Sekvenční stratigrafie devonských bioeventů: mikrofacie a kompoziční analýza karbonátových sedimentů Barrandienu

Mgr. Hedvika Weinerová, Ph.D.

Doctoral thesis

Sequence stratigraphy of Devonian biotic events: microfacies and compositional analysis of carbonates of the Barrandian area

Abstract:

Hlavním cílem dizertační práce bylo přispět mikrofaciálním studiem vápenců k sekvenčně-stratigrafické interpretaci devonských sledů v pražské pánvi. Metodika se opírala o kvalitativní, kvantitativní a semikvantitativní mikrofaciální analýzu, zrnitostní analýzu a vícerozměrnou analýzu dat (analýza hlavních komponent, korespondenční analýza, Wardova metoda). Většina vícerozměrných metod není vhodná pro práci s uzavřenými daty, což se často opomíjí. Dílčím cílem bylo porovnat výsledky vícerozměrných metod při použití hrubých procentuálních (uzavřených) dat a dat upravených centrovanou log-ratio transformací. Celkem bylo zpracováno 471 vzorků z 19 lokalit v souhrnném stratigrafickém rozpětí střední lochkov až spodní givet. V případě všech provedených korespondenčních analýz (CA) i analýz hlavních komponent (PCA) lze interpretovat první osu ve smyslu změn hloubky prostředí. Tato interpretace je podpořena srovnáním s dalšími indikátory hloubky zahrnujícími obsah mikritu, zrnitost, a vypočtené gamazáření (CGR). Souřadnice vzorků na první ose korespondenční analýzy cílící na alochemické složení byly využity pro sledování progradačních, agradačních a retrogradačních trendů v koncepci sekvenční stratigrafie. Tímto způsobem lze poměrně dobře interpretovat transgresní systémový trakt (TST). Rozlišení traktu nízké, vysoké a padající hladiny moře je ale obtížné. Environmentální faktor (nebo kombinace faktorů) skrytý za druhou osou má značný vliv na míru mikritizace a zastoupení organismů s křemitými kostrami a pravděpodobně odpovídá množstí živin přinášených z pevniny. Určitou roli v případě druhé osy může mít i biologická evoluce. Výstupy PCA byly silně závislé na volbě hrubých či transformovaných dat i volbě kovarianční matice či matice korelačních koeficientů. Nejvíce informativních výsledků (nejlepší shoda s kvalitativními pozorováními, bez vzorků v odlehlých pozicích) bylo dosaženo při použití transformovaných dat a kovarianční matice. V rámci dizertační práce byly také studovány stabilní izotopy kyslíku a uhlíku se zaměřením na hranici stupňů lochkov a prag. Karbonátové složky z profilu Na Branžovech (střední lochkov–spodní ems) vykazují hodnoty δ18O mezi -6,6 a -1,3 ‰ V-PDB a hodnoty δ13C mezi -0,9 a 4 ‰ V-PDB. Konodontový apatit z profilu Požáry (nejvyšší silur–spodní ems) vykazuje hodnoty δ18O od 16,5 do 20,8 ‰ V-SMOW. Konodontový apatit z hraničního intervalu stupňů lochkov a prag v profilu ve Velké Chuchli dosahuje hodnot δ18O od 18,6 do 19,5 ‰ V-SMOW. Hodnoty δ13C často vykazují opačné trendy než hodnoty CGR. Z tohoto hlediska se zdá být růst hodnot δ13C vázán na regrese a pokles hodnot δ13C na transgrese. Paleoteploty vypočítané z δ18O kalcitových schránek ramenonožců i konodontového apatitu naznačují ochlazení při hranici lochkovu a pragu, přičemž teplotní rozdíl mezi vyšším středním lochkovem a spodním emsem by měl dosahovat 14 ˚C. Takto velký teplotní rozdíl se zdá velmi nepravděpodobný. Záznam stabilních izotopů kyslíku pravděpodobně odráží změnu paleoteplot, specifické podmínky na dané lokalitě, například již dříve předpokládanou zvýšenou salinitu během dočasné částečné izolace pánve, a faciálně závislou diagenezi. Srovnání hodnot δ18O konodontového apatitu i karbonátových složek s dříve publikovanými daty z pražské pánve i zahraničí dokládá, že laterální variabilita často převyšuje vertikální stratigrafické trendy.

Abstract:

The main goal of the dissertation was to contribute to sequence stratigraphic interpretation of Devonian rocks in the Prague Basin using microfacies study of limestones. The methods comprised qualitative, quantitative and semi-quantitative microfacies analysis, grain size analysis and multivariate data analysis (principal components analysis, correspondence analysis, Ward's method). Most multivariate methods are not suitable for analysis of closed data, which is often not taken into account. One of the goals was to compare the results of multivariate methods applied on raw (closed) data with those treated by centered log-ratio transformation. In total, 471 samples from 19 sections in the stratigraphic range from middle Lochkovian to lower Givetian were processed. For all correspondence analyses (CA) and principal components analyses (PCA) performed, the first axis can be interpreted in terms of changes in the water depth. This interpretation is supported by comparisons with other depth indicators including micrite content, grain size, and computed gamma-ray (CGR) logs. The sample coordinates on the first CA axis targeting the allochemical composition are interpreted in terms of progradation, aggradation and retrogradation trends (change in accomodation space). Using this method, the transgressive systems tracts are easily identified. However, it is difficult to distinguish between lowstand, highstand and falling-stage systems tracts. Environmental factor (or combination of factors) hidden behind the second axis had a significant effect on the degree of micritization and abundance of organisms with siliceous skeletons and probably correspond to amount of nutrients derived from land, while the results are probably influenced by biological evolution. PCA results are considerably influenced by the choice of raw or transformed data, and the choice of covariance or correlation matrix. The most informative results (best match with qualitative observations, no outliers) were obtained using transformed data and a covariance matrix. Stable isotopes of oxygen and carbon were also studied, focusing on the Lochkovian-Pragian boundary. Carbonate components from the Na Branžovech section (middle Lochkovian–lower Emsian) show δ18O values between -6.6 and -1.3 ‰ V-PDB and δ13C values between -0.9 and 4 ‰ V-PDB. Conodont apatite from the Požáry section (uppermost Silurian–lower Emsian) shows δ18O values from 16.5 to 20.8 ‰ V-SMOW. Conodont apatite from the Lochkovian-Pragian boundary interval in the Velká Chuchle section reaches δ18O values from 18.6 to 19.5 ‰ V-SMOW. The δ13C values often show opposite trends to CGR values. From this point of view, the increase and decrease in δ13C values seems to be linked to regressions and transgressions, respectively. Paleotemperatures calculated from δ18O of brachiopod calcite and conodont apatite suggest cooling through the Lochkovian-Pragian boundary and a temperature difference of 14 ˚C between the upper middle Lochkovian and the lower Emsian. Such a large temperature difference seems very unlikely. The record of stable oxygen isotopes probably reflects the change in paleotemperature, site-specific conditions, such as increased salinity during temporary partial basin isolation supposed by previous authors, and facies-dependent diagenesis. A comparison of δ18O values of conodont apatite and carbonate components with previously published data from the Prague Basin and some other areas across the world shows that lateral variability often exceeds vertical stratigraphic trends.

Keywords

pražská pánev, devon, sekvenční stratigrafie, vápence, mikrofacie, vícerozměrná analýza dat, uzavřená data, Prague Basin, Devonian, sequence stratigraphy, limestones, microfacies, multivariate data analysis, closed data

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 8. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 24. 11. 2022
• Supervisor: prof. Mgr. Ondřej Bábek, Dr.
• Reader: prof. RNDr. Roman Aubrecht, Dr., Mgr. Stanislava Vodrážková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology / Stratigraphic Geology, Paleontology and Sedimentology