Palaeooceanographic modeling in global and regional scale: An example from the Burdigalian Seaway, Upper Marine Molasse (Early Miocene)

Abstract

Die Doktorarbeit gliedert sich in 5 Kapitel. Bei den Kapiteln handelt es sich um einzelne Studien, die bereits publiziert wurden, sich im Begutachtungsprozeß befinden oder als Manuskript vorliegen.

Kapitel 1: Das erste Kapitel vermittelt einen Überblick über die Steuerungsmechanismen von Vorlandbecken. Darüber hinaus werden die numerischen Methoden und ein "Workflow" vorgestellt, wie man von einer ArcView Anwendung mit Liniendaten über ein 3D Gittermodell in gOcad zu den Geometrie- und Parameter-Dateien kommt, die als Eingabe für Quoody (einem Fortran77 Finite-Elemente Programm zur Modellierung von Gezeiten und Strömungen) benutzen werden.

Kapitel 2: Im zweiten Kapitel findet der Leser eine Einführung in die globale paläogeographische Entwicklung des frühen Miozäns. Basierend auf einer Rekonstruktion der Kontinent/Meer Verteilung wird eine globale Simulation der halbtägigen, durch den Mond gesteuerten Gezeitenwelle (M2) vorgestellt. Ziel der Studie ist es für den paläogeograpisch stark veränderten Mittelmeerraum Gezeitenamplituden abzuleiten und diese für das in Kapitel 3 vorgestellte Flachwassermodell als Randbedingung zu verwenden.

Kapitel 3: Das Flachwassermodell umfaßt den Burdigalischen Seeweg, der sich von Marseille (Frankreich) bis Linz ( Österreich) erstreckt. Er verbindet die aktiven Gezeitenmeere des Mittelmeerraums mit der Paratehys. Kapitel 3 führt in die Ausbreitung von Gezeitenwellen ein und erklärt wie es durch die spezielle Beckengeometrie zu einer Verstärkung der Gezeitenwirkung kommen kann. Dabei werden verschiedene Randparameter benutzt und die Simulationsergebnisse erklärt. Neben den berechneten Gezeitenamplituden werden besonders die Geschwindigkeitsfelder untersucht. Ziel ist es die Netto-Sedimenttransportrichtung für unterschiedliche Randbedingungen zu erörtern.

Kapitel 4: In Kapitel 4 wird eine Feldstudie vorgestellt. Ziel der Studie ist es, ein sequenzstratigraphisches Modell für die küstennahen OMM Ablagerungen während der maximalen Transgression zu entwerfen. Auf dieser Grundlage ist es möglich, rand- und beckenwärtige OMM Abfolgen stratigraphisch zu korrelieren. Der an der nördlichen Küste abgelagerten Randengrobkalk (Raum Tengen) wurde dazu anhand seiner Mikrofazies, den Sedimentstrukturen und der Lithofazies in verschiedene Fazies Bereiche untergliedert. Dabei wurde neben Sequenzgrenzen auch die maximale Überflutungsfläche definiert.

Kapitel 5: Abgeschlossen wird die Arbeit mit einer Studie bei der neben erweiterten globalen Gezeitensimulationen auch Flachwassersimulationen vorgestellt werden, die sowohl durch Gezeiten, als auch durch Wind und Süßwasszuflüsse angetrieben werden. Grundlage der Flachwassersimulationen ist eine detailierte paläogeographische Rekonstruktion des Nordalpinen Vorlandbeckens für unterschiedliche Ausdehnungszustände des OMM Meeres. Diese erlauben es die Veränderung des Gezeitensystems hinsichtlich der Lage der amphidromischen Systeme und der Gezeitenamplituden zu erklären. Dadurch daß das Flachwassermodell neben den Gezeiten auch durch Wind und Süsswasserzuflüsse angetrieben wird, erlaubt dies eine allumfassende Beurteilung des Netto-Sedimenttransports.

This thesis consits of 5 major parts. Most of the chapters are separate publications (mainly published, under review or in preparation).

Chapter 1: A general introduction is given to the reader on the control of foreland basins. After the numerical background of the global and regional M2 simulations, a workflow is outlined, to process geocoded ArcView data towards a 3D gOcad model, generating input files for Quoddy. Quoddy is a Fortran77 finite element program that simulates tides and velocity fields in shallow waters.

Chapter 2: An introduction to the palaeogeography of the early Miocene in global scale is given in chapter 2. The study presents the results of a global tidal M2 simulation. Aim of the study is to evaluate proper tidal amplitudes at the open gateways of the Burdigalian Seaway, which linked the western Mediterranean (Marseille, France) with the Paratethys (Linz, Austria). The derived tidal amplitudes are used to drive the shallow water model in chapter 3.

Chapter 3: A stratigraphic and palaeogegraphic framework is established for the maximum flooding of the peri-Alpine foreland basin during the OMM. Shallow water simulations are introduced, providing information on the tidal response and meso-scale currents of the seaway, using different boundary conditions. The simulations are driven by M2 waves and provide information on tidal amplitudes and bottom velocities. Calculated residual currents yield insights into net-sediment transport directions.

Chapter 4: A field study in SW Germany is carried out to develop a sequence stratigraphic model, which allows to correlate marginal sequences with the basin. The nearshore cross-bedded Randengrobkalk was evaluated for tidal-/wave- or current influences. The successions are separated in different facies types according to the ratio of siliciclastics (quarz grains) to carbonate (fossiliferous debris), sedimentary structures and microfacies.

Chapter 5: This chapter respans the question which boundary conditions may have driven the regional currents in the Burdigalian Seayway. A twofold approach has been carried out. (1) Enhanced palaeogeographic reconstructions for the circum-Mediterranean realm have been used for further global M2 simulations. This yields a tidal range, which might have co-oscillated with the open gateways of the Burdigalian Seaway, giving us a conservative but also an optimistic idea about the expected tidal amplitudes. (2) To accomodate the shift of tidal loci, during the transgression, palaeogeographic sketch maps have been derived for the OMM key stages. To generate an overall idea about net-sediment transport directions, the regional model of the Burdigalian Seawy was also forced by wind and fresh water influx from the surrounding rivers and fan deltas. This yields information on the sensitivity of residual velocities in terms of the different driving forces.