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Mega-glendonites in the Early Eocene Fur Formation

unraveling paleoenvironmental conditions in the Danish Basin and their influence on glendonite formation

Das Vorkommen von Glendoniten ist eine Besonderheit der Fur Formation aus dem Unteren Eozän im Nordwesten Dänemarks. Glendonit ist eine Kalzitpseudomorphose nach dem metastabilen Mineral Ikait (CaCO3*6H2O). Dieses Mineral ist heute aus polaren marinen Sedimenten bekannt, aber auch aus der Tiefsee in Äquatornähe. Aufgrund seiner Bildung bei kalten Temperaturen nahe 0°C wird das Auftreten von Glendoniten in den geologischen Archiven als Indikator für Kaltzeiten genutzt. Das Untere Eozän ist jedoch bekannt für sein warmes Klima nach dem Paläozän-Eozän Temperatur-Maximum. Die Glendonite, sowie andere authigene Karbonatkonkretionen, der Fur Formation wurden mineralogisch, petrographisch und geochemisch untersucht, um Paläoumweltbedingungen, wie mikrobielle Prozesse und Redoxbedingungen im Sediment, sowie die Umgebungstemperatur während der Ikaitbildung im Dänischen Becken zur Zeit des Unteren Eozäns zu rekonstruieren. Die rekonstruierten Paläotemperaturen innerhalb der Sedimentsäule weisen auf kalte Temperaturen für die Ikaitbildung und auf Temperaturen von +6 bis +8 °C für die Transformation von Ikait zu Glendonit hin. Daher findet die Bildung von Ikait auch in wärmeren Zeiten statt, wenn die Temperaturen im Bodenwasser und im oberen Bereich der Sedimentsäule kalt genug sind und andere geochemische Parameter die Bildung von Kalzit und Aragonit verhindern. Somit muss festgestellt werden, dass eine pauschale Nutzung von Glendonit als Indikator kalter Klimabedingungen in der geologischen Vergangenheit nicht zulässig ist.

Titel: Mega-glendonites in the Early Eocene Fur Formation
Untertitel: unraveling paleoenvironmental conditions in the Danish Basin and their influence on glendonite formation
Verfasser: Nenning, Franziska GND
Gutachter: Strauß, Harald
Organisation: FB 14: Geowissenschaften
Dokumenttyp: Dissertation/Habilitation
Medientyp: Text
Erscheinungsdatum: 2017
Publikation in MIAMI: 29.08.2017
Datum der letzten Änderung: 29.08.2017
Schlagwörter: Glendonit; Unteres Eozän; Fur Formation; Paläoumwelt; Paläotemperatur; Ikait
Fachgebiete: Geowissenschaften, Geologie
Sprache: Englisch
Format: PDF-Dokument
URN: urn:nbn:de:hbz:6-51229483616
Permalink: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:6-51229483616
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Inhalt:
Abstract ___________________________________________________________________ v
Table of Contents __________________________________________________________ vi
1 Introduction and scientific objectives of this study _____________________________ 1
1.1. General introduction ______________________________________________________ 1
1.2. Scientific objectives of this study _____________________________________________ 7
2 State of the art _________________________________________________________ 9
2.1 Ikaite and its subsequent transformation to glendonite __________________________ 9
2.2 Geological setting ________________________________________________________ 12
2.3 Paleoenvironmental conditions within the Danish Basin _________________________ 17
3 Materials and methods __________________________________________________ 21
3.1 Materials _______________________________________________________________ 21
3.1.1 Glendonite samples and their surrounding carbonate concretions ________________________ 21
3.1.2 Carbonate concretions and volcanic ashes of the Fur Formation __________________________ 22
3.1.3 Diatom samples and glendonite samples for temperature estimates ______________________ 23
3.2 Methods _______________________________________________________________ 26
3.2.1 Sample preparation ______________________________________________________________ 26
3.2.2 X-ray diffraction _________________________________________________________________ 26
3.2.3 Electron microprobe analyses______________________________________________________ 26
3.2.4 Carbonate oxygen and carbon isotopes (δ18Ocarb and δ13Ccarb) ____________________________ 27
3.2.5 Apatite concentration within glendonites (PO43-) ______________________________________ 27
3.2.6 Total carbon (TC), total sulphur (TS), and total inorganic carbon (TIC) ______________________ 27
3.2.7 Concentration of total organic carbon (TOC) and C/N ratio ______________________________ 28
3.2.8 Organic carbon isotopes (δ13Corg) ___________________________________________________ 28
3.2.9 Strontium (87Sr/86Sr) and calcium (δ44/40Ca) isotopes ___________________________________ 29
3.2.10 Sulphur (δ34SCAS) and oxygen (δ18OCAS) isotopes of CAS and WSS ________________________ 29
3.2.11 Biomarker analyses ____________________________________________________________ 30
3.2.12 Oxygen isotopes of diatom frustules (δ18Odiatom) _____________________________________ 31
3.2.13 Clumped isotopes of replacive calcite (Δ47) _________________________________________ 34
4 Results _______________________________________________________________ 37
4.1 Glendonite of the Fur Formation ____________________________________________ 37
4.1.1 Macroscopic textures ____________________________________________________________ 37
4.1.2 Petrography and mineralogy ______________________________________________________ 38
4.1.3 Geochemistry __________________________________________________________________ 41
4.2 Carbonate concretions and volcanic ash layers of the Fur Formation _______________ 47
4.2.1 Sediment structures and fossils ____________________________________________________ 47
4.2.2 Volcanic ash layers – Microscopic textures and geochemistry ____________________________ 47
4.2.3 Carbonate concretions – Microscopic investigations ___________________________________ 52
4.2.4 Carbonate concretions - Geochemistry ______________________________________________ 53
4.3 Paleotemperatures _______________________________________________________ 66
4.3.1 Paleotemperatures indicated by the clumped isotope measurements (Δ47) of glendonite ___ 66
4.3.2 Paleotemperatures indicated by δ18Ocarb of glendonite and carbonate concretions ___________ 68
4.3.3 Bottom water temperatures indicated by δ18Odiatom values ______________________________ 75
5 Discussion ____________________________________________________________ 79
5.1 Glendonite of the Fur Formation ____________________________________________ 79
5.1.1 The internal structure of glendonite ________________________________________________ 79
5.1.2 The carbon source for ikaites and the newly built fill cements ____________________________ 82
5.1.3 Oxygen isotopes – temperature estimates vs. pore water composition ____________________ 84
5.1.4 Apatite as limiting factor for bulk δ18O analyses of glendonite samples ____________________ 86
5.1.5 Did the ash layers enhance the chance for ikaite formation? _____________________________ 87
5.1.6 Paleoenvironmental conditions of ikaite formation and transformation ____________________ 92
5.2 Carbonate concretions and volcanic ash layers of the Fur Formation _______________ 95
5.2.1 Volcanic ash layers – Their possible impact on the formation of carbonate concretions _______ 95
5.2.2 Carbonate concretions – shape and composition ______________________________________ 98
5.2.3 Carbon cycling within the Fur Formation – Signals from the PETM? _______________________ 98
5.2.4 Pore water geochemistry ________________________________________________________ 102
5.2.5 Diagenetic zones within the sedimentary column _____________________________________ 105
5.3 Paleotemperatures ______________________________________________________ 111
5.3.1 Previous paleotemperature estimates for the Fur Formation ___________________________ 111
5.3.2 Concept of the multiproxy paleotemperature reconstruction ___________________________ 112
5.3.3 Paleotemperatures derived from clumped isotopes (Δ47) ______________________________ 113
5.3.4 Paleotemperatures derived from carbonate oxygen isotopes (δ18Ocarb) ___________________ 114
5.3.5 Paleotemperatures derived from oxygen isotopes of diatom frustules (δ18Odiatom) __________ 116
6 Model of the Fur Formation deposition ____________________________________ 121
7 Summary and outlook __________________________________________________ 125
7.1 Summary ______________________________________________________________ 125
7.2 Outlook _______________________________________________________________ 128
8 References ___________________________________________________________ 129
9 Appendices ___________________________________________________________ 147
10 Acknowledgements and Curriculum Vitae ________________________________ 161
10.1. Acknowledgements ___________________________________________________ 161
10.2. Curriculum vitae ______________________________________________________ 162