Reconstructing uplift signals from sediment supply and tectonostratigraphy in a clastic shelf, Early Paleogene Shetland Platform

Abstract

Sedimentære bassenger er viktige arkiver for planetens geodynamikk og klima. Kompleksiteten til dette registeret innebærer dog at det er en ikke-triviell oppgave å ekstrahere tektoniske og klimatiske svingninger, noe som krever at man vurderer et bredt spekter av sedimentære fenomener som kan modulere disse eksterne signalene. Source-to-sink-sedimentologi har som mål å utvide vår forståelse av disse fenomenene og dermed forbedre analysen av de opprinnelige inngangssignalene. Denne avhandlingen er en undersøkelse av de eksterne pådrivningsparameterne som opererte på Shetland-plattformen og dens tilstøtende bassenger under tidlig paleogen, når området var utsatt for landheving og rask klimaendring, noe som resulterte i eksponering og økt sedimentasjon. Disse prosessene har omdiskuterte årsaker, selv om de hovedsakelig har blitt knyttet til plasseringen av den nordatlantiske vulkanske provinsen, Island-plumen og dens assosierte svingninger i dynamisk topografi (mantelrelatert topografi). Det sedimentære registeret rundt Shetland-plattformen har blitt undersøkt ved hjelp av en omfattende undergrunnsdatabase med seismiske data og brønninformasjon, som kan brukkes til å trekke slutninger om den regionale paleogeografiske utviklingen og om de kvantitative sedimentære signalene bevart i registeret. Disse resultatene er organisert i 3 artikler. Artikkel 1 fokuserer på høyoppløselig stratigrafi og paleogeografi på Øst-Shetland-plattformen. Artikkelen anvender seismiske stratigrafiske prinsipper, seismisk attributtanalyse og seismisk geomorfologi for å vurdere prosessregimer, retninger for sedimenttransport og lateralt varierende stratigrafiske stablingsmønstre for lagrekken fra paleocen til tidlig eocen. Dette stratigrafiske rammeverket blir deretter utvidet for en sammenligning med Færøy-Shetland-bassenget og for en vurdering av den regionale sedimentmassens budsjett i Artikkel 2. Denne artikkelen dokumenterer distinkte topper i sedimenttilførsel i paleocen – tidlig eocen, som deretter brukes til å undersøke de eksterne inngangssignalene ved å anvende en statistisk-empirisk modell av erosjonsrater for elveerosjon. I tillegg til signaler om sedimenttilførsel, kan det stratigrafiske registeret for Shetland-plattformen også brukes til å bestemme tidligere variasjoner i om relativt havnivå og til slutt landheving. I Artikkel 3 brukes klinoformbane-analyse og «backstripping» for å isolere den tektoniske/dynamiske topografikomponenten av vertikale bevegelser i Øst-Shetland-plattformen. Når den settes inn i en bredere paleogeografisk sammenheng, kan disse vertikale bevegelsene informere modeller av geodynamisk utvikling. Resultater fra denne avhandlingen kan brukes til å kalibrere modeller av dynamiske, tektoniske og klimatiske drivende faktorer på nordatlantisk sedimentdistribusjonssystemer og source-to-sink-sedimentologi generelt. De kan også utvides i ytterligere case-studier eller brukes til å informere konseptuelle modeller av langs-strøk sekvensstratigrafi. Konklusjonene oppnådd her bør være fruktbare for videre fremadrettet modellering og for fortsatte diskusjoner om nordatlantisk geodynamikk.

Sedimentary basins are vital archives of the planet’s geodynamics and climate. The complex nature of this record implies that the extraction of tectonic and climatic fluctuations is a non-trivial endeavor, requiring one to consider a broad range of sedimentary phenomena capable of modulating these external input signals. Source-to-sink sedimentology aims to expand our understanding of these phenomena and consequently improve the analysis of original input signals altogether. This thesis is an investigation of the external forcing parameters operating in the Shetland Platform and its adjacent basins during the Early Paleogene, when the area was subject to uplift and rapid climate change, resulting in exhumation and increased sedimentation. These processes have disputed causes, although they have been mostly linked to the emplacement of the North Atlantic Igneous Province, the Iceland Plume, and its associated fluctuations in dynamic topography (mantle-related topography). In this thesis, the sedimentary record around the Shetland Platform is investigated using an extensive subsurface database with >200 000 km² of reflection seismic data and >1700 wells, leading to unparalleled constraints on the regional paleogeographic evolution and the characteristics of quantitative sedimentary signals preserved in the record. These results are organized in 3 papers. Paper 1 focuses on the high-resolution stratigraphy and paleogeography of the East Shetland Platform. Seismic stratigraphic principles, seismic attribute analysis and seismic geomorphology are applied to assess process regimes, sediment transport directions, and the laterally varied stratal stacking patterns of the Paleocene – Early Eocene succession. This stratigraphic framework is then expanded for a comparison with the Faroe-Shetland Basin and for an assessment of the regional sediment mass-budget in Paper 2. This paper documents distinct peaks in sediment supply during the Paleocene – Early Eocene, which are then used to investigate the nature of external input signals by applying a statistical-empirical model of river catchment erosion rates. In addition to sediment supply signals, the stratigraphic record of the Shetland Platform can also be used to extract relative sea-level histories and, after removal of compaction and eustasy: uplift. In Paper 3, clinoform trajectory analysis and backstripping are used to isolate the tectonic/dynamic topography component of vertical motions in the East Shetland Platform. When inserted into a broader paleogeographic context, these vertical motions can inform models of geodynamic evolution. Results from this thesis can be used to calibrate models of dynamic, tectonic and climatic forcing on North Atlantic sediment routing systems and ultimately inform source-to-sink concepts in general. They can also be expanded in further case studies or used to improve models of along-strike sequence stratigraphy. The conclusions obtained here should be fruitful for further forward modelling and for continued discussions on North Atlantic geodynamics.