineralogical stabilization of heterozoan carbonate strata. The main amount of constructive diagenesis in form of cementation takes place in this environment, sourced by dissolution of aragonitic and, to a lesser degree, of HMC skeletons.<br><br>
The results of this study imply that the primary amount of aragonitic skeletons in heterozoan carbonate sediments must be carefully assessed, as they are the main early diagenetic cement source. In fossil heterozoan carbonate rocks, aragonitic skeletons might be the cement source even when no relict structures like micritic envelops or biomolds are preserved. In general, the diagenetic evolution of heterozoan carbonate rocks is a good model for the diagenesis of "calcite-sea" time carbonate rocks. / Diagenetische Untersuchungen an Karbonatgesteinen beschränkten sich lange Zeit auf photozoische Karbonatvergesellschaftungen der tropischen Breiten. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden als modellhaft für den Diageneseverlauf vieler Karbonatgesteine angesehen. Erst in den letzten Jahren wurde die Bedeutung heterozoischer Karbonatvergesellschaften, die sich im Allgemeinen außerhalb der Tropen oder in tieferem Wasser bilden, erkannt. Diagenetische Untersuchungen an dieser Art von Karbonatgesteinen sind immer noch selten, deuten aber an, dass der Diageneseverlauf in diesen Karbonaten ein besseres Model für viele fossile Karbonatgesteine ("Calcit-Meer"-Karbonate) darstellt als das bisher benutzte photozoische Diagenesemodel.
Ziel dieser Studie war die Bestimmung des Diageneseverlaufs in solch flachmarinen Karbonaten mit heterozoischer Biogenvergesellschaftung. Die Milieus, in denen die diagenetischen Veränderungen stattfanden, sollten bestimmt werden. Besonderes Augenmerk lag auf der Art und Menge von Veränderungen, die frühdiagenetisch, nahe dem Meeresboden, stattfanden. Dabei war vor allem der Anteil an konstruktiver Diagenese in Form von Zementation von Interesse.<br><br>
Das Arbeitsgebiet wurde im zentralen Mittelmeerraum gewählt und befindet sich auf den Maltesischen Inseln und Sizilien. Hier wurden zwei Profile in Flachwassserkarbonaten oligo-miozänen Alters aufgenommen, die sich aus unterschiedlichen heterozoischen Biogenvergesellschaftungen zusammensetzen. Dieses Arbeitsgebiet ist für die Untersuchung konstruktiver frühdiagenetischer Prozesse besonders geeignet, da die Gesteinsabfolgen niemals tief versenkt wurden und versenkungsdiagenetisch bedingte Drucklösung und Zementation als Ursache für die Lithifizierung ausgeschlossen werden können. Trotzdem sind die untersuchten Karbonatgesteine gut verfestigt und bilden steile Kliffs, was auf Zementation/Verfestigung in einem anderen, flacheren Diagenesemilieu hinweist.
Zur Bestimmung der Diageneseabfolge und der diagenetischen Milieus wurden detaillierte petrographische Untersuchungen im Durchlicht und mit Kathodolumineszenz an Dünnschliffen durchgeführt. Außerdem wurden die Verhältnisse der stabilen Isotope δ<sup>18</sup>O und δ<sup>13</sup>C am Gesamtgestein, an einzelnen Biogenen und an einzelnen Zementphasen bestimmt. Die Haupt- und Spurenelement Zusammensetzung (Ca, Mg, Fe, Mn und Sr) wurde an den einzelnen Zementphasen ermittelt.<br><br>
Petrographisch lassen sich drei (Sizilien), beziehungsweise vier (Maltesische Inseln) Zementationsphasen, zwei Phasen von materialabhängiger und eine Phase von materialunabhängiger Lösung, sowie eine Phase von Neomorphismus und eine chemische Kompaktionsphase unterscheiden. Die Messungen der stabilen Isotopenverhältnisse an den einzelnen Zementphasen deuten auf Zementausfällung aus marinen und meteorischen Wässern sowie aus Fluiden marinen Ursprungs hin. Die Spurenelementanalyse lässt außerdem auf Zementausfällung unter reduzierenden Bedingungen schließen. Diese fand einerseits, im Falle der Maltesischen Inseln, in einem offenen System mit geringer Gesteins-Wasser-Interaktion, andererseits, im Falle von Sizilien, in einem geschlossenen System mit großer Gesteins-Wasser-Interaktion statt. Bei der Zementation in einem geschlossenen System konnte Aragonit als Zementquelle bestimmt werden, da seine charakteristische chemische Zusammensetzung im neu gebildeten Zement erhalten blieb.<br><br>
Durch die Integration aller Ergebnisse konnten für die beiden Lokalitäten die Diageneseabfolgen und die diagenetischen Milieus sowie die Zementquelle(n) in diesen Milieus bestimmt werden. Die diagenetische Entwicklung begann im marinen Milieu mit der Ausfällung von fibrösem bis fibrös-blättrigem und epitaxialem Zement I. Diese Zemente wurden als Hoch Magnesium Calcit (HMC) direkt aus marinem Wasser ausgefällt. Die paläogeographisch flachsten Abschnitte des Profils auf den Maltesischen Inseln gelangten dann unter den Einfluss meteorischer Wässer. Dieser meteorische Einfluss führte zur Lösung von aragonitischen und HMC Schalen, was die Zementation mit Niedrig (Low) Magnesium Calcitischem (LMC) epitaxialem Zement II in diesem Profilabschnitt speiste. Im marinen Versenkungsmilieu fand anschließend der Hauptteil an Lösung, Zementation und Neomorphismus statt. Der erhöhte CO2-Gehalt in diesem Milieu, verursacht durch den Zerfall von organischem Material, führte zur Lösung von aragonitischen Schalen, was die Zementation mit LMC epitaxialem Zement II, blättrigem und blockigem Zement speiste. Die vorher ausgefällten HMC Zementphasen wurden entweder teilweise gelöst (epitaxialer Zement I) oder in LMC umgewandelt (fibrös/fibrös-blättriger und epitaxialer Zement I). Im versenkungsdiagenetischen Milieu fand anschließend geringe chemische Kompaktion statt, ohne aber die Ausfällung von größeren Mengen an Zement zu speisen. In einer letzten Phase gelangten die Gesteine durch Hebung wieder ins meteorische Milieu, was materialunabhängige Lösungserscheinungen verursachte.
Diese Untersuchung zeigt, dass frühdiagenetische Prozesse, die an der Sediment-Wasser-Grenzfläche oder knapp darunter stattfinden, sehr wichtig für die mineralogische Stabilisierung von heterozoischen Karbonatabfolgen sind. Der Hauptteil der konstruktiven Diagenese in Form von Zementation findet in diesem Milieu statt, gespeist durch die Lösung von aragonitischen und, zu einem geringern Teil, HMC Schalen.<br><br>
Die Ergebnisse dieser Studie implizieren, dass der ursprünglich vorhandene Anteil an aragonitischen Schalen in heterozoischen Karbonatsedimenten sehr sorgfältig bestimmt werden muss, da diese Schalen die wichtigste frühdiagenetische Zementquelle darstellen. In fossilen heterozoischen Karbonatgesteinen können aragonitische Schalen die wichtigste Zementquelle darstellen, auch wenn keine Reliktstrukturen wie mikritische Hüllen oder Biomolds erhalten geblieben sind. Im Allgemeinen stellt der Diageneseablauf in heterozoischen Karbonaten ein gutes Modell für die Diagenese von "Calcit-Meer"-Karbonatgesteinen dar.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:540 |
| Date | January 2005 |
| Creators | Knörich, Andrea Claudia |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Geowissenschaften |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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