Controls on depositional processes on the Australian Northwest Shelf: the Oligocene to recent carbonate succession analyzed on 2D/3D seismic reflection and borehole data

Belde, Johannes; Sindern, Sven; Hoffmann, Gösta; Back, Stefan

doi:HT019429522

Controls on depositional processes on the Australian Northwest Shelf: the Oligocene to recent carbonate succession analyzed on 2D/3D seismic reflection and borehole data

Belde, Johannes^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Johannes Frederik Belde

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (x, 125 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Back, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Hoffmann, Gösta (Thesis advisor)^RWTH* ; Sindern, Sven (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-04-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07465
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/698086/files/698086.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/698086/files/698086.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die drei dieser Dissertation zugrunde liegenden Studien widmen sich den Ablagerungsprozessen auf dem australischen Nordwestschelf, einer dem Indischen Ozean zugewandten tropischen Karbonatrampe. Die Hauptarbeitsgebiete sind das Browse- und das nördliche Carnarvon Becken. Der Kern jeder dieser Studien besteht dabei aus der Interpretation von 2D/3D reflektionsseismischen Datensätzen in Kombination mit Bohrlochdaten. Eine Datenbank aus insgesamt 47.577 km 2D und 15.400 km² 3D Reflektionsseismik, ergänzt durch Daten von über 50 industriellen Bohrungen, stand hierfür zur Verfügung. Die erarbeiteten Interpretationen werden anschließend im Kontext von regionalen sedimentologischen und ozeanographischen Daten diskutiert, um die lokalen Ablagerungsprozesse und deren Entwicklung zu analysieren.Im Untergrund des Browse Beckens sind zahlreiche Oligozäne bis subrezente Karbonatplattformen erhalten. Die Kombination mehrer, durch Bohrlochdaten kalibrierter 2D und 3D reflektionsseismischen Datensätze ermöglicht neue Einblicke in die laterale Ausdehnung und Morphologie der aufeinander folgenden Plattformen und Riffsequenzen, sowie deren interner Architektur und, wo erbohrt, deren Lithologie und Alter. Die ältesten abgebildeten Karbonatplattformen stammen aus dem Oligozän (34,03 – 27,8 Ma) und können entweder als Barriereriff-Systeme oder, alternativ, auch als ausgedehnte Bryozoen-Bioherme interpretiert werden. Keine weiteren Riffsysteme lassen sich erkennen, bis im Burdigalium ein kontinuierliches tropisches Riffwachstum in der Region einsetzte. Die verschiedenen riffumsäumten Karbonatplattformen verbanden sich zunehmend und formten ein kontinuierliches Barriereriff, während der Schelfrand sich weiter nordwestlich verlagerte. Zwischen dem mittleren Langhium und frühen Tortonium erstreckte sich im Browse Becken ein Barriereriff, welches sich innerhalb der verfügbaren Daten über 500 km verfolgen lässt und sich höchstwahrscheinlich weiter südwestlich im Roebuck- und nördlichen Carnarvon Becken fortsetzt. Nach dem frühen Tortonium lässt sich im Süden des Arbeitsgebiets beobachten, wie sich oberhalb und landwärts des Barriereriffs kleinere, unzusammenhängende riffumsäumte Karbonatplattformen bildeten, wohingegen im Norden das Riffwachstum sich unverändert weiter seewärts verschob. Die meisten der beobachteten Karbonatplattformen scheinen um die Miozän-Pliozän Grenze ertrunken zu sein.Die Entwicklung relativ stationärer, mächtiger aggradierender Karbonatplattformen im nördlichen Browse Becken wird als Reaktion auf hohe Subsidenzraten interpretiert, die vergleichsweise dünneren Karbonatplattformen im südlichen Browse Becken entsprechend als Reaktion auf geringere Subsidenzraten. Eustatische Meeresspiegelschwankungen hatten hier einen größeren Einfluss, wodurch die häufiger notwendige Migration die Entwicklung kleinerer und dünnerer Karbonatplattformen erzwang. Die tropischen riffumsäumten Karbonatplattformen des späten Burdigalium bis frühen Tortonium weisen trotz diesen Unterschieden in lateraler Verteilung und Architektur dennoch große Ähnlichkeiten entlang der im Datensatz abgebildeten 500 km auf. Das in der Studie beobachtete Ende des Riffwachstums um 6 Ma fällt mit dem Einsetzen von Drift-Sedimentation zusammen, möglicherweise als Konsequenz sich wandelnder ozeanischer Bedingungen, ausgelöst durch die tektonische Schließung der Verbindung zwischen dem Pazifischen und Indischen Ozean während der Kollision von Nordaustralien mit dem Bandabogen.Um die Auswirkungen des lokalen Strömungsregimes auf das Ablagerungsmilieu weiter zu untersuchen, wurde die 3D Geometrie von sedimentären Strukturen auf dem modernen Meeresboden sowie im oberflächennahen Untergrund des nördlichen Browse Beckens anhand eines umfassenden (<12.500 km²) industriellen 3D reflektionsseismischen Datensatzes analysiert. Seismisch-morphologische Großstrukturen auf dem modernen Meeresboden sind Terrassen, durch Störungen verursachte Geländestufen, in den Schelfrand eingeschnittene Rinnen sowie Regionen, die durch unregelmäßige Topographie, als Folge von Massenbewegungen gekennzeichnet sind. In Wassertiefen unterhalb von 250 m liegen großflächige Sedimentwellenfelder mit Scheitelhöhen von bis zu 10 m zumeist am Fuß der Terrassen, entlang der durch Störungen verursachten Geländestufen und entlang des Schelfrandes. Plane Flächen des äußeren Schelfs sind hingegen oft von NW-SO ausgerichteten Furchen und Kämmen gezeichnet. Beide Arten von Sedimentstrukturen benötigen zur Entstehung Fließgeschwindigkeiten von ungefähr 0,3 bis 1,5 m/s, die durch Meeresströmungen, Dichteströme oder interne Wellen erzeugt werden könnten. Innerhalb des Arbeitsgebiets erscheinen interne Wellen als wahrscheinlichste Ursache für bodennahe Strömungen dieser Größenordnung, eine Interpretation, die aus ozeanischen Hintergrunddaten und Modellen abgeleitet wurde. Neben der Dokumentation von 3D seismisch-morphologischen Strukturen auf dem modernen Meersboden wurden vergleichbare Strukturen auch in Tiefen von bis zu 500 ms two-way-time darunter beobachtet, was gleichzeitig die Möglichkeit zur Erhaltung solcher Strukturen im Untergrund sowie ein vergleichsweise konstantes lokales Strömungsmilieu andeutet.Um die Untersuchung der Auswirkungen des lokalen Strömungsregimes auf das Ablagerungsmilieu - vor allem in Hinsicht auf interne Wellen - fortzusetzen, wurden auch sedimentäre Großstrukturen auf dem modernen Meeresboden des nördlichen Carnarvon Beckens analysiert. Dieses Arbeitsgebiet erstreckt sich über 49.717 km² und ist durch umfassende geophysikalische (Seismik & Bohrungen), sedimentäre sowie ozeanographische Daten erfasst. In Tiefen von 55-130 m, in denen bodennahe Strömungen durch internen Wellen, Gezeiten und Stürme erzeugt werden können, liegen in diesem Arbeitsgebiet zwei Sedimentwellenfelder. Das erste Feld liegt in einem vergleichsweise schmalen Bereich des Schelfs, nordwestlich der Montebello-Inseln, wo es höchstwahrscheinlich aufgrund von durch die Inseln abgelenkten Gezeiten zu stärkeren bodennahen Strömungen kommt. Das zweite Feld liegt in einer flachen Vertiefung des Meeresbodens die schlecht sortierte Sedimente enthält und sich nördlich der Serruier und Bessieres Inseln befindet. Die dort beobachteten Sedimentwellen können entweder aus gröberem Sediment bestehen, geformt unter dem Einfluss eines Zyklons, oder alternativ aus feinerem Sediment innerhalb der Vertiefung, die hier eingebracht würden durch weniger energetische, entlang des Schelfs orientierte Strömungen. Die lokalen Karbonatpartikel setzen sich zum teil aus Ooiden und Peloiden zusammen, welche sich höchstwahrscheinlich während den Anfängen des post-glazialen Meeresspiegelanstiegs in flachem Wasser bildeten. Heute stehen diese reliktisch vorhandenen Partikel nicht mehr im Einklang mit dem Ablagerungsmilieu und somit auch nicht mit den Sedimentstrukturen, deren Bestandteil sie sind. Diese Möglichkeit, dass Sedimentstrukturen und ihre Bestandteile nicht im Gleichgewicht zueinander stehen, sollte bei der Interpretation von Paläo-Ablagerungsmilieus in fossilen Beispielen von Karbonatrampen in vergleichbar hochenergetischen Strömungssystemen immer Beachtung finden.

The three individual studies presented in this thesis focus on the controls of depositional processes on the Australian Northwest Shelf (NWS), an ocean facing tropical carbonate ramp. Main study areas are the Browse and Northern Carnarvon Basins. The core of each analysis is an interpretation of 2D and/or 3D seismic-reflection data, supported - where available - by borehole data. A total of 47,577 km 2D and 15,400 km² 3D seismic-reflection data in addition to over 50 industrial wells were available for analysis. The resulting seismic- and well-based interpretations are discussed against a background of sedimentological and oceanographic data of the respective study area, allowing comprehensive analyses of the controls on depositional processes and environmental changes over time. In the Browse Basin, numerous carbonate platforms are preserved in the subsurface. New insights are provided by several 2D and 3D seismic-reflection surveys calibrated by well data into the lateral extent and morphology of successive platform and reef sequences, including the internal architecture and, where drilled, their lithology and age. The oldest carbonate build-ups imaged are of Oligocene age (34.03 – 27.8 Ma) and may be interpreted to represent either a reef-rimmed platform or a giant bryozoan reef-mound complex. No further build-ups can be observed between this period and the late Burdigalian, when continuous tropical reef growth in the area began. The various reef-rimmed carbonate platforms consecutively coalesced, forming an extensive barrier reef as the shelf-margin prograded further towards the north-west. In the period between the mid-Langhian to early Tortonian, an elongate (along-margin) barrier reef system formed in the Browse Basin, extending for over 500 km throughout the available data. This system most likely continued to the southwest extending across the Roebuck into the Northern Carnarvon Basin. Following the early Tortonian, reefs can be observed to form as less connected, smaller build-ups on top or landward of the major middle Miocene barrier-reef system in the south of the study area, whereas reef fronts in the north during this time tend to be positioned further seaward. Around the Miocene-Pliocene boundary, most of the observed carbonate build-ups appear to have drowned.The development of relatively stationary, thick aggrading platforms in the northern Browse Basin is interpreted as a reaction to high rates of subsidence, contrasted by the generally thinner reef-rimmed platforms observed in the southern Browse Basin where rates of subsidence are lower. As a consequence, eustatic changes in the south had a larger impact on the local carbonate platforms, forcing more frequent migration and resulting in thinner, more widespread platforms. The tropical reef-rimmed carbonate platforms of the late Burdigalian to early Tortonian nevertheless display, despite these general differences in lateral distribution and architecture, a remarkable resemblance along the approximately 500 km imaged on the available data. The observed termination of reef-growth in the study area occurring around 6 Ma coincides with and may be caused by the onset of current-driven drift sedimentation, possibly a consequence of changing oceanographic conditions through the tectonic closure of the SE Asian Gateway during the collision of northern Australia with the Banda Arc.To further investigate the impact of the local current regime on the depositional environment of the NWS, the 3D geometry of sedimentary features recorded on the modern sea floor and the shallow subsurface of the northern Browse Basin were analysed on an extensive (<12,500 km²) industrial 3D seismic-reflection survey. Large scale seismic-morphological features observed on the modern seafloor include submarine terrace escarpments, fault-scarps, incised channels and restricted areas of seismic distortion interpreted as mass wasting deposits. Extensive fields of sediment waves with heights of up to 10 m occur in water depths below 250 m, generally located at the foot of submerged terraces, along the scarps of modern faults and along the shelf break, while NW-SE-oriented furrows and ridges occupy the more planar regions of the outer shelf. Both types of bedforms require flow velocities between 0.3 and 1.5 m/s to form, which may be induced by oceanic currents, gravity currents or internal waves. For the region under study, the most likely source of bottom currents of this magnitude are internal waves, an interpretation that is reached through a discussion of oceanographic background data and modelling results. Besides the documentation of 3D seismic-geomorphological features on the modern sea floor, similar bedforms could also be mapped in the subsurface down to depths of 500 ms two-way-time, demonstrating the potential for the preservation of such bedforms in the sedimentary record and indicating a comparatively constant local current regime.Continuing the investigation of the influence exerted by the local current regime on the depositional environment, especially in respect to the impact of internal waves, the modern seafloor in the Northern Carnarvon Basin (imaged on 49,717 km² of 3D seismic-reflection data) was also analyzed for large scale sedimentary bedforms. The site was chosen to complement the previous study due to the availability of comprehensive geophysical, sedimentary and oceanographic data. In water depths between 55-130 m, where internal waves, tides and storms may induce currents on the seafloor, two fields of large scale sediment waves were observed. The first is located on a comparatively narrow section of shelf northwest of the Montebello Islands and most likely formed as a result of increased bottom currents induced by tidal flows diverted around the islands. The second is located within a local seafloor depression containing poorly sorted sediments, north of the Serruier and Bessieres Islands. The observed sediment waves could have either formed from the coarser sediment fraction that was reworked by cyclone-induced bottom currents into sand waves, or alternatively from the finer sediment fraction that was shaped by less energetic along-slope oriented currents into mudwaves within the topographic depression. The local carbonate sediments are partially composed of ooids and peloids, grains that formed in shallow water during the initial stages of the post glacial sea-level rise. Today these stranded grains are no longer in equilibrium with the depositional environment and the bedforms in which they are incorporated. The observation indicates that for fossil examples from comparable high-energy ramp systems, the possibility that grains and bedforms may be out of equilibrium should always be taken in account when interpreting the palaeo-depositional environment.

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