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«Sedimentary processes, evolution, and paleoenvironmental reconstruction of the southern margin of the Ediacaran Yangtze platform (Doushantuo ...»

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Inauguraldissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktors der Naturwissenschaften durch den

Fachbereich Geowissenschaften der Freien Universität Berlin

Sedimentary processes, evolution, and paleoenvironmental

reconstruction of the southern margin of the Ediacaran Yangtze

platform (Doushantuo Formation, central China)

Vorgelegt von

Elodie Vernhet

aus Sète (34-Frankreich)

-2005Erstgutachter: Prof. Dr. Christoph Heubeck

Freie Universität Berlin

Institut für Geologische Wissenschaften Fachrichtung Geologie Malteserstrasse 74-100, Haus B D-12249 Berlin Deutschland Zweitgutachter: Prof. Dr. Maria Mutti Universität Potsdam Institut für Geowissenschaften Postfach 60 15 53 D-14415 Potsdam Deutschland Tag der Disputation: 3. November 2005 „Non ! Les braves gens n’aiment pas que l’on suive une autre route qu’eux!“ G. Brassens.

A Juliane...

A ses parents… A mes parents… Summary The southern margin of the Ediacaran Yangtze platform is unusally important for the study of the Ediacaran/Cambrian transition because the platform combines good-quality outcrops and an exceptional fossil record. Nonetheless, progress in the understanding of the environmental conditions of the Precambrian/Cambrian bioradiation event has been limited by the lack of correlation between sections and biota found therein.

This dissertation, conducted in the frame of the multidisciplinary Sino-German project “From ‘Snowball Earth’ to the Cambrian bioradiation”, aimed to construct a detailed sedimentary and stratigraphic framework and to apply sequence-stratigraphic analysis.

I investigated more than 30 sections in three provinces during two field seasons in 2002 and 2003.

Field data combined with existing data refined the previous paleoenvironmental reconstruction and highlight the irregular bathymetry of the Ediacaran Yangtze platform, inferred to reflect paleorelief inherited from rifting of Rodinia. Facies analysis of shelf sections shows that the Doushantuo Formation records two-and-a-half 2nd-order parasequences. The platform may have alternately evolved during Doushantuo time as a rimmed (epeiric) shallow-water platform and as a wavedominated, shallow-water open shelf. In the basinward slope environment of the southern Ediacaran Yangtze platform, abundant gravity-related mass deposits disturb the eustatic signal.

Regionally correlatable thick intervals of shallow-water limestone, interbedded with debrites and turbidites are interpreted as platform-margin-derived, large-scale slide sheets. Bedding within the slide sheets was only moderately deformed. A sedimentary analysis of allochthonous facies recognised the parasequences documented on the shelf. Sliding may have occurred during the regressive period at the end of parasequence II.

Zusammenfassung

Der südliche Rand der Ediacaran Yangtze-Plattform ist besonders wichtig für das Studium des Überganges vom Ediacarium zum Kambrium, da in der Plattform qualitativ gute Aufschlüsse und eine außergewöhnliche fossile Abfolge miteinander kombiniert sind. Dennoch sind Fortschritte im Verständnis der Umgebungsbedingungen der Präkambrium/Kambrium Bioradiation gering, begründet durch unzufriedenstellende Korrelationen zwischen stratigraphischen Sektionen und Biota in der Plattform.

Diese Dissertation, angefertigt im Rahmen des multidisziplinären sino-deutschen Projektes „From ‚Snowball Earth’ to the Cambrian Bioradiation“, hat zum Ziel, einen auf Untersuchungen stratigraphischer Abfolgen basierenden Korrelationsrahmen zu konstruieren, welcher auf die gesamte Plattform angewandt werden kann.

Ich habe über 30 Sektionen in drei Provinzen während zweier Geländeaufenthalte in den Jahren 2002 und 2003 untersucht. Mit Hilfe der Geländedaten, zusammen mit vorhandenen Daten, wurde die existierende Konstruktion des Paleomilieus präzisiert und eine unregelmäßige Bathymetrie der Ediacara-Yangtze-Plattform verdeutlicht, bei welcher es sich um ein vom Rodinia-Rifting ererbtes Paleorelief handeln kann. Faziesanalysen von Schelfsedimenten zeigen, dass die Doushantuo Formation zweieinhalb Parasequenzen zweiter Ordnung aufweist. Die Plattform könnte sich während der Doushantuo Zeit abwechselnd als eine äußere (epirogene) Flachwasserplattform bzw. als wellendominierter offener Flachwasserschelf entwickelt haben. In der beckenwärtigen Hangumgebung der südlichen Ediacara-Yangtze-Plattform stören viele gravitationsbezogene Massenablagerungen das eustatische Signal. Regional korrelierbare mächtige Intervalle von Flachwasser-Kalksteinen, eingebettet zwischen Debriten und Turbiditen, werden als vom der Schelfkante abgeleitete Rutschschichten interpretiert. Die Lagerung der Rutschschichten ist nur mäßig deformiert. Eine sedimentäre Interpretation der allochthonen Fazies erkannte die für die Schelffazien dokumentierte Parasequenzen. Die Rutschungen könnten am Ende der regressiven Periode der Parasequenz II aufgetreten sein.

Table of contents

Acknowledgements

Erklärung

Foreword

Chapter 1. Introduction: The Yangtze platform, overview

1. Study area

1.1. Location

1.2. Stratigraphic succession on the southern margin of the Yangtze platform

1.3. Tectonic setting





1.4. The fossil record

1.5. Ediacaran climate changes

2. The Doushantuo Formation

3. Developments in this work

4. Summary

Chapter 2. Paleotopographic influence on the development of the late Ediacaran Yangtze platform (Hubei, Hunan, and Guizhou provinces, China)

1. Introduction

2. Methods and geological background

2.1. Methods

2.2. Geological setting

2.3. Location and stratigraphic succession

3. Results and analysis

3.1. Facies distribution

3.2. Evidence for intra-shelf basin in central Hubei Province (Three Gorges dam region).... 39 3.2.1. Sedimentary record

3.2.2. Orientation of folds

3.2.3. Presence of gravity-related sedimentary deposits

3.2.4. Structural setting

3.2.5. Interpretation

3.3. Platform highs

3.4. Debrites as evidence for the presence of paleohighs

3.5. Highs and intra-shelf basins at the shelf edge

4. Discussion

4.1. What did the Doushantuo Formation Yangtze platform look like?

4.2. Origin of intra-shelf basins and highs

5. Conclusions

Chapter 3. Sequence analysis and sedimentary evolution of the Ediacaran Yangtze platform shelf (Hubei and Hunan provinces, Central China)

1. Introduction

1.1. Location and geologic setting

1.2. Stratigraphic succession

2. Facies analysis

2.1. Facies description

2.1.1. Lagoonal facies association

2.1.2. Peritidal facies association

2.1.3. Shoal facies association

2.1.4. Shallow subtidal facies association

2.1.5. Basin/slope association

2.2. Shallowing-upward sequences

2.2.1. Shallowing-upward sequence type A

2.2.2. Shallowing-upward sequence type B

2.2.3. Shallowing-upward sequence type C

2.2.4. Shallowing-upward sequence type D

2.2.5. Shallowing-upward sequence type E

2.2.6. Shallowing-upward sequence type F

3. Interpretation

3.1. Shelf geometry

3.1.1. Rimmed epeiric platform

3.1.2. Open shelf platform

3.2. Sequence analysis

3.2.1. Parasequence I

3.2.2. Parasequences II and III

4. Discussion

4.1. Origin and organization of sequences

4.2. Why do black shales represent regression?

4.3. The Yangtze platform shelf geometry of the post-Marinoan deglaciation

5. Conclusions

Chapter 4. Large-scale slope instability at the southern margin of the Ediacaran Yangtze platform (Hunan province, central China)

1. Introduction

1.1. Methods

1.2. Geological setting

1.3. Stratigraphy

2. Facies description

2.1. Description of slides

2.1.1. Facies association A: Phosphorite/Chert/Dolomite/Evaporite

2.1.2. Facies association B: silty dolomitized limestones and grainstones/packstones.... 81 2.1.3. Facies association C: shales/silty shales/packstones/wackestones /debrites......... 82

3. Discussion

3.1. Evidence of large-scale mass displacements

3.2. Slide dimensions, displacement distance, and slope geometry

4. Conclusions

Chapter 5. Ediacaran stratigraphic reconstruction of Yangtze platform margin (Hunan province, China) from shelf edge collapse products

1. Introduction

1.1. Methods

1.2. Location and geologic setting

1.3. Stratigraphic succession

2. Data

2.1. Sedimentary record of the Doushantuo slope

2.2. Olistostrome facies description and interpretation

2.2.1. Phosphorites / Cherts / Evaporites /Dolomites facies association

2.2.2. “Silty dolomitized limestones and grainstones/packstones with current-related sedimentary structures” facies association

2.3. Depositional environments

2.3.1. Phosphogenesis in shallow-water, restricted basins

2.3.2. Shallow-water, wave-dominated platform

2.4. Platform-margin collapse structures in Guizhou province

3. Discussion

3.1. Relative dating of slides

3.2. Implications of evaporite presence

3.3. Paleoenvironmental evolution of the platform edge

4. Conclusions

Chapter 6. Conclusions

1. Summarized sedimentary evolution of the southern Doushantuo Yangtze platform. 108

2. Summary of scientific contributions

3. Perspectives

Table of Illustrations

Index of authors and sections

References

Appendix 1. Can we use phosphorite intervals as correlation tools and time markers?.... 134 Appendix 2. Selected enlarged outcrop photographs

Appendix 3. Erosional surface between Doushantuo and Dengying Formations............... 142 Appendix 4. Detailed stratigraphic columns

Appendix 5. Formation of precipitated sedimentary rocks during the Ediacaran............... 166 Appendix 6. XRD sample analysis

Appendix 7. Compilation of Ediacaran/Early Cambrian sections

Appendix 8. Location map of sections described in Appendix 7

Appendix 9. Facies and microfacies analysis (field 2002)

Appendix 10. Facies and microfacies analysis (field 2003)

Acknowledgements I thank Sergei Medvedev to be what he is! Change nothing!

I also thank Cornelius for sharing with me his Life philosophy…. and also Antje, Carola, Harald, Hong, and Patricio for their friendship.

I thank the DFG and NSFC for supporting my studies.

I also thank the “Asforme” association for financial support to create my CD-ROM, the “Frauenbeauftragte” and the Freie Universität Berlin for financial support for attending conferences.

I thank Dr. H.P. Röper (Freie Universität Berlin) for providing XRD sample analysis.

I thank ALL my colleagues (Prof. Junyuan Chen, Prof. Dr. Xuelei Chu, Prof. Dr. Hongzhen Feng, Dr. Qingjun Guo, Dr. Shixue Hu, Prof. Dr. Shaoyong Jiang, Prof. Dr. Guoxiang Li, Prof. Dr. HongFei Ling, Prof. Dr. Congqiang Liu, Prof. Dr. Dongsheng Ma, Prof. Yi Qian, (Dr.) Aihua Yang, (Dr.) Xinglian Yang, Prof. Dr. Tianfeng Wan, Prof. Tieguan Wang, Prof. Junming Zhang, Prof. Qirui Zhang, Prof. Yuanlong Zhao, Prof. Dr. Maoyan Zhu, Prof. Dr. Heinrich Bahlburg, PD Dr. Andreas Braun, (Dr.) Nicole Dobrzinski, Prof. Dr. Bernd-D. Erdtmann, Dr. Tatjana Goldberg, Prof. Dr.

Christoph Heubeck, Prof. Dr. Bernd Lehmann, Dr. Andreas Maas, Markus Raitzsch, Dr. Michael Steiner, Prof. Dr. Harald Strauss, Prof. Dr. Dieter Waloßek, Dr. Bernd Weber) belonging to the research program for organizing field trips and conferences, for providing valuable discussions and comments and for exchanging data and ideas. I hope that I forgot nobody.

I particularly thank Prof. Zhang for translating Chinese literature data in English and Prof. Heubeck and Frau Beck for English corrections.

I thank my colleagues Yang A-H. and Yang X-L. for helping me in my daily Chinese life.



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