Max Arwed Gibb

• Konturite, also Sedimente die durch persistente Bodenströmungen abgelagert oder maßgeblich beeinflusst wurden, sind Archive für paläozeanografische und damit einhergehende paläoklimatische Veränderungen. Sie stehen im Fokus intensiver multidisziplinärer Forschung und können in den heutigen Ozeanen, vor allem dank schiffbasierter geophysikalischer Methoden, weiträumig nachgewiesen werden. Die Identifikation fossiler Konturite an Land bleibt jedoch eine Herausforderung, und neue Fallstudien zur Dokumentation der Sedimentfazies sind selten. Dies ist auf noch immer unvollständige Kriterien zur Identifikation von Konturiten im kleinen Maßstab zurückzuführen. Nur die Kombination klein-, mittel- und großskaliger Kriterien ermöglicht die eindeutige Identifikation fossiler Konturite. Unzureichende Aufschlussqualität und -größe schränken diesen Ansatz jedoch häufig ein und damit die Möglichkeit, Konturite eindeutig als solche zu erkennen und als paläoozeanographische Archive auswerten zu können. Insbesondere die Dokumentation der Variabilität einzelner Konturit-Sequenzen im kleinen Maßstab, beispielsweise mittels Mikrofazies-Analyse, ist grundlegend für die Erarbeitung zuverlässigerer diagnostischer Kriterien und besitzt demzufolge hohe Priorität. Die vorliegende Arbeit adressiert dieses Ziel mit der Untersuchung des Einflusses von Bodenströmungen auf Karbonatabfolgen des Devons, die im tiefmarinen Ablagerungsraum zwischen den konvergierenden Großkontinenten Laurussia und Gondwana akkumuliert wurden. Solche Abfolgen sind heute im Süden und Südosten Marokkos weiträumig aufgeschlossen. Die Arbeit fasst die Ergebnisse dreier Studien zusammen, welche die Variabilität von Karbonat-Konturiten und die mit deren Ablagerung assoziierten Bedingungen – wie Hydrodynamik und Sedimentverfügbarkeit – dokumentieren. Darauf aufbauend werden Rückschlüsse auf steuernde paläoozeanographische Prozesse gezogen. Auf der Grundlage detaillierter Geländearbeiten werden zwei unterschiedliche Archive vom nordwestlichen Rand Gondwanas ausgewertet: (1) eine Unterdevon-Abfolge, aufgeschlossen in der Skoura-Region des südlichen Hohen Atlas, und (2) die Mittel- bis Oberdevon-Abfolge der Tafilalt-Plattform im östlichen Anti-Atlas. Die Unterdevon-Abfolge, im Fokus der ersten Studie dieser Arbeit, wurde auf dem distalen, durch Dehnungsprozesse mäßig ausgedünnten nordwestlichen Kontinentalrand Gondwanas (Meseta-Domain) abgelagert. Sie umfasst eine Konturit-Drift (im Folgenden bezeichnet als Tiliwine-Drift), die hauptsächlich aus bioklastischen Partikeln und Karbonat-Schlamm besteht. Während des Pragiums bis ins frühe Emsium kommt es zu einer sukzessiven Zunahme der durchschnittlichen Korngröße (coarsening-upward) und der Bankmächtigkeiten (thickening-upward), gefolgt von einer plötzlichen Verfeinerung (fining-upward) unterhalb der Grenze Unter-/Ober-Emsium. Die Untersuchung der Abfolge in vier Aufschlüssen, die ein etwa 75 km langes, west-ost-streichendes Transekt aufspannen, basiert unter anderem auf detaillierter Mikrofazies-Analyse, graphischer Dokumentation der Schichtenfolge im Gelände und drift-skaliger lithostratigraphischer Korrelation zwischen den Aufschlüssen. Dokumentiert wurden (1) vier Fazies-Assoziationen, mit bis zu 80 cm mächtigen vollständigen und unvollständigen bi-gradationalen Konturit-Sequenzen sowie (2) gut erhaltene Traktionsstrukturen von Strömungsrippeln und subaquatischen Dünen, die eine westwärts gerichtete Paläozirkulation anzeigen. Zudem (3) spiegelt der aus der Abfolge rekonstruierte zunehmende Einfluss der Bodenströmung vom Pragium bis ins Unter-Emsium, gefolgt von einer plötzlichen Reduktion der Strömung an der Grenze Unter-/Ober-Emsium, die plattentektonisch kontrollierte sukzessive Einengung der ozeanischen Passage zwischen den konvergierenden Landmassen von Laurussia und Gondwana wider, welche schließlich zur vorübergehenden Schließung der Meerenge (Amerikanische Pforte) und einer Unterbrechung der Paläozirkulation zwischen dem Rheischen Ozean und der Panthalassa vor etwa 400 Ma führte. Die Mittel- bis Oberdevon-Abfolge der Tafilalt-Plattform, im Fokus der zweiten Studie, repräsentiert den nördlichen Rand des ausgedehnten Epikontinentalmeeres im Nordwesten Gondwanas. Die Tafilalt-Plattform, zuvor als eine flache pelagische Plattform beschrieben, ist weltweit bekannt für ihre fossilreichen Cephalopoden-Kalke. Die Neubewertung des Ablagerungsmilieus dieser und assoziierter Sedimente führte zu einer Neuinterpretation der Plattform als Karbonat-Konturit-Terrasse (Tafilalt-Konturit-Terrasse), gelegen am Übergang vom Schelf zum Kontinentalhang, unterhalb der Sturmwellenbasis. Die untersuchte Abfolge (Eifelium bis Frasnium) ist kondensiert und reich an Schichtlücken. Die Sedimentakkumulation wurde kontrolliert und teils unterdrückt durch Bodenströmungen variierender Intensität. Fünf Fazies-Assoziationen spiegeln die Ablagerungsbedingungen wider, u.a. geprägt durch oxische Bodenströmungen geringer Strömungsgeschwindigkeit im Wechsel mit periodisch auftretenden, teils erosiven, anoxischen Bodenströmungen. Die dokumentierten Fazies indizieren eine komplexe Interaktion aus (1) Ablagerung aus der Suspension, (2) Transport und Ablagerung von Bodenfracht, (3) temporärem dynamischem Sediment-Bypass, ursächlich verbunden mit einer frühdiagenetischen Zementation des Meeresbodens und (4) strömungsindizierter Erosion und Umlagerung. Diese Prozesse wurden durch die vertikale Verlagerung einer Wassermassengrenze gesteuert. Die Studie demonstriert mit der Dokumentation eines breiten Spektrums karbonatischer Konturit-Sequenzen und der Sedimentarchitektur der Tafilalt-Konturit-Terrasse die beträchtliche Variabilität klein- bis großmaßstäblicher Konturit-Merkmale. Darüber hinaus bietet sie Einblicke in die vielfältigen hydrodynamischen Prozesse, die den Ablagerungsraum prägten. Die dritte Studie dieser Arbeit stützt sich auf die sedimentologische Analyse der vorangegangenen Studie und untersucht die Mittel- bis Oberdevon-Abfolge einer kleineren Drift im oberen Teil der Tafilalt-Konturit-Terrasse. Der Fokus dieser Studie liegt in der Rekonstruktion paläozeanografischer Prozesse, die das synchrone Auftreten Organik-reicher bioklastischer Konturite (organic-rich coquinas - ORCs) und globaler evolutionärer Ereignisse verknüpfen. Paläoströmungsdaten, abgeleitet aus primären Sedimentstrukturen innerhalb der Corg-reichen bioklastischen Konturite, liefern zusammen mit dreidimensionalen Rekonstruktionen, mittelskaliger morphosedimentärer Konturit-Merkmale und biostratigraphischen Daten Hinweise auf starke, nordwestwärts gerichtete, hangparallele Bodenströmungen. Diese Bodenströmungen hatten einen zweiphasigen Impact auf den Sedimentationsraum der Tafilalt-Konturit-Terrasse. Sie führten zunächst, bedingt durch Erosion und Sediment-Bypass, zu (1) weitreichenden biostratigraphischen Lücken, und anschließend (2) zur Ablagerung der ORCs aus der Schichtfracht. Zurückgeführt werden sie auf wiederholte Schelfwasserkaskaden (overflows), durch die dichtes, anoxisches Schelfwasser die Tafilalt-Konturit-Terrasse überströmte. Diese Resultate bestätigen die Bildung euxinischer Wassermassen durch starke Verdunstung und wiederkehrende anoxische Verhältnisse in der photischen Zone (top-down Mechanismus) des Epikontinentalmeers südlich und südöstlich der Tafilalt-Konturit-Terrasse, innerhalb der dortigen Intra-Schelfbecken (Reggane, Ahnet, Berkine und Ghadames). Meeresspiegelschwankungen infolge kurzzeitiger, klimatischer Wärmphasen (hot-house conditions) lösten wahrscheinlich den periodischen Überlauf und das Kaskadieren dieser anoxischen Wässer von den epikontinentalen Becken, über die TCT, in Richtung Ozean aus. Erstmals wird in dieser Studie ein Konturite-Archiv genutzt, um die paläozoischen Zirkulationsmuster zu entschlüsseln, welche die anoxischen Events des Devons maßgeblich beeinflusst, wenn nicht sogar verursacht haben, und letztlich in der Kellwasser-Krise an der Frasnium/Famennium-Grenze gipfelten. Diese Doktorarbeit unterstreicht die Bedeutung von Konturiten als Archive paläozeanografischer Prozesse und plattentektonischer Ereignisse. Basierend auf multiskaligen Analysen liefert sie Einblicke in die komplexe Dynamik von Bodenströmungen und deren Rolle bei der Erosion, dem Transport und der Ablagerung von Sedimenten. Sie unterstreicht die Bedeutung von Mikrofazies- und Paläoströmungsanalysen sowie die Relevanz großräumiger Kartierungen der Faziesvariabilität von Sedimenten, um eine Rekonstruktion paläozeanografischer Zirkulationsmuster und assoziierter Umweltveränderungen zu ermöglichen.
• Contourites, sediments deposited or significantly influenced by bottom currents, are increasingly recognized in modern oceans and are the subject of extensive multidisciplinary research. However, identifying contourites in the ancient record, which could provide crucial information on paleoceanographic and associated paleoclimatic changes, remains challenging, and new discoveries are rare. This is due to still incomplete criteria for the identification of contourites on a bed-to-outcrop scale. Only a three-stage approach, namely the integration of small-scale (facies to bed-scale), medium-scale (drift-scale), and large-scale (basin-scale) criteria, allows for the unequivocal identification of ancient contourites. However, this approach is often hindered by outcrop conditions that limit our ability to identify and fully document ancient bottom-current deposits. Therefore, the characterization of reliable small-scale diagnostic criteria for fossil contourites should be a top priority. To address this, the impact of bottom currents on Devonian deep-marine carbonates deposited within the closing oceanic realm between Laurussia and Gondwana, now exposed in southeastern Morocco, forms the focus of this thesis. The thesis builds upon findings from three publications to enhance understanding of carbonate contourite facies variability, associated depositional processes, and Mid-Paleozoic paleocirculation. The field-focused research incorporated different sedimentary archives from the northwestern margin of Gondwana: (1) an Early Devonian record exposed in the Skoura inliers of the southern High Atlas and (2) the Middle to Late Devonian record of the Tafilalt Platform (eastern Anti-Atlas). The former record, the focus of the first paper, was deposited on distal and moderately displaced continental blocks of Gondwana’s northwestern margin, known as the Meseta domain. It comprises a bioclastic contourite drift (Tiliwine Drift) showcasing a successive coarsening and thickening upward trend during the Pragian to early Emsian, followed by a sudden fining upward below the late Emsian Daleje shales. Detailed microfacies-, bed-, and drift-scale analyses of the succession incorporate four outcrops, which span a west-east trending, approximately 75 km long transect. They reveal (1) four facies associations, including up to 80 cm thick, complete and incomplete, bi-gradational carbonate contourite sequences, and (2) well-preserved traction structures, from current ripples and dunes, indicating a westward-directed paleocirculation. (3) An overall increasing influence of bottom currents during the Pragian and early Emsian, followed by a sudden cessation of bottom current activity at the early/late Emsian boundary, are the paleoceanographic expressions of the plate-tectonically driven (1) successive narrowing of the American Gateway between the converging landmasses of southern Laurussia and western Gondwana during the Pragian and early Emsian, ultimately leading to (2) the temporary closure of the gateway and a halt in paleocirculation between the Panthalassa and the Rheic Ocean close to the early/late Emsian boundary (ca. 400 Ma). The other investigated record is the Middle to Late Devonian of the Tafilalt Platform, representing the northern rim of a broad epicontinental sea and a more proximal part of the northern Gondwana margin. It has previously been described as a shallow pelagic platform and is world-famous for its cephalopod limestones and associated sediments. The re-evaluation of the depositional environment yielded a reinterpretation as a carbonate contourite terrace located at the uppermost slope of Gondwana, below storm wave base. The Eifelian–Frasnian record presents a diverse set of bottom-current processes leading to the formation of an overall condensed succession with frequent hiatuses due to intermittent accumulation of pelagites and bioclastic carbonate contourites. Five distinct facies associations reflect deposition under varying conditions, from mostly moderate, oxic clear-water bottom currents to periodically strong, anoxic bottom currents. The documented contourite facies indicate a complex interaction of suspension deposition, bedload traction, temporary dynamic sediment bypassing, concurrent seafloor cementation, and erosive bottom-current-induced reworking, controlled by a shifting water-mass interface. The study emphasizes the variability in micro , bed-, and drift-scale contourite features and their depositional architecture, while providing insights into the hydrodynamic processes shaping the depositional environment of the Tafilalt contourite terrace. The third study of this thesis builds upon the database of the former study and has also been conducted on Middle to Late Devonian successions of the Tafilalt contourite terrace (TCT) of southeastern Morocco. The novel aspect of this study is the reconstruction of the paleoceanographic processes linking the occurrence of time-specific organic-rich coquina beds (ORCs) with contemporaneous global evolutionary events. Paleocurrent data, derived from primary sedimentary structures within the ORCs, along with three-dimensional reconstructions of morphosedimentary features on the Tafilalt contourite terrace and biostratigraphic data, provide evidence for the periodic occurrence of vigorous, northwest-directed, along-slope bottom currents. These bottom currents, having a two-phase impact on the TCT: (1) the formation of wide-ranging hiatuses, and (2) followed by the deposition of ORCs as migrating bedforms, are attributed to repeated overflows of dense anoxic shelf water. This water was sourced from intra-shelf basins (Reggane, Ahnet, Berkine, and Ghadames) located in the epicontinental sea, south and southeast of the Tafilalt contourite terrace, where its formation was caused by strong evaporation and recurring photic-zone anoxia (top-down mechanism). Sea-level changes during short-lived hot-house conditions likely triggered the periodic process of shelf water cascading, dispersing the anoxic water from the epicontinental basins over the TCT oceanward. This study represents the first attempt to decipher the Paleozoic circulation patterns through analyzing a contourite drift archive, which influenced, possibly caused, the Devonian evolutionary events, ultimately culminating in the Kellwasser Crisis at the Frasnian/Famennian boundary. This thesis emphasizes the significance of contourites as archives for paleoceanographic processes and plate-tectonic events. It provides insights into the intricate dynamics of bottom currents and their role in sediment erosion, transport, and deposition. It highlights the importance of microfacies and paleocurrent analyses, and large-scale mapping of facies variability for the identification of ancient contourite records, which enable the reconstruction of past oceanic circulation patterns and environmental changes.