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3D modelling of a Triassic ammonoid mass occurrence (Taurus, Turkey)

ammonoid mass mortality during the Carnian crisis (Carnian Pluvial episode)

Susanne Mayrhofer

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Dr.-Studium der Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Erdwissenschaften)

Betreuer*in

Leopold Krystyn

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DOI

10.25365/thesis.42489

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-11460.08504.243266-0

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die folgende Dissertation beinhaltet 5 wissenschaftliche Publikationen und ein eingereichtes Manuskript, welche im Zuge eines vom Österreichischen Forschungsfond (FWF) geförderten Projektes erstellt wurden. Ziel des Projektes (P 22109-B17) war die paläozoologische, paläobiogeo-, litho-, zyklo- und magnetostratigraphische Untersuchung obertriassischer (karnischer) Sedimente im zentralen Taurus Gebirge der südwestlichen Türkei. Der Hauptfokus der Dissertation lag dabei in der Entschlüsselung der Entstehungsgeschichte eines karnischen Ammonoideen-Massenvorkommens (Kasimlarceltites Schichten bzw. Kasimlarceltites acme zone), welches vor ca. 234 Millionen Jahren innerhalb einiger weniger Kalkgesteinsschichten abgelagert wurde. Die Kasimlarceltites acme zone repräsentiert, mit einer Ausdehnung von mehr als 5 km2, einen Leithorizont innerhalb der Umgebung von Aşağiyaylabel, dessen Untersuchung Einblicke in ein spättriassisches Ökosystem liefern kann. Der Aufschluss Aşağiyaylabel, im Taurus Gebirges südlich der Stadt Isparta gelegen, stellt eine Schlüssel-Sequenz in Bezug auf Umweltveränderungen am Übergang vom frühen zum späten Karn (Obertrias) dar. Seine Abfolge reicht von Plattformkarbonaten über pelagische und mergelige Kalke bis hin zu Schiefersedimenten. Die Bedeutung dieses Aufschlusses wird durch den Nachweis der Julium / Tuvalium Unterstufengrenze (= Unter- / Oberkarn Grenze) innerhalb der Kasımlar Formation deutlich. Ein wichtiges Ergebnis, gestützt durch sedimentologische und paläontologische Untersuchungen (Kapitel II), ist das Ausbleiben bzw. deutlich spätere Einsetzen der “Carnian Pluvial Episode (CPE)” im Untersuchungsgebiet, welche bislang als zeitgleiche dramatische Klimaveränderung innerhalb der Tethys betrachtet wurde. Im Gegensatz dazu zeigen die Analysen der Sedimentschichten in Aşağiyaylabel innerhalb der CPE ein unerwartetes rein karbonatisches Ablagerungssystem. Die „CPE“ setzt somit in der westlichen Tethys um eine Ammonoideen-Zone (das entspricht ca. 2 Millionen Jahre) später ein, und findet daher innerhalb der Tethys zeitversetzt statt, deutlich früher in höheren Breiten, und später in äquatorialen Breiten. Die Julium / Tuvalium Grenze konnte mithilfe von geophysikalischen Methoden wie Magnetische Suszeptibilität (MS) und Gamma-ray über eine Distanz von mindestens 5 km2 korreliert werden, wobei es sich um die ersten geophysikalischen Untersuchungen an unter- / oberkarnischen Sedimenten handelt (Kapitel III). Ein deutlicher Anstieg der radiometrischen Daten sowie der MS-Werte geht mit dem lithologischen Wechsel an der Julium / Tuvalium Grenze einher und spiegelt somit eine direkte Funktion des verstärkten terrigenen Eintrages in das marine Sedimentsystem wider, welcher höchstwahrscheinlich durch Klima-schwankungen ausgelöst wurde. So konnte beispielsweise ein zusätzlicher leichter Anstieg der MS-Werte am Übergang von den Flachwasser Karbonaten der Kartoz Formation zu den tiefermarineren Karbonaten an der Basis der Kasımlar Formation festgestellt werden. Neben den Ergebnissen der erwähnten Fazies Untersuchungen und der geophysikalischen Messungen geben die Schichten in Aşağiyaylabel erstmals die Möglichkeit eine Ammonoideen-Fauna über die Unter- / Oberkarn Grenze zu untersuchen (Kapitel IV), was die Bedeutung obertriassischer Faunen innerhalb des Taurus Gebirges heraushebt, und die Korrelation mit Faunen anderer Regionen des tethyalen Raumes erleichtert. Aufgrund der biostratigraphischen Relevanz bestimmter, innerhalb dieser Arbeit beschriebener, Ammonoideen Arten konnte das Alter der untersuchten Abschnitte der Kasımlar Formation als Julium 2 bis Tuvalium 1 eingestuft werden, was eine exakte Festlegung der Julium / Tuvalium Grenze im Profil ermöglicht. Neben den stratigraphischen Erkenntnissen wurden außerdem einige, bislang unbekannte unterkarnische (Julium 2) Ammmonoideen Arten, bzw. eine Ammonoideen Gattung aus der Kasımlar Formation beschrieben. Kasimlarceltites krystyni gen. et sp. nov. repräsentiert aufgrund seines Massenvorkommens das am häufigsten auftretende Faunenelement der Lokalität Aşağiyaylabel. Kasimlarceltites krystyni gen. et sp. nov. stellt aber nicht das einzige neu beschriebene Faunenelement dar. Auch Klipsteinia disciformis sp. nov. und Anasirenites crassicrenulatus sp. nov. konnten innerhalb des unterkarnischen karbonatischen Schichtgliedes (Einheit A–B) der Kasımlar Formation entdeckt und neu beschrieben werden. Um die Entstehung des bereits erwähnten Kasimlarceltites-Massenvorkommens besser verstehen zu können, wurde die räumliche Orientierung der Schalenreste innerhalb der Kalkbänke untersucht. Zu diesem Zweck wurde eine neue Methodik zur dreidimensionalen Rekonstruktion interner Strukturen fossiler Massenvorkommen sowie zur Auswertung der Orientierung einzelner Schalenreste im Sediment entwickelt (Kapitel V). Fallwinkel, Fallrichtung und Ausrichtung der Apertur der Längsachse sowie Fallwinkel und Azimut einer imaginären sagittalen Fläche durch jeden Ammoniten wurden zur räumlichen Orientierung eingemessen, wobei eine statistische NNW/SSO Orientierung der Schalenreste von mehr als 3.000 segmentierten Ammonoideen und 200 segmentierten Gastropoden ausgewertet werden konnte. Hochgerechnet auf eine Ausdehnung von 5 km2 würde das eine Anzahl von fast 775 Millionen Ammonoideen und 50 Millionen Gastropoden ergeben. Die Ergebnisse der Orientierungsmessungen wurden in Kapitel VI in Zusammenhang mit taphonomischen und sedimentologischen Ergebnissen von Proben weiterer Lokalitäten der Kasimlarceltites acme zone (Aşağiyaylabel: AS IV, Karapinar: KA I, II & IV) interpretiert. Zusätzliche zweidimensionale Orientierungsmessungen derselben Lokalitäten werden innerhalb des Kapitels VII beschrieben. Beide Methoden (3D- und 2D- Orientierungsanalysen) zeigen ähnliche Ergebnisse, welche eine Rekonstruktion der Entstehung des Massenvorkommens sowie eine Interpretation dessen Transportmechanismen ermöglichen. Die taphonomischen Untersuchungen lassen auf eine zweiphasige Entstehungsgeschichte dieses Massenvorkommen schließen: Eine primäre Ablagerung aufgrund episodischer anoxischer Bedingungen oder tektonisch induzierter Freisetzung von Methangas, scheint am wahrscheinlichsten. Aufgrund des Fehlens von Bioerosion beziehungsweise Inkrustation kann ein langes Freiliegen der Schalenreste ausgeschlossen werden. Die signifikante Einregelung der Schalenreste lässt auf einen Weitertransport durch fließenden Sedimenttransport, beispielsweise durch Schuttströme, Trübeströme oder Gravitationsströme in Richtung Becken schließen. Der sekundäre Transport führte schlussendlich zu einer Konzentrationslagerstätte sensu Seilacher. Das Kasimlarceltites Massenvorkommen stellt daher eine allochthone Ablagerung, basierend auf sedimentologischen Konzentrationsmechanismen dar. Diese Dissertation trägt zum Verständnis der Umgebungsverhältnisse innerhalb der frühen bis späten karnischen Zeit und deren klimatischen Ereignisse bei, welche durch die „Carnian Pluvial Episode“ innerhalb der Tethys ausgelöst wurden. Verschiedene klassische Methoden sind im Zusammenhang mit modernen sowie neu entwickelten Methoden zur Anwendung gekommen. Die Ergebnisse wurden in einem übergeordneten Zusammenhang betrachtet und interpretiert, um detailliertere Einsichten in die Umweltbedingungen der frühen bis späten karnischen Zeit zu erhalten.

Abstract

(Englisch)

The present thesis combines 5 peer reviewed articles and one submitted article, published in the course of a project funded by the Austrian Science Fund (P 22109-B17). The project focused on palaeozoologic, lithologic, cyclo- and magnetostratigraphic investigations of Upper Triassic (Carnian) sediments deposited within the Taurus Platform-Units of south-western Turkey. The main aim of this thesis was to trace the genesis and history of the 234 million-years-old Kasimlarceltites ammonoid mass occurrence, which is a marker-zone (Kasimlarceltites acme zone) represented by several limestone-layers within the Carnian Kasımlar Formation, developed during the early drowning phase of a shallow water platform. The acme zone shows an extension of at least least 5 km2 in the surroundings of Aşağiyaylabel and represents an important archive for a Late Triassic ecosystem. The Aşağiyaylabel sequence within the Taurus Mountains of Turkey constitutes an Upper Triassic key section concerning environmental changes during late Early- to early Late Carnian time. One main finding within this section, which represents a deepening sequence from platform carbonates over pelagic- and marly limestones into shales, was the occurrence of the Julian / Tuvalian substage boundary (= Lower- / Upper Carnian boundary) within the Kasımlar Formation. A further important result, based on sedimentological and palaeontological analyses, is a much later onset of the so called Carnian Pluvial Episode (CPE), which has previously been associated with dramatic climate changes throughout the Tethys region. Although the sediments of the Aşağiyaylabel sequence were deposited during the time when the CPE took place, they represent an unexpected, pure carbonate depositional system (chapter II). The onset of the CPE within the western Tethys occurred about 2 million years earlier (= one ammonoid zone) what hints to a diachrony of this event throughout the Tethys, which may occurred earlier at higher palaeolatitudes and later in equatorial areas. The detected Julian / Tuvalian boundary strata are recognisable by a positive shift in MS- and radiometry values and are traceable along an area of at least 5 km2. The MS- and radiometry-data at Aşağiyaylabel are the first data from Lower- to Upper Carnian sediments and reliably reflect lithological changes (chapter III). They display an amplified terrigenous input into the marine sediment system, triggered by climatic changes. The boundary from the Kartoz- to the Kasımlar Formation, which represents a change from shallow-water to deeper-water carbonates, shows another, smaller positive shift in the MS-data. The Aşağiyaylabel sequence is of high taxonomic and biostratigraphic value, as the possibility for investigating a continuous Lower- to Upper Carnian ammonoid record is quite rare. This substantiates the significance of Upper Triassic faunas within the Taurus Mountains and facilitates the correlation with faunal assemblages from other regions in the Tethyan Realm (chapter IV). Concerning biostratigraphic investigations, the sediments of the studied Kasımlar Formation are interpreted as Julian 2 to Tuvalian 1, what represents a detailed proof of the Julian / Tuvalian boundary in this section. Among the stratigraphic significance of those ammonoid faunas, which were deposited during the CPE, some so far unknown Lower Carnian (Julian 2) ammonoid species respectively one new genus from the Kasımlar Formation were described. The newly described genus and species Kasimlarceltites krystyni gen. et sp. nov. represents the main faunal element and is found abundantly (Kasimlarceltites mass occurrence). Additional new forms within the Lower Carnian Carbonate member (Units A–B) of the Kasımlar Formation, are Klipsteinia disciformis sp. nov. and Anasirenites crassicrenulatus sp. nov. A novel three-dimensional reconstruction method, which combines classical orientation analysis with modern 3D-visualisation techniques, was developed for investigating the spatial shell orientation of the Kasimlarceltites mass occurrence (chapter V). Dip, dip-direction, and aperture direction of the longitudinal axis of the ammonoids and gastropods as well as dip and azimuth of an imaginary sagittal-plane through each ammonoid were used to determine a statistical NNW/SSE shell orientation from more than 3,000 segmented ammonoids and 200 segmented gastropods. Upon these numbers an estimation of nearly 775 million ammonoids and 50 million gastropods was extrapolated from the segmented and counted individuals for an extension of at least 5 km2 of the investigated Kasimlarceltites limestone bed. Within chapter VI the newly described method was interpreted in combination with taphonomical and sedimentological results, investigated from samples of additional sections where the Kasimlarceltites acme zone was represented (Aşağiyaylabel: AS IV, Karapinar: KA I, II & IV). Furthermore, 2-dimensional orientation measurements from the same localities were constituted within chapter VII. Both methods, 3D- as well as 2D-analyses, show similar results and enable the reconstruction of the history of the mass occurrence and the interpretation of its underlying transport mechanisms. The taphonomic comparisons point to a two-phased genetic history of this mass occurrence which may have started with the formation of the deposit due to episodic anoxic conditions and/or tectonically induced methane degassing. As no traces of bioerosion or encrustation were found and furthermore a significant alignment of the ammonoids was tested, a basinward transport in a diluted sediment, most probably triggered by debris flows, turbidity currents or gravity flows, is assumed. This transport finally led to the secondary deposition as concentration-Lagerstätte sensu Seilacher. The ammonoid shells therefore reflect an allochthonous community, formed by biogenic and sedimentological concentration mechanisms. Finally, the present thesis contributes to the understanding of the environmental conditions during the Carnian Pluvial Episode within the Tethyan realm. Different classical methods were used in combination with modern as well as with newly established methods. Results were interpreted within a comprehensive context, for contributing to a more detailed insight into the environmental conditions which occurred during the Early to Late Carnian time.

Autor*innen

Susanne Mayrhofer

Haupttitel (Englisch)

3D modelling of a Triassic ammonoid mass occurrence (Taurus, Turkey)

Hauptuntertitel (Englisch)

ammonoid mass mortality during the Carnian crisis (Carnian Pluvial episode)

Paralleltitel (Deutsch)

3D Modellierung eines Triassischen Ammonoideen Massenvorkommen (Taurus, Turkei) - Ammonoideen Massensterben während der Karnischen Krise (Carnian Pluvial Episode)

Publikationsjahr

2016

Umfangsangabe

347 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Christian Klug ,

Marco Balini

Klassifikation

38 Geowissenschaften > 38.20 Paläontologie: Allgemeines

AC Nummer

AC13272083

Utheses ID

37604

Studienkennzahl

UA | 791 | 426 | |

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