Mikropaläontologische Indikatoren für Paläoklima und Paläobathymetrie in der borealen Oberkreide: Bohrung Metelen 1001 (Münsterland, NW-Deutschland; Obersanton bis Obercampan)

Zusammenfassung

Basierend auf umfangreichem, lithologischen und faunistischen Datenmaterial werden die palökologischen Verhältnisse für die jüngste Oberkreide (Obersanton bis unteres Obercampan) der Bohrung Metelen 1001 (NW-Deutschland, Münsterländer Becken) rekonstruiert. Die Auswertung berücksichtigt die Gesamtfauna, der Schwerpunkt liegt aber auf der Auswertung der faunendominanten Foraminiferen. Die Temperaturabschätzung basiert überwiegend auf aktualistischen Vergleichen der Taxa, die Abschätzung der Wassertiefe auf der Mikrofazies sowie Faunentrends und funktionsmorphologischen Merkmalen. Die Modelle vonStehli (1966),van Marle (1987) undGibson (1989) erlauben eine quantitative Abschätzung der Wassertiefe. Der palökologische Aussagewert aller Parameter und Modelle wird getestet und kritisch diskutiert.

Die nachgewiesenen Foramol-Assoziationen, die extrem Mg-armen, glaukonitführenden Karbonate und die Lage innerhalb derNormapolles-Provinz belegen für die obercampanen Flachwasserablagerungen der Bohrung Metelen 1001 eine Sedimentation in einem gemäßigten Klimabereich.

Die abnehmenden Häufigkeiten thermophiler Planktoner vom Liegenden zum Hangenden deuten auf eine Abkühlung vom Untercampan (warm-gemäßigt) zum Obercampan (kühl-gemäßigt). Diese Entwicklung entspricht einem globalen Klimatrend, der kurzzeitigere Temperaturzyklen 4. bis 6. Ordnung überlagert. Die Schwankungen der Temperaturindex-Kurve der benthonischen Foraminiferen spiegeln in den untercampanen Ablagerungen des tieferen Sublitorals in erster Linie hydrographisch gesteuerte Schwankungen der Wassertemperatur wider. Die Kurve bewegt sich meist im gemäßigten Temperaturbereich. Die Karbonatzyklen 5, und 6. Ordnung zeigen eine gute Übereinstimmung mit Schwankungen der Temperaturindex-Kurve. Bathymetrische Zyklen zeichnen vor allem die Karbonatzyklen 4. und 6. Ordnung nach. Aus den wechselnden Temperaturindikationen des Planktons und Benthos kann auf Phasen mit mehr oder weniger ausgeprägter Wasserschichtung geschlossen werden. Warm wasserphasen mit geringen Temperaturgradienten und Migrationsschüben thermophiler Tethysformen finden sich vor allem im tieferen Untercampan. Sie wechseln mit Phasen deutlicher Temperaturschichtung, die meist mit einem unterschiedlich intensiven Upwelling verknüpft sind. Während der maximalen Intensität des Upwellings im höchsten Untercampan überwiegen im Plankton und Benthos thermophobe Formen, die mit meso- und bathypelagischen Selachiern vergesellschaftet sind. Die Tiefenwässer werden aus dem arktischen Raum hergeleitet, von wo sie mit zunehmender Öffnung des Nordseegrabensystems bis weit in den mitteleuropäischen Schelf vorgedrungen sind.

Aus ökobathymetrischen Parametern und Faunentrends kann für die obercampane Flachwasserfazies ein Ablagerungsmilieu dicht unter der Sturmwellenbasis und eine Wassertiefe von 20–40 m abgeleitet werden.

Die quantitative Abschätzung der Wassertiefe tieferer Schelfbereiche basiert auf einer Interpretation der Foraminiferenfaunen mit Hilfe desvan Marle-Modells und desStehli-Diagramms. Die mit diesen Verfahren für die Bohrung Metelen ermittelte bathymetrische Trendkurve zeigt Zyklen 2.(?) bis 6. Ordnung. Alle Zyklen gliedern sich in Niedrigstand-, Transgressions- und Hochstandsedimente und werden durch marine Flutungsflächen begrenzt. Die Zyklen 4. bis 6. Ordnung (=Parasequenzen) sind als kurzzeitige Meeresspiegelschwankungen zu interpretieren. Die gute Übereinstimmung dieser Zyklen mit den Temperaturzyklen deutet auf eine glazio-eustatische Genese. Lokal-tektonische Ereignisse können eine leichte Verschiebung der Zyklengrenzen gegeneinander bewirken.

Das Metelen Profil kann in 5 Sequenzen (=Zyklen 3. Ordnung) untergliedert werden, die durch Sequenzgrenzen vom Typ II getrennt werden und mit dem Schelfrand-Systemabschnitt beginnen. Gute Merkmale für eine Sequenzkorrelation sind die Transgressionsfläche, die maximale Flutungsfläche und die kondensierte Folge. Die Zyklen 3. Ordnung zeigen nur eine geringe Übereinstimmung mit der Temperaturkurve und sind daher überwiegend tecktono-eustatischer Ursache. Aus der Korrelation mit der Sequenztabelle vonHaq et al. (1988) ergibt sich eine deutliche Verschiebung der Santon/Campan und Unter-/Obercampan-Grenzen im Vergleich zur bisher verwendeten Benthosforaminiferen-Gliederung.

Die Zyklen 3. Ordnung werden noch von einem Zyklus höherer Ordnung überlagert, der in der Zyklenhierarchie zwischen den Zyklen 2. und 3. Ordnung rangiert und offen-sichtlich ebenfalls eine globale Verbreitung hat.

Biofazies-Typen wurden durch eine kombinierte Cluster- und Diskriminanzanalyse unterschieden:.

Unter den Benthosfaunen konnten mit Hilfe lithologischer und faunistischer Parameter 7 Biofazies-Typen abgetrennt werden. Die Merkmale erlauben eine palökologische Charakterisierung der Biofazies-Typen und die Rekonstruktion von Wassertiefe, Wassertemperatur, Wasserenergie, Sedimentationsgeschwindigkeit, Durchlichtung sowie des O₂-Gehaltes des Bodenwassers. Die vertikale Abfolge der Biofaziestypen spiegelt die palökologischen Entwicklungen in den bodennahen Wasserschichten wider und zeichnet die Trends der Zyklen nach.

Die Planktonforaminiferen-Faunen können 4 Biofazies-Typen zugeordnet werden. Die Typen I und II werden durch Kümmerfaunen charakterisiert, die auf ökologischen Streß zurückzuführen sind. Sie sind im unteren Untercampan und Obercampan verbreitet. Der stark durch “upwelling” beeinflußte Kaltwasser-Typ III tritt im oberen Untercampan auf. Der Warmwasser-Typ IV wird durch ozeanisch beeinflußte, hoch diverse Faunen gekennzeichnet und ist im unteren Untercampan verbreitet.

Summary

The paleoenvironmental conditions of the uppermost part of the LateCretaceous (Upper Santonian to Upper Campanian) of the Metelen well (NW-Germany, Münsterland Basin) are reconstructed using lithological and faunistic data. The interpretation pays attention to the complete fauna but concentrates on the dominating foraminifers. Temperature interpretation is based predominantly on actualistic comparisons of the taxa, while the estimation of water depth is derived from microfacies, faunal trends and functional morphological adaptions. The models ofStehli (1966),van Marle (1987) undGibson (1989) are used for a quantitative interpretation of water depth based on distributional patterns of foraminifers. The palecological value of all the parameters and models is discussed.

Shallow water deposits, the “foramol-associations”, the Mg-poor, glaukonitic limestones and the position of the well within theNormapolles-province indicate a temperate climate for the Late Campanian of the Metelen section.

The decrease in the abundance of planktonic foraminifera from the lower to the upper part of the section refers to a cooling from the Early Campanian (warm-temperate) to the Late Campanian (cool-temperate). This development corresponds to a global climatic trend, which overprints temperature cycles of fourth to sixth order in the Metelen section. In Early Campanian deposits of the deeper sublitoral the oszillations of the temperature index curve of the benthic foraminifers mainly reflects hydrographically controlled changes of the water temperature. The fluctuations of the curve are mostly within the limits of temperate temperature values. Carbonate cycles of fifth and sixth order exhibit a good agreement with the changes of the temperature index curve. Bathymetrical cycles show the optimal correspondence with carbonate cycles of fourth and sixth order. Differences in the temperature indications derived from planktonic and benthonic foraminifers point to the existence of periods with more or less significant water stratification. Warm water periods with low vertical temperature gradients and migrations of thermophile Tethyan taxa occurred predominantly during the early Lower Campanian. These periods alternate with periods with a distinct water stratification, most probably caused by upwelling. Thermophobe taxa dominate in planktonic and benthonic faunas during the maximum intensity of upwelling duringthe latest Lower Campanian. During the upwelling periods meso- and bathypelagial sela-chians can be observed. The cold water periods can be explained by arctic deep sea water passing through the North Sea rifting system and entering the central European shelf.

Shallow water deposits, an environment close below the storm wave basis and a water depth of 20–40 m can be deduced from ecobathymetrical parameters and faunal trends for the Late Campanian.

The water depth of the deeper shelf can be estimated using foraminiferal assemblages and the the model ofvan Marle as well as the triangular plot method introduced byStehli. The bathymetrical trend curve resulting from these methods exhibits the existence of second(?) to sixth order cycles. Within each cycle lowstand, transgressive and highstand deposits occur; the cycles are bordered by marine flood plains.

The cycles of fourth and sixth order (=parasequences) are interpreted as short-time sea level changes. The good agreement of these cycles with the temperature cycles indicates a glacio-eustatic origin. Slight differences in the boundaries of these cycles may be due to regional tectonic events.

In the Metelen section five sequences (=cycles of third order) can be recognized; they are separated by type II-boundaries and start with sediments of the shelf margin system tract. The transgressive surface, the maximum stage of flooding and condensation horizons are more useful markers for the sequence correlation than the sequence boundaries. The correlation of the third order cycles with the temperature curve is poor; third-oder cycles, therefore, seem to have been predominantly controlled by tectono-eustatic sea level changes.

The correlation of cycles recognized in the Metelen section with the global sea-level cycles (Haq et al. 1988) results in considerable shiftings of the Santonian/Campanian and Lower/Upper Campanian boundaries in the Münsterland Basin in comparison with biostratigraphic boundaries based on benthic foraminifera.

The third-order cycles are overprinted by a cycle of higher order, which must be located between second-order and third-order cycles following the cycle hierarchy. This cycle, probably, seems to be of global importance.

The differentiation of biofacies types is based on a combined cluster and discriminant analysis:

The benthic assemblages can be attributed to seven biofacies-types distinguished by lithological and faunistic parameters. These parameters have been used for a paleocological interpretation of the biofacies types and for a reconstruction of water depth, temperature, limits of light, intensity of currents, accumulation rates and the level of oxygenation of the bottom water. The vertical sequence of biofacies-types reflects the palecological development within the bottom water and the major trends of the cycles.

The faunas of planktonic foraminifers are attributed to four biofacies types. The low-diverse faunas of biofacies I and II were adapted to ecological stress situations. They were common during the early Lower Campanian and the Late Campanian. The cool-water biofacies type III was strongly influenced by upwelling, it is represented predominantly by sediments of upper Early Campanian age. The warm-water biofacies type IV of the lower Early Campanian is characterized by oceanic diverse faunas.