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«Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften am Fachbereich Geowissenschaften der Universität Bremen vorgelegt von Benedict ...»

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High-resolution seismo-acoustic studies

of alongslope and downslope sediment transport processes

shaping depositional patterns at continental margins


zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften

am Fachbereich Geowissenschaften

der Universität Bremen

vorgelegt von

Benedict Preu

Bremen, Dezember 2011


Prof. Dr. Volkhard Spieß

Prof. Dr. Dierk Hebbeln

Table of contents

Table of contents

sdf Page


1 Kurzfassung 3 Chapter 1 Introduction 6 1.1 The ocean as archive for climate changes 6 1.2 Sedimentation under influence of bottom currents 7 1.3 Motivation and objectives 11 1.4 Regional setting of the northern Argentine margin 13 1.5 Methods 17 1.6 Thesis outline 22 1.7 Additional contributions to articles 23 Chapter 2 Sedimentary growth pattern on the northern Argentine slope: the impact of 25 North Atlantic Deep Water on southern hemisphere slope architecture Chapter 3 Morpho-sedimentary characteristics of the northern Argentine margin: 45 the interplay between erosive, depositional and gravitational processes Chapter 4 Interaction of along-slope and down-slope processes: 75 The Mar del Plata Canyon and its effects on contourite deposition Chapter 5 The impact of lee eddies on sediment dynamics: 90 Acoustic Imaging of Nepheloid layers within the Agulhas Current Chapter 6 Conclusions and future perspectives 98 References 100 Abbreviations 112 Appendix 1 113

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Abstract Downslope and alongslope sediment transport are the dominant processes during the evolution of continental margins. While downslope transport is driven by gravity, slope parallel transport is mainly controlled by the thermohaline circulation and associated bottom currents. Although several studies focused on either one of these processes, knowledge on bottom current induced sediment transport and its interplay with downslope oriented processes is still limited. The major goal of this thesis is to reveal the impact of both alongslope and downslope oriented sediment transport on slope architecture in highly dynamic oceanographic settings and to assess their interaction.

The main investigation area covers the continental slope in the border region of Uruguay and Argentina, where a major contourite depositional system (CDS) is located beneath the Brazil-Malvinas Confluence, which represents a key location within the deep and intermediate water loop of the global conveyor belt. The CDS encompasses well defined depositional and erosive features, the most prominent represented by contourite terraces and the Mar del Plata submarine canyon.

By means of high resolution multichannel seismic data, three major seismic units were identified in the subsurface of the middle slope, which allow reconstruction of former oceanographic settings based on changes in their reflection stacking pattern. In agreement with earlier studies, first current controlled sedimentation can be observed around the Eocene/Oligocene boundary coeval with the opening of the Drake Passage. During the Middle Miocene the formation of large plastered drift sequences marks the onset of Northern Sourced Deep Water (NSDW) production, which resulted in a major vertical shift of water mass interfaces off northern Argentina. Finally, the modern oceanographic regime was established with the closure of the Central American Seaway in the Late Pliocene, which due to the strengthening of NSDW resulted in the formation of another plastered drift.

Consequently, it can be shown that alongslope sedimentary processes dominated the evolution of the northern Argentine slope architecture. Furthermore, highlighting the impact of the NSDW on slope architecture, it is likely that since the Middle Miocene deep water production in the northern hemisphere plays a significant role in shaping continental slopes in the western South Atlantic.

To study the recent sedimentary system, the morpho-sedimentary features of the northern Argentine margin were mapped in great detail based on seismo- and hydro-acoustic data sets including conventional and high-resolution seismics, parametric echosounder and single and swath bathymetry.

Erosive and depositional features of the CDS were described in detail with special emphasis on spatial variations north and south of the Mar del Plata Canyon. Joint interpretation with regional hydrographic data sets revealed that most of the morpho-sedimentary features are the result of bottom current driven sediment transport. In particular, the evolution of large-scale contourite terraces including their associated depositional and erosive features can be explained by alongslope processes, which are controlled by the interplay of water mass interfaces, helicoidal flow patterns and topography.

However, spatial analysis of sedimentary features revealed a major deficit in sediment budget on the northern flank of the Mar del Plata Canyon. This area of non-deposition reveals the effect of the Abstract 2 canyon on bottom current flow pattern, which is a flow disturbance over this seafloor irregularity by a loss in topographic constraint. This major disturbance decreases not only flow velocity, but also the sediment transport capacity of the bottom current. Therefore, particles transported alongslope are released into the canyon, from where the suspension flows down the canyon floor. Tracing this distinct sedimentary signature on geological time scales, slope architecture analysis by means of highresolution multichannel seismic data indicated that the Mar del Plata Canyon interacts at least since the Late Miocene with the northern Argentine oceanographic regime.

To justify such an interpretation, which suggests sediment pirating of a submarine canyon from bottom currents, a modern analog study from SE Africa showing the huge transport capacity of bottom currents in the water column has been carried out for comparison. By means of 18 kHz parametric echosounder and Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) data several smaller-scale lee eddies have been identified within the Agulhas Current offshore Mozambique, which erode, resuspend and transport vast amounts of sediments by forming nepheloid layers. With this approach for the first time the impact of high energetic eddies on sediment dynamics could be visualized. This analysis confirms that indeed massive sediment transport occurs due to the interplay between dynamic bottom currents and the topographic framework.

Overall, this thesis makes a comprehensive attempt to decipher the impact of both alongslope and downslope sediment transport processes. Based on slope architecture analysis it becomes obvious that the overall margin shape and its associate sedimentary stacking pattern represent paleoclimatic archives, which provide insight into former oceanographic settings. In particular, the existence of contourite terraces might be used to not only determine distinct water masses but also to trace their interface in space and time. Furthermore, in this study, the interaction of alongslope and downslope oriented sediment transport processes and its margin shaping character within the framework of a highly dynamic oceanographic setting could be shown. The mechanism, which suggests a feeding of submarine canyons by bottom currents, might present a possible material source of canyons, which are not connected to major river systems or shelf edges at all. Thus, the results of this thesis improve the understanding on alongslope and downslope oriented sediment transport and their interaction.

Abstract 3 Kurzfassung Hangabwärts gerichteter und hangparalleler Sedimenttransport stellen die bedeutendsten Prozesse während der Evolution eines Kontinentalrandes dar. Während hangabwärts gerichteter Transport von der Schwerkraft angetrieben ist, wird der hangparallele Transport hauptsächlich durch die thermohaline Zirkulation und den damit verbundenen Bodenwasserströmungen kontrolliert. Obwohl sich bereits mehrere Studien gezielt mit einem der beiden genannten Prozesse auseinandergesetzt haben, ist das Wissen über durch Bodenwasserströmung hervorgerufenen Sedimenttransport und dessen Interaktion mit Schwerkraft getriebenen Prozessen weiterhin begrenzt. Das Hauptziel dieser Dissertation ist daher, den Einfluss des sowohl hangabwärts gerichteten als auch des hangparallelen Sedimenttransports auf die Hangarchitektur in einem hoch dynamischen Strömungsregime aufzuzeigen und deren mögliche Interaktion zu bestimmen.

Das Hauptuntersuchungsgebiet dieser Studie umschließt den Kontinentalhang der Grenzregion zwischen Uruguay und Argentinien, an dem sich ein größerer kontouritischer Ablagerungsraum befindet. Dieser befindet sich im Einflussgebiet der Brazil-Malvinas Konfluenz, die eine Schlüsselposition innerhalb des mittleren und tiefen Wasserkreislaufes des globalen Zirkulationsmusters darstellt. Der kontouritische Ablagerungsraum umfasst gut ausgeprägte Ablagerungs- und Erosionsstrukturen. Die beeindrucktesten Strukturen stellen kontouritische Terrassen und der Mar del Plata Canyon da.

Mittels hochauflösender Mehrkanalseismik-Daten wurden im Untergrund des mittleren Hanges drei größere seismische Einheiten identifiziert, die auf Grund von sich verändernden Reflektionsmustern eine Rekonstruktion von früheren Strömungsregimen ermöglichen. In Übereinstimmung mit früheren Studien kann erste von Strömung kontrollierte Sedimentation in der Nähe der Eozän/Oligozän-Grenze zeitglich mit der Öffnung der Drake Passage beobachtet werden. Während des mittleren Miozäns markiert die Entwicklung mehrerer am Hang liegender konturitischer Sedimentationsabfolgen das Einsetzten des Nordatlantischen Tiefenwassers. Dieses hatte ein vertikales Verschieben der Wassermassengrenzen vor Argentinien zur Folge. Schlussendlich entstand das heutige ozeanographische Regime durch das Schließen des Isthmus von Panama, der durch ein Verstärken des Nordatlantischen Tiefenwassers zur Ablagerung einer weiteren konturitischen Ablagerung führte.

Daher kann gezeigt werden, dass hangparallele Sedimentationsprozesse die Evolution des Argentinischen Kontinentalhanges dominiert haben. Zusätzlich die ausschlaggebende Rolle des Nordatlantischen Tiefenwassers berücksichtigend ist es wahrscheinlich, dass seit dem mittleren Miozän die Tiefenwasserproduktion in der nördlichen Hemisphäre eine signifikante Rolle für die Evolution von Kontinentalhängen im westlichen Atlantik spielt.

Um das heutige sedimentäre System zu studieren wurden basierend auf mehreren seismischen und hydroakustischen Datensätzen, die neben konventionellen und hochauflösenden MehrkanalseismikDaten auch Messungen mit parametrischen Sedimentlot und sowohl Schiffs- als auch Fächerecholot beinhalteten, morpho-sedimentäre Merkmale vor Nordargentinien kartiert. Erosions- und Abstract 4 Ablagerungsstrukturen des konturitischen Ablagerungsraums wurden beschrieben mit einem speziellen Augenmerk auf räumliche Unterschiede nördlich und südlich des Mar del Plata Canyons.

Gemeinsame Interpretation mit regionalen hydrographischen Daten zeigte, daß die meisten morphosedimentären Merkmale durch Bodenwasserströmungen und daher durch hangparallelen Sedimenttransport entstanden sind. Ins besonders die Entstehung von großflächigen konturitischen Terrassen eingeschlossen ihrer Ablagerungs- und Erosionsstrukturen kann auf Hang parallele Prozesse zurückgeführt werden, die durch die Wechselwirkung von Wassermassengrenzen, helicoidalen Strömungsmustern und der Topographie kontrolliert werden.

Die Analyse jener sedimentären Merkmale zeigte ebenfalls auf der nördlichen Flanke des Mar del Plata Canyons ein größeres Gebiet, das durch einen Mangel an Sedimentation gekennzeichnet ist.

Dieser Mangel an Sedimentation ist das Ergebnis des Canyons, der ein größeres Strömungshindernis darstellt. Über den Canyon fließende Strömungen verlieren ihre topographische Begrenzung und daher auch an Geschwindigkeit. Einhergehend mit dem Verlust an Geschwindigkeit sinkt auch die Fähigkeit Sedimente zu transportieren. Daher fallen durch Strömung transportierte Sedimente in den Canyon.

Das Verfolgen des depositionslosen Gebietes auf geologischen Zeiträumen mit Hilfe von hochauflösenden Mehrkanalseismik-Daten deutet an, dass der Canyon mindestens seit dem späten Miozän mit dem Nordargentinischen Strömungssystem interagierte.

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