Original paper

WALTHER's facies rule in pelagic realm - a large-scale example from the Mesozoic-Cenozoic Pacific.

Hesse, R.; Foreman, H. P.; Forristall, G. Z.; Heezen, B. C.; Hekel, H.; Hoskins, R. H.; Jones, E. J. W.; Kaneps, A. G.; Krasheninnikov, V.; Macgregor, I.; Okada, H.

Kurzfassung

Die WALTHERsche Faziesregel, Grundprinzip für die Interpretation vertikaler Faziesabfolgen aufgrund lateraler Faziesübergänge, hat in jüngster Zeit erneut lebhaftes Interesse gefunden bei Modellstudien fossiler Ablagerungsmilieus. Die WALTHERsche Regel besagt, daß nur solche Fazies im Vertikalprofil unmittelbar aufeinanderfolgen können, die durch laterale Übergänge zur Zeit der Ablagerung miteinander verbunden sind, vorausgesetzt, das Vertikalprofil weist keine größeren Sedimentationsunterbrechungen auf. Obwohl ursprünglich aufgestellt anhand von Beispielen im terrestrischen und Flachwasserbereich, erweist sich die WALTHERsche Regel in viel größerem Maßstab anwendbar auf pelagische Tiefsee-Sedimente, wie Bohrergebnisse in mesozoischen Sedimentfolgen des Pazifik zeigen. Die quartäre bis unterkretazische Schichtfolge, die während Abschnitt 20 des Tiefsee-Bohrprojektes im Westpazifik angetroffen wurde, besteht aus folgenden fünf lithologischen Einheiten (von oben nach unten): (1) vulkanogener siltiger Ton, (2) oberer zeolitischer brauner Ton, (3) obere Hornstein-Karbonatfolge, (4) unterer abyssischer Ton (?) und (5) untere Karbonatfolge (?). Die biostratigraphische Korrelation der Bohrungen, die während Abschnitt 20 zwischen 34° und 12° N niedergebracht wurden, und Vergleiche mit Bohrungen im zentralen und östlichen Pazifik zeigen, daß sämtliche Horizonte heterochron sind und nah Südosten zu bedeutend jünger werden. Die vertikale Abfolge in den Bohrprofilen läßt sich mit Hilfe von Groß-Schollenbewegungen erklären, wenn man die heutige Faziesverteilung in den Oberflächensedimenten des Pazifik zugrunde legt. Im pelagischen Bereich des heutigen Pazifik können mindestens fünf Hauptfaziestypen unterschieden werden: (1) biogene Kalkschlämme, (2) biogene Kieselschlämme, (3) brauner abyssischer Ton (ggfs. mit Ferromangan-Knollen), (4) hemipelagische Schlicke und (5) vulkanogene Sedimente. Die lateralen Beziehungen zwischen diesen Faziestypen lassen fünf wichtige Assoziationen erkennen, wovon drei spezielles Interesse im Hinblick auf die Vertikalprofile der Bohrungen besitzen: (a) Lateralabfolge mittlerer Breiten auf einer Traverse senkrecht zum Ostpazifischen Rücken: 3 (oder 4), 1, 3; (b) Äquatorialabfolge (von S nach N); 3, 1, 2, 3; (c) Abfolge am Beckenrand im Bereich vulkanischer Inselbögen: 4 (oder 3), 5, 1. Diese Lateralbeziehungen zwischen rezenten pelagischen Faziesgürteln des Pazifik und ihre vermutete Verlagerung in Raum und Zeit bilden die Grundlage für die Interpretation der Vertikalabfolge. Die untere Karbonatfolge wird als Bildung auf einem "mittel"-ozeanischen Rücken, der untere abyssische Ton als ozeanische Beckenfazies des Südpazifik, die obere Hornstein-Karbonatfolge als Äquatorialfazies, der obere braune abyssische Ton als ozeanische Beckenfazies des Nordpazifik und der vulkanogene siltige Ton als Produkt des ostasiatischen Inselbogen-Vulkanismus gedeutet. Mit dieser Deutung wird der Versuch unternommen, die Fazies der älteren Ablagerungen des Nordwest-Pazifik durch Großschollen-Tektonik zu erklären. Es wird angenommen, daß der ursprüngliche Ablagerungsort der Gesteine mit zunehmendem Alter zunehmend weiter im Südosten gelegen hat. Die erforderliche nordwärtige Verlagerung jungkretazischer pelagischer Faziesgürtel um mehr als 30 Breitengrade wird durch passive NW-Drift der pazifischen Großscholle erklärt. Eine Alternativdeutung mit Absenkung der ozeanischen Lithosphäre ohne großmaßstäbliche Horizontalbewegungen würde eine (um 1000 m) höhere Absenkung erfordern und damit höchstwahrscheinlich in Widerspruch zu maximal auftretenden Absenkungsgeschwindigkeiten geraten und außerdem auf Schwierigkeiten bei der Interpretation der heterochronen Stratigraphie stoßen.

Abstract

WALTHER's facies rule, the basic stratigraphic principle linking lateral and vertical environments. It states that only facies that occur as contemporaneous deposits laterally adjacent to each other can succeed on another in a vertical sequence, provided here is no break in the succession. Although derived originally from shallow-water and terrestrial sequences WALTHER's rule applies on a much larger scale to deep-sea pelagic deposits, as shown by an example from the Mesozoic-Cenozoic Pacific. Quaternary to Early Cretaceous Sediments recovered du mg leg 20 of the DSDP in the West Pacific consist of a downward succession of the following five lithologic units: (1) volcanogenic silty clay, (2) upper zeolitic brown clay, (3) upper chert-chalk sequence, (4) lower abyssal clay (?) and (5) lower carbonate sequence (?). This succession is interpreted in terms of the modern lateral facies distribution of Pacific surface Sediments applying the plate tectonics model. Modern pelagic Sediments of the Pacific display at least five major facies types: (1) biogenic calcareous, (2) biogenic siliceous, (3) brown abyssal clay (± ferromanganese concretions), (4) hemipelagic, and (5) volcanogenic. Lateral relationships of these facies are characterized by at least five typical transitions, three of which are particularly relevant to the core data: (a) mid-latitude transition on East Pacific Rise: 1, 3 (or 4), (b) equatorial transition from S to N: 3, 1, 2, 3, (c) marginal (volcanic island arc) transition: 4 (or 3), 5, 1. Selecting these transition as appropriate transitions the vertical sequence observed in West and Central Pacific drill holes may be explained by means of superposition in time of adjacent facies belts according to WALTHER's rule. The lower carbonate sequence is interpreted as a ridge deposit, the lower abyssal clay as a deep-basin facies deposited south of the equator, the upper chert-chalk sequence as an equatorial deposit, the upper brown clay as a deep basin facies deposited north of the equator, and the volcanogenic sequence as derived from the East Asian island arcs. Passive shifts of the facies belts is caused by northwestward lithospheric plate motion in Late Cretaceous-Cenozoic time. This is a principal difference between pelagic and neritic diachronous sequences. The Catter are normally caused by active shifts of facies belts for example due to rising or falling sea levels. A non-kinematic interpretation assuming subsidence without lateral movement will conflict with the diachronous nature of the stratigraphic boundaries and with maximum possible subsidence rates.

Keywords

CretaceousTertiaryQuaternaryplate tectonicsPacific Ocean