Physical stratigraphy and facies analysis of the castissent tecto-sedimentary unit

Abstract

L’anàlisi de la sedimentologia, geometria i trajectòria de diverses clinoformes deltaiques successives en estudis d'aflorament o en bases de dades de sísmica de reflexió han estat àmpliament utilitzats com una eina per a (1) inferir canvis en el nivell del mar i per a (2) interpretar els factors de control a curt i llarg termini sobre la evolució dels marges de conca, així com en la durada i tipus de transport de sediment groller des dels continents fins als oceans. Els models deposicionals, majoritàriament enfocats en la influència de l’eustatisme (acomodació) i l‘aport de sediment, principalment a partir de dades sísmiques de gran escala, mostren un menor interès/focus en l’anàlisi de fàcies i els procesos deposicionals que s’en infereixen, els quals operen en diferents posicions al llarg dels clinotemes individuals, i en l’estudi de com aquests procesos canvien amb la trajectòria i el temps. Les seqüències deposicionals de Castissent, de l’Eocè inferior (alogrup de Castissent, Pirineus sud-centrals, Espanya) consisteixen principalment, a la conca d’Ainsa, en dipòsits de barra de desembocadura i lòbuls sorrencs de front deltaic en transició a turbidites de talús, formats en un sistema de river-delta dominat per avingudes. La deposició d’aquests cossos sedimentaris va estar fortament controlada per la interacció entre fluxos hiperpícnics d’origen continental, la influència dels processos litorals sobre aquests fluxos, i l’activitat tectònica, tant local com regional, la cinemàtica sinsedimentària de la qual encara no ha estat explicada en suficient detall. La cartografia i correlació de cicles sedimentaris d’alta freqüència evidencia que aquests poden ser considerats clinotemes deltaics limitats per les seves relatives superfícies límit o clinoformes (discordances sigmoïdals), la formació de les quals estaria estrictament controlada per l’activitat tectònica. Per altra banda, els perfils sísmics d’alta resolució vinculats a dades de pou i sondejos proporcionen els mitjans necessaris per a lligar l’arquitectura deposicional (trajectòria de clinoformes) amb els processos i patrons de dispersió de sediment. L’Expedició 313 de l’IODP (Integrated Ocean Drilling Program) va perforar un grup de clinotemes del Miocè a l’offshore de Nova Jersey per tal de capturar un registre complet de varacions del nivell del mar a través de la integració d’estratigrafia sísmica, dades de pou i sondejos, i cronostratigrafia. En la base de dades de l’Expedició 313, aquesta valoració es pot efectuar a través de diferents clinotemes successius, amb els respectius anàlisis de facies i interpretacions de processos i ambients deposicionals al llarg d’un mateix clinotema (Poyatos-Moré and Hodgson, 2012; Hodgson et al., in prep.). No obstant, estudis d’aflorament com el de les seqüències de Castissent o de subsòl com el de Nova Jersey tracten sovint l’acomodació i l’aport sedimentari com un problema bidimensional, mitjancant l’anàlisi d’un perfil de marge de conca paral·lel a la direcció principal de l’aport. Els resultats d’aquests estudis han estat comparats amb la part inferior de la Formació Waterford (Conca de Karoo, Sud-àfrica), un cas d’estudi d’aflorament tridimensional d’un sistema de talús-plataforma exhumat, que permet la identificació de la posició del rollover de la clinoforma i de les associacions de fàcies al llarg de tres perfils deposicionals paral·lels a l’aport (Jones, 2013; Jones et al., 2013a and b). Aquests perfils de marge de conca de la Fm Waterford mostren tots ells trajectòries similars, tot i que amb una significativa variabilitat lateral pel que fa a la presencia de sorra al talús. D’aquesta manera, aquest estudi demostra que la variabilitat lateral en la fisiografia dels marges de conca afecta significativament a la dispersió de sediment entre ambients de plataforma, talús i fons de conca, i ha de ser per tant considerada, juntament amb el règim de processos, com a factor de control clau quan s’intenten elaborar prediccions de bypass de sediment en successions de marge de plataforma.

The analysis of sedimentology, geometry and trajectory of successive deltaic clinoforms in outcrop-based studies or in high-resolution reflection seismic datasets has been widely employed as a tool to (1) infer relative sea-level changes and (2) to interpret short and long-term factors controlling basin margin evolution and timing of coarse-grained sediment delivery from continents to oceans. Sea-level (accommodation) and sediment supply-driven models have been developed mainly on large-scale seismic data, with less focus on sedimentary facies analysis and inferred depositional processes in operation at different positions along individual clinothems, and how these process change with trajectory and time. The Lower Eocene Castissent depositional sequences (Castissent Group, South-Central Pyrenees, Spain) mainly consist, in the Ainsa basin, in mouth-bar deposits and delta front sandstone lobes in transition to slope turbidites, deposited in a flood-dominated river-delta system. Deposition of these bodies was strongly controlled by the interaction between continental-derived hyperpycnal flows, the influence of shoreline processes over these flows and the local and regional tectonic activity, whose syn-sedimentary thrust-and-fold kinematics has not been explained in enough detail yet. Field mapping and correlation of high-frequency cycles show that they can be considered deltaic clinothems bounded by clinoform surfaces (their sigmoid bounding unconformities) whose formation is strictly controlled by tectonics. Moreover, high resolution seismic profiles tied to cored and dated boreholes data provide a means to link the depositional architecture (clinoform trajectory) to sediment dispersal processes and patterns. IODP Expedition 313 cored a set of Miocene clinothems offshore New Jersey to capture a complete record of sea-level change through integration of seismic stratigraphy, core and well logs, and chonostratigraphy. In the Expedition 313 dataset, this analysis can be performed over successive clinothems, with the assessment of sedimentary facies and process-based interpretations of environments of deposition down a single clinothem (Poyatos-Moré and Hodgson, 2012; Hodgson et al., in prep.). However, some outcrop-based studies like the Castissent sequences or subsurface-based studies like the New Jersey margin commonly treat accommodation and sediment supply as a 2D problem, by analyzing a margin profile parallel to the main sediment route. The results of these works have been compared with the lower Waterford Formation (Karoo basin, South-Africa), which provides a 3D outcrop-based case study of an exhumed shelf-to-slope system that allows the identification of clinoform rollover positions and depositional facies associations along three depositional dip profiles (Jones, 2013; Jones et al., 2013a and b). These parallel basin margin profiles of the lower Waterford Formation show all broadly similar trajectories, although with a significant along-margin variability. Thus, strike variability in basin margin physiography strongly affects sediment dispersal between shelf, slope and basin floor settings and it must be therefore considered together with process regime as a key controlling factor when attempting stratigraphic predictions of sediment bypass in shelf-margin successions.