Benthic foraminifera biofacies-analysis and stable isotopes of the Middle Eocene to Oligocene successions in the southern North Sea Basin. Tools for stratigraphy and for reconstruction of the extreme climates.

Tijdens het Paleogeen (65 tot 23 Miljoen jaar geleden) vinden er een aan tal klimaatsveranderingen plaats die qua oorsprong en omvang uniek blijken t e zijn in de recente geschiedenis van de Aarde. Vanaf het Vroeg Eoceen, éé n van de warmste periodes op Aarde, koelde het klimaat geleidelijk aan af tot min imum waarden. De zogenaamde Oi-1 afkoelingsfase luidde hierbij de overgang in van de Eocene broeikasperiode naar de Oligocene ijstijdperiode. Naast deze graduele afkoelingstrend vonden er bovendien verschillende abrupte, kortstondige klimaatsveranderingen plaats (< 500 000 jaar). Hoewel deze wereldwijd duidelijk herkend worden, zijn de mechanismen die deze snelle klimaatsveranderingen veroorzaken tot op vandaag niet goed gekend (Bohat y en Zachos, 2003). De overgang van een broeikas- naar een ijstijdregime, met zowel kortstondige als graduele klimaatsveranderingen, zoals het zich tijdens het Paleogeen voordeed, is één van de sleutels voor het ontcijferen van globale processen van klimaatsopwarming en -afkoeling. Wetenschappelijk onderzoek op dit gebied heeft zich vooral toegespitst op diepzee- (Zachos et al., 2001; Lear et al., 2 004) en continentale milieus (Wing et al., 2000; Bowen et al., 2005), en generee rde voornamelijk gemiddelde jaarlijkse waarden voor temperatuur, productivit eit, neerslag, enz. Het zuidelijke Noordzeebekken herbergt goed bewaarde ondiep mariene afzettingen van Paleogene ouderdom en laat ons bijgevolg toe de relatie te bestuderen tussen diepzee en continentale klimaatsveranderingen. Bovendien fungeren ze als een natuurlijk laboratorium voor het nagaan van de koppeling tussen stratigr afie, eustatische zeespiegelschommelingen en klimaatsveranderingen. In deze st udie worden benthische foraminiferen aangewend voor stratigrafie en paleomili eu studies, om zo te komen tot een geïntegreerd sequentie stratigrafisch mo del. Benthische foraminiferen zijn bovendien uiterst geschikt voor geochemisc he studies: in deze thesis wordt de eerste hoge resolutie zuurstofisotopencurve voorgesteld voor het zuidelijke Noordzeebekken, gaande van het Midden Eoceen tot Boven Oligoceen. Hoewel regionale biostratigrafie hoge resolutie toelaat binnen het Cenoz oisch Noordzeebekken blijft de ijking aan de internationale tijdsschaal problematisch. Dit is onder meer te wijten aan de vrij afgesloten config uratie van dit marginaal mariene bekken, de afwezigheid van tijdsindicatief kal kige microfossielen en een zwak paleomagnetisch signaal. Het begrijpen van de stratigrafische context van het Noordzeebekken is noodzakelijk, gezien h et verschillende historische stratotype secties herbergt die van belang zij n in aanhoudende discussies binnen de internationale stratigrafische gemeensc hap. Deze studie draagt hiertoe bij via de constructie van een regionaal bent hisch foraminiferen zonatie schema. Dit wordt vervolgens aan de internationale tijdsschaal gekoppeld via biostratigrafie op dinoflagellaten en nannoplankton, cyclostratigrafie, en geochemische dateringstechnieken zoals Sr-isotopen stratigrafie en K-Ar datering. Het bovenste deel van het Rupeliaan stratotype wordt in het bijzonder belicht omwille van de huidige discussies rond de Rupeliaan/Chattian grens, waarvoor in de nabije toekomst een internationaal referentiepunt (GSSP) zal geratificeerd worden. Twaalf benthische foraminiferen biozones worden nieuw gedefinieerd (OO tot OIX), gaande van het onderste tot het boven Oligoceen. Sommige soorten, zoals Cassidulina carapitana, Hoeglundina elegans, Turrilina alsatica, Rotalia tina bulimoides,Cibicidoides ungerianus, Rolfina arnei en Asteriger inoides guerichi, spelen een belangrijke rol voor regionale correlatie, aangezien zij synchroon voorkomen binnen het hele Noordzeebekken. Koppeling aan de internationale magnetobiochronologische tijdsschaal wordt bewerkstelligd via dinoflagellaten en kalkig nannoplan kton die meestal op dezelfde stalen bestudeerd werden. Deze studie bevestigt eerdere bevindingen dat de positie van de Eoceen/Oligoceen GSSP samenvalt met de basis van het Bassevelde 3 sub-lid. Benthische foraminiferen vertonen echter geen duidelijke veranderingen rond dit niveau en de grootste kentering in fauna en flora vindt hogerop plaats, tussen de Watervliet Klei en de Ruisbroek Zanden. Dit niveau wordt geïnterpreteerd als de sequentiegrens tussen de NS-Ru1/NS-Ru2 sequenties en kan gecorreleerd worden met de Grande Coupure dat op zijn beurt geassocieerd is met de disconformiteit tussen de meer proximale Sint-Huibrechts Hern en Borgloon Formaties. Binnenin het Lid van Ruisbroek zijn er verschillende benthische foraminiferen die voor het eerst verschijnen, zoals Hoeglundina elegans en Turrilina alsat ica, en iets hogerop, het marker species Cassidulina carapitana. De enorme toename van Asterigerinoides guerichi laat de identificatie en correlatie toe van de basis Chattiaan afzettingen over het Noordzeebekken. De belangrijkste dinoflagellaten gebeurtenissen geassocieerd met de Rupeliaan-Chattiaan transitie in het Noordzeebekken zijn het eerste voorkomen van Artemisiocysta cladodichotoma en het voorkomen van het Arc tisch taxon Svalbardella spp., net erboven. Dit laatste suggereert een link tussen het hiaat geregistreerd tussen de Rupeliaan en Chattiaan historische stratotype secties, een globale zeespiegeldaling en een periode van intense afkoeling (Van Simaeys et al., 2005a). De extinctie van het planktonisch foraminifera taxon Chiloguembelina spp. in het zuidelijke Noordzeebekken vindt plaats in het Onder Rupeliaan (niveau S10 in de Boom Formatie). Hieruit blijkt dat dit event niet kan gebruikt worden als criterium voor het herkennen van de Rupeliaan/Chattiaan grens in de international zonatie schema s. Voor de Lutetiaan afzettingen van de Lede en Maldegem Formatie steunt de kalibratie met de internationale tijdsschaal vooral op kalkig nannoplankton (Steurb aut, 1986, 1992; Vandenberghe et al., 2003; Steurbaut, 2006); voor de Bartoni aan afzettingen van de Barton en Becton Formties van het Hampshire Bekken vo oral op dinoflagellaten (Bujak et al., 1980; De Coninck, 1995). Aangezien de tro pische bio-marker taxa die in de internationale tijdsschaal gebruikt worden nog steeds aanwezig zijn in het Noordzeebekken tijdens het warme Eoceen, biedt biostratigrafische correlatie consistente ankerpunten. Tijdens het Oligoceen wordt correlatie van het Noordzeebekken met de int ernationale tijdsschaal echter belemmerd door de meer afgesloten configuratie van he t bekken en door temperatuursbarrières die globale verspreiding van tropis che taxa limiteren tijdens deze ijstijdperiode. Daarom wordt de gekalibreerd e ouderdom van kalkig nannoplankton en dinoflagellaten in deze studie aang evuld door onalfhankelijke dateringstechnieken zoals radiometrische K-Ar dater ing, strontium isotopen stratigrafie en cyclostratigrafie. 87Sr/86Sr verhoudingen, gegenereerd voor negen Rupeliaan of Chattiaan horizonten, leveren een unieke nummerische ouderdom die slecht s een beetje ouder is dan de ouderdom gegenereerd via biostratigrafische corre laties. Radiometrische K-Ar datering op glauconieten is conform met een ouderdom van 27.0 (&plusmn; 0.3) Ma voor de basis van het Chattiaan. Deze ouderdom is statistisch identiek aan de ouderdom gegenereerd via Sr-isotopen stratigrafie en micropaleontologie. Astronomische tuning van de vroeg Oligocene Boom Klei afzettingen ondersteunt correlatie van de klei/silt coupletten met 41kyr obliquiteitscycli en toont aan dat hierop ook nog een ~100- and 405-kyr excentriceitssignaal gesuperponeerd is. Bijgevolg is het mogelijk om de tijdsspanne te bepalen die verstreken is tijdens de afzetting van het Rupeliaan historisch stratotype sectie en zo een zwevende tijdsschaal te construeren. Deze relatieve tijdsschaal werd vervolgens aan de internationale geochronologische tijd sschaal gekoppeld via ouderdommen bekomen uit geëxtrapoleerde bio-events en uit strontium isotopen stratigrafie. Deze voorlopige astronomische tuning (A bels et al., in press) kan echter nog op- of neerwaarts geschoven worden over&amp;nb sp;één of twee 405-kyr excentriciteitcycli. Via verschillende dateringstechnieken wordt in deze studie aangetoond dat de basis van de Chattiaan Etage veel jonger is dan tot nu toe aangenomen wordt in de internationale tijdsschaal. De allereerste laat Oligocene sedimenten die werden afgezet tijdens de Chattian transgressie in het Noordzeebekken hebben bijgevolg een ouderdom van 27.3 tot 27.0Ma. Paleomilieu reconstructies van de Eo-Oligocene afzettingen uit het zuidelijke Noordzeebekken worden verkregen door middel van benthische foraminiferen biofacies-analyse en stabiele isotopen data uit benthische foraminiferen, nuculid-bivalven en visotolieten. Deze studie levert dus de onontbeerlijke link tussen paleomilieu reconstructies steunend op kwalitatieve paleontologische data en kwantitatieve data afgeleid van d18O waarden. Benthische foraminferen biofacies worden gekarakteriseerd door een welbepaalde set aan foraminiferen indices (planktonisch/benthisch ratio, a-diversiteitsindex, absolute abundantie etc.) en door een specifieke combinatie van individu ele taxa die informatie verschaffen over de afzettingsomstandigheden binnen de fossiele omgeving. Voor de Eo-Oligocene Noordzeebekken assemblages, best aat de diep water eco-groep voornamelijk uit bvb. Eggerella spp., Globocassidul ina subglobosa, Ehrenbergina spp., Pyrgo bulloides en Hoeglund ina elegans, terwijl ondiep-water taxa vertegenwoordigd worden door bvb. Protelphidium s pp.,Elphidiella spp., Asterigerinoides spp. en Quinqueloculina spp. Veranderingen in de relatieve abundantie van deze eco-groepen weerspiegelt bijgevolg veranderingen in de afzettingsdiepte. Het kwantificeren van zeespiegelsc hommelingen door gebruik te maken van de dieptedistributie in modern benthische foraminiferen leidt echter tot anomaal diepe reconstructies voor het Noordzeebekken. Een alternatieve benadering voor het berekenen van afzettingsdiepte wordt geleverd door zuurstofisotopen. Deze laten een mi nimum schatting toe van de absolute (eustatische) zeespiegelschommelingen tijd ens het Oligoceen, door de amplitude te vergelijken van d18O variaties tussen de verschillende afzettingssequenties, mits een constant ijsvolume effect te veronderstellen. Integratie van deze verschillende parameters leidt tot een robuuste paleobathymetrische reconstructie voor het boven Eoceen en Oligoceen van de Noordzeeafzettingen. De belangrijkste zeespiegeldaling wordt geregistreerd tussen de NS-Ru1 en de NS-Ru2 sequentie, bij de basis van het Lid van Ruisbroek, met een minimum daling van ~23m. Tijdens het Rupeliaan doen er zich verschillende fases voor van hogere zeespiegelstand, nabij niveau S10 en de roze band ( R ). Nadien wordt he t milieu ondieper, nabij de dubbel band ( DB ). In het bovenste deel van h et Rupeliaan leidt een graduele verondieping tot een meer geïsoleerd marien milieu. Een hernieuwde opening van een mariene zeearm en de installatie van normaal mariene condities vindt plaats boven niveau S190 (basis NS-Ru4 s equentie). Sterk verhoogde herwerking van gesilicifieerde boven Krijt foraminiferen in het bovenste deel van de sectie suggereert een tektonische puls die het hele Noordzeebekken beïnvloed. De Rupeliaan-Chattiaan transitie in het zuidel ijke Noordzeebekken is gekarakteriseerd door een duidelijke verlaging in pale obathymetrie (minimum ~14 m). De zeespiegel stijgt vervolgens weer tijdens de afzetti ng van de Voort Formatie, waarvoor een waterdiepte afgeleid wordt van 10 tot 30 m. Gemiddelde temperatuursveranderingen worden bepaald door temperatuursgevoelige benthische foraminiferen en door d18O-data verkregen uit biogeen carbonaat. De hoge resolutie zuurstofisotopencurve geconstrueerd voor het Midden Eoceen tot Boven Oligoceen voor het zuidelijke Noordzeebekken is in overeenstemming met de globale zuurstofisotopencurve voor diepzee secties. Temperaturen evolueren gradueel van zeer warm in het Midden Eoceen (~23&#176;C) tot veel kouder in het Oligoceen (~12&#176;C). De afkoeling van het klimaat wordt versterkt vanaf het Priaboniaan, met een duidelijke stapsgewijze daling in gemiddelde bodemwatertemperaturen na de eerste Oligocene sequentie (NS-Ru1). Deze trend wordt eveneens waargenomen in de temperatuursgevoelige benthische foraminiferen: een eerste afkoeling wordt waargenomen nabij de top van het Bassevelde 1 sub-lid, een tweede binnenin het Lid van Watervliet en een derde zeer duidelijke temperatuursdaling is geassocieerd met de basis van het Lid van Ruisbroek. De eerste temperatuursdaling komt overeen met een korte afkoelingsfase geregistreerd in de Zuidelijke Atlantische Oceaan en Italiaanse secties rond ~35.5 Ma (Vonhof et al., 2000). Mogelijk veroorzaakt deze afkoeling een zeespiegeldaling die een sequentiegrens induceert tussen h et Bassevelde 1 en Bassevelde 2 sublid (NS-Pr1 en NS-Pr2 sequenties). De toename in gemiddelde d18O-waarden tussen het Lid van Watervliet en Ruisbroek (~1.35 amplitude tussen NS-Ru1 and NS-Ru2 sequenties) wordt toegeschreven aan de Oi-1 ijstijd, die gedateerd is op 33.5 tot 33.05 Ma en gepaard gaat met een snelle expansie van continentale ijskappen en afkoeling van vroeg Oligocene bodemwateren (Zachos et al., 1996). Gelijktijdig met deze snelle daling in gemiddelde jaartemperaturen, vind t er ook een dramatische verschuiving plaats in seizoensregime. Zomer- en wintertempe raturen konden afgeleid worden via d18O-data uit bemonstering van groeiringen in visotolieten. De seizoenaliteit (= zomer wintertemperatuur) evolueert van &gt;8&#176;C tijdens het Eoceen en vroegste Oligoceen tot < 4&#176;C in het overige deel van het Oligoceen. De afname in seizoenaliteit rond het Eoceen-Oligoceen grensinterval lijkt tegenstrijdig met de bevindingen in de Gulf Coastal Plain, waar een toename van ~4&#176;C waargenomen wordt. Een mogelijke verklaring voor deze discrepantie in Oligocene klimaatsregimes ligt in de constitutie van de Proto-Golfstroom in die periode. Expansie van p olaire ijskappen tijdens het Eoceen-Oligoceen grensinterval verstoort het oostw aarts pad van de warme Proto-Golfstroom; met koudere zomers in de Noordzee tot gevolg. De Gulf Coast blijft binnen het bereik van de warme zeestroming en behoud bijgevolg gelijkaardige zomertemperaturen in het Eoceen en het Oligoceen. De onder Rupeliaan Boom Formatie wordt gekenmerkt door koud gematigde co ndities, met glacialen en interglacialen die elkaar aan een hoge frequentie afwis selen. Hoewel er geen relatie kon vastgesteld worden tussen de obliquiteit-gecontrolee rde afwisseling in klei/silt niveaus en de variatie in d18O-waarden, werden prominente glaciale episodes met lokale d18O maxima waargenomen op de plaats waar 100 kyr en 400 kyr excentriciteitmaxima in fase zijn; meer bepaald rond 31.7, 31.5 en 30.55 Ma (horizont 11, 16 en S50). Nabij de basis van de Chattiaan Voort Formatie suggereren zeer positieve d18O waarden (~1.4 ) een mogelijke correlatie met de Oi-2b ijstijdperiode geregistreerd in diep zee omgevingen (Wade and Pälike, 20 04). Dit bevestigt eerdere suggesties door Van Simaeys et al. (2005a) dat de Rupeliaan-Chattiaan disconformiteit in het Noordzeebekken genetisch gerelateerd is aan een ijstijdperiode: deze induceert een zeespiegel laagstand, met een hiaat van ~500 kyr tussen de Rupeliaan en Chattiaan Etages tot gevolg (Van Simaeys, 2004a; Van Simaeys et al., 2005a). Aan de basis van de Voort Formatie suggereerde een dramatische toename in warm water taxa (90%) dat de vroeg Chattian trans gressie geassocieerd is met een wijdverspreide opwarmingsfase. Dit leidde tot de idee dat deze transgressie gerelateerd was aan de negatieve d18O-waarden geregistreerd in de globale zuurstofisotopencurve, genaamd Late Oligocene Warming Event (Zachos et al., 2001). Paleotemperaturen berekend via d18O-analyses op benthische foraminiferen en visotolieten tonen echter veel lagere temperaturen aan, van 9 tot 10&#176;C voor de basis Chattiaan sedimenten. Het opmerkelijke verschil tussen de twee proxies blijft intrigerend en is niet erg goed begrepen. Verminderde saliniteit geassocieerd met de Chattiaan transgressie kan anomale zuurstofisotopenw aarden induceren. Tot op heden is er echter geen bewijs om deze verklaring te ondersteunen of te verwerpen. Integratie van stratigrafische en paleomilieu data leidt tot het opstell en van een sequentie stratigrafisch kader. Zeven Oligocene sequenties worden nieuw gedefinieerd of geherdefinieerd voor het zuidelijke Noordzeebekken, waar bij elke sequentie geformaliseerd wordt door adequate informatie over ouderdomsbepaling, afzettingmilieu en isotopenkarakteristieken. Deze seq uenties worden vervolgens gecorreleerd met de globale eustatische zeespiegelcurv e van Haq et al. (1987) en met de globale zuurstofisotopencurve voor diepzee a fzettingen. Dankzij de verbeterde stratigrafische kalibratie van de zuidelijke Noord zeebekken afzettingen kon er een causale link gelegd worden tussen de Rupeliaan-Ch attiaan disconformiteit en de opvallende zuurstofisotopenpiek Oi2b (Van Simaeys et al., 2005a). Dit impliceert dat de derde orde sequentiegrens TA4.5/TB1.1 tuss en de Rupeliaan en Chattiaan Etages gecorreleerd kan worden met deze Oi2b glob ale afkoelingsfase. Als conclusie kunnen we stellen dat de Eo-Oligocene afzettingen van het ondiep mariene Noordzeebekken een uniek kader vormen die toelaten de causaliteit tussen stratigrafie en klimaatsveranderingen te achterhalen en beter te begrijp en. De integratie van beide studiegebieden leidt tot een model voor glacio-eust atische zeespiegelveranderingen, waardoor correlaties tussen verschillende bekke ns mogelijk worden. Een bijkomende troef van de glacio-eustatische zeespiegelverande rigen is het voorspellend karakter wat toelaat doelgericht naar sequentie grenzen te zoeken.status: publishe