Een kostenefficiënte methodologie voor kwantitatieve herkomstanalyse en massabalans studies in klastische sedimentaire geologie (zuidelijk Noordzee bekken)

Via sedimentaire herkomstanalyse worden de herkomstgebieden achterhaald van een sediment afgezet in een bepaald sedimentair bekken, recent of in de geologische geschiedenis. Verschillende aspecten van de sedimentcompositie, zoals bulk petrografie, zware mineralen samenstelling of de geochemie van één minerale component kunnen gebruikt worden om brongebieden te herkennen. Gebaseerd op deze data kan een mengmodel geconstrueerd worden dat de proportie van sediment beschrijft afkomstig van elk brongebied. Met informatie over de geometrie van het bekken en het hinterland kan een sedimentbudget gemaakt worden met absolute sedimentvolumes afkomstig van elk brongebied. Als deze analysen gemaakt worden voor meerdere tijdsintervallen gedurende een bepaalde periode kunnen interpretaties gemaakt worden over de temporele variatie in sedimentherkomst en paleogeografie.

Deze studie heeft vier hoofddoelen: (1) Er wordt een efficiënte gebruiksvriendelijke statistische methodologie ontwikkeld om grote compositionele datasets te analyseren met betrekking tot herkomstanalyse. (2) Een nieuwe benadering wordt voorgesteld voor de deconstructie van compositionele data in een signaal gerelateerd aan sortering en een signaal gerelateerd aan herkomst. (3) Een robuust kwantitatief herkomstmodel wordt geconstrueerd op basis van een multi-proxy benadering en de inclusie van een 3D ondergrond model om te komen tot absolute sedimentvolumes. (4) Deze benaderingen worden toegepast op de Miocene, en enkele Pliocene, sedimenten van het zuidelijke Noordzeebekken om meer inzicht te krijgen in de variaties in herkomst en paleogeografie in dit bekken gedurende het Mioceen.

Compositionele data kunnen niet geanalyseerd worden met klassieke statistische methoden door hun constante-som eigenschap en non-negativiteit, al wordt dit vaak vergeten. In deze studie worden de data eerst logaritmisch getransformeerd waardoor klassieke statistische methoden wel correct toegepast kunnen worden. Cluster analyse geeft een eerste beeld van de groepen aanwezig in de data. Via principale componenten analyse (PCA) worden de relaties tussen de componenten in de dataset, in dit geval de zware mineralen, duidelijk, en kan er bepaald worden welke componenten het meest bijdragen aan de groepen. Op basis van de PCA worden log-ratio’s gemaakt die een maximale hoeveelheid variatie beschrijven. De log-ratio plots vormen de basis voor herkomstinterpretaties. In vergelijking met de klassieke benadering, met cumulatieve plots, is het veel eenvoudiger en sneller om objectief groepen te herkennen in de data, en meer data en variatie kan weergegeven worden op één plot. Tot slot wordt een herkomstproxy uit de dataset gehaald voor ruimtelijke interpolatie, wat het inzicht verhoogt in de ruimtelijke en temporele variatie in herkomst.

Variaties in sedimentherkomst verklaren slechts een deel van geobserveerde variaties in sedimentsamenstelling. Andere invloeden zijn verwering en sortering. Het is moeilijk om de invloed van verwering te kwantificeren maar sortering kan gerelateerd worden aan de korrelgrootteverdeling. In deze studie wordt een partiële kleinste kwadraten regressie uitgevoerd van de zware mineralen samenstelling in functie van de korrelgrootte-verdeling. Op basis van het resulterende model kunnen de relaties tussen de componenten van beide datasets bestudeerd worden. In dit geval zijn de metamorfe mineralen en toermalijn gerelateerd aan grovere korrelgrootteklassen, terwijl epidoot, amfibool en granaat gerelateerd zijn aan fijnere korrelgrootteklassen. Een voorspelde zware mineralen samenstelling in functie van korrelgrootteverdeling en een residuele zware mineralen samenstelling onafhankelijk van korrelgrootteverdeling kunnen berekend worden. Voor de Miocene sedimenten van het zuidelijke Noordzeebekken is de variatie in de residuele dataset gelijkaardig aan de variatie in de originele dataset. Dit bevestigt dat de gemaakte herkomstinterpretaties niet hoofdzakelijk aan sortering gerelateerd zijn. Een deel van de variatie in korrelgrootte zelf kan ook verklaard worden door herkomst, aangezien de noordelijke mariene sedimenten fijner zijn dan de zuidelijke continentale sedimenten. Ook in andere studies moet in acht genomen worden dat een link tussen samenstelling en korrelgrootte niet noodzakelijk het resultaat is van sortering.  

Verschillende proxies kunnen andere aspecten van de sedimentherkomst belichten. Hoge-resolutie proxies, zoals geochemie van één minerale component, kunnen gedetailleerde informatie over herkomst bevatten maar missen informatie over bepaalde herkomstgebieden indien die gebieden een zeer laag gehalte van dat mineraal produceren. Het is dus cruciaal om een herkomstmodel te baseren op meerdere proxies. Zware mineralen-analyse en korrelgrootte-analyse worden in deze studie gecombineerd met geochemie van het bulk sediment, de fijne fractie en de glauconietfractie, en met zirkoon U/Pb geochronologie. Alle data worden gekoppeld aan dinoflagellaten biostratigrafie om een chronostratigrafisch kader te creëren. Er is in het studiegebied een relatieve toename in
aluminosilicaat polymorfen, stauroliet en toermalijn ten opzichte van epidoot, amfibool en granaat van het noordwesten naar het zuidoosten en van het Onder Mioceen tot het Boven Mioceen en Plioceen. Deze trend wordt verklaard door een toename in zuidelijke sedimenttoevoer, ook herkend in eerdere studies. Echter, op basis van zirkoon U/Pb geochronologie zijn de ouderdoms-distributies in het Kempisch Bekken eerder homogeen. Dit wordt verklaard door intense herwerking van sedimenten, wat niet eenvoudig kan herkend worden op basis van zware mineralen samenstelling. De Maas, die de Ardennen draineerde, transporteerde een grote hoeveelheid verweerde Paleogene en Paleozoïsche sedimenten naar het studiegebied. Een hoger MnO-gehalte in de bulk en fijne fractie kunnen ook gerelateerd worden aan verweerde sedimenten uit de Ardennen. Herwerking in het Kempisch Bekken van Onder Mioceen naar Tortoniaan wordt geobserveerd op basis van glauconiet geochemie. Pas in het Boven Mioceen en Plioceen in de Roer Valley Graben werd de Rijn de voornaamste toevoer van sedimenten, met duidelijk zuidelijke zirkoon ouderdommen. De noordelijke mariene sedimenttoevoer kan geïnterpreteerd worden als een achtergrondsedimentatie die eerder constant en beperkt bleef. De toevoer van zuidelijke sedimenten nam wel duidelijk toe van Onder Mioceen tot Boven Mioceen en Plioceen.

Deze studie demonstreert de noodzaak van een multi-proxy benadering voor het construeren van een robuust kwantitatief herkomstmodel en verhoogt de kennis over sedimentherkomst in het Mioceen van het zuidelijk Noordzeebekken, met meer nadruk op herwerking en toevoer van verweerde sedimenten vanuit de Ardennen.