ALBERT

Description: The Barents Sea and Kara Sea encompass one of the wide shelf margins of the Arctic Ocean. Since the 70-ies, scientific and economic studies contributed to a comparatively broad geological and geophysical database with regard to the remaining Arctic. A dense grid of seismic reflection profiles and few deep seismic refraction profiles clearly image that subregions experienced fundamentally different modes of basin formation. Extrapolation of structural geological information from onshore geology implies the presence of different tectonic provinces as a result from Precambrian to Paleozoic basement amalgamation. The deep crustal and lithospheric structure is only insufficiently imaged by seismic data across the Barents Sea and Kara Sea and the spatial extent of orogenic provinces and their potential influence on different stages of basin evolution from Paleozoic to early Cenozoic times remains only poorly understood. Therefore, the scope of this PhD thesis is to develop a 3D lithospheric model that captures first-order structural, compositional and thermal information on the sediments, the crystalline crust and the lithospheric mantle to understand the main factors controlling the evolution of these basins. Published datasets on the structural configuration, on physical properties and the temperature distribution are available but heterogeneously distributed across the study area. Therefore, a 3D modelling workflow is established. In a first step, all available geological and geophysical data, including interpreted seismic refraction and reflection data, seismological data, geological maps and previously published 3D models are integrated into one consistent model. This approach provides several advantages. The geological model can be constrained in more detail for regions where different types of observations exist such as for the top basement. In addition, the interpretation of coarsely scattered data can essentially be improved by applying physical principles in the frame of 3D gravity modelling in underexplored regions. In this context, 3D gravity modelling was used to constrain the configuration of the continental upper and lower crust. The final model resolves four major megasequence boundaries (earliest Eocene, mid-Cretaceous, mid-Jurassic and mid-Permian), the top crystalline crust, the top of the lower continental crust, the Moho and a newly calculated lithosphere–asthenosphere boundary. In addition, the 3D gravity modelling approach provides the base for a lithology-controlled parameterization of the crust (with mechanical and thermal properties) to allow for 3D calculations of the conductive thermal field and strength of the lithosphere. The structural and physical configuration of the lithosphere correlates with the orogenic and subsidence history of the Barents Sea and Kara Sea region. The southwestern Barents Sea is underlain by a thinned lithosphere (80 km) and high geothermal gradients as the result of multiple Phanerozoic rifting episodes. Thereby, rifting followed predominantly the Caledonian grain and culminated in the opening of the NE Atlantic from Paleocene/Eocene times on. Net horizontal forces exerted by the mid-oceanic ridge are high enough in Miocene times to overcome the lithospheric strength and could explain compressional deformation along the Vestbakken margin and at the Bjørnøyrenna Fault Complex in the western Barents Sea as observed in seismic lines. Thinnest continental lithosphere is present below northwestern Barents Sea including Svalbard (60 km), where late Cenozoic uplift was most pronounced. The East Barents Basin is assumed to encompass Timanian basement. The lithosphere thickens in two major steps to 150 km and follows the curvature of Novaya Zemlya. This correlation indicates that the lithosphere was possibly reworked during the Uralian collision. Elevated mantle densities as observed below the eastern Barents Sea seem to isostatically compensate thicknesses of the less dense sediments. This spatial relationship further exposes mantle density variations as a driving force for significant late Permian–earliest Triassic subsidence. Similar lithospheric thicknesses are found in the northern Kara Sea, which is also probably underlain by Timanian basement. Thickest lithosphere (200 km) and elevated upper mantle velocities distinguish the South Kara Basin from the surrounding regions. The positive mantle velocity anomaly may indicate a different upper mantle composition and support the affinity to the Siberian Craton. Beyond the discussion of the basin history, the shallow thermal and pressure configuration of the sediments was extracted to calculate the potential gas hydrate distribution at present-day and future alterations with regard to ocean warming. The modelling results show that thickest potential gas hydrates at present-day occur along the western Svalbard continental margin where their existence was revealed by numerous bottom-simulating reflectors in seismic profiles. Considering moderate ocean warming models, the gas hydrate stability zones along the continental margin will thin by several tens of meters within the next 100 years. In summary, this thesis demonstrates that the 3D lithospheric model is consistent with geological and geophysical data and reproduces independent observables including the gravity and thermal fields. The model is the first one to link the deep and shallow lithospheric structural and physical configuration with tectonic processes both onshore and offshore across the Barents Sea and Kara Sea region. The derived thermal field and rheological configuration could potentially serve as boundary condition for new projects covering different spatial scales including plate tectonic models as well as high-resolution basin models and geothermal projects.

Description: Die Barentssee- und Karaseeregion umfasst eines der größten Schelfgebiete entlang des Arktischen Ozeans. Seit den 70er Jahren haben akademische und industrielle Studien zu einer vergleichsweise umfangreichen Datenbasis beigetragen. Die Auswertung von reflexions- und refraktionsseismischen Erkundungen belegen, dass sich in den Teilregionen des Untersuchungsgebietes verschiedene Sedimentbeckentypen entwickelt haben. Die Auswertung geologischer und geophysikalischer Daten vom norwegischen und russischen Festland sowie einigen Archipeln in der Barentsee und Karasee lassen vermuten, dass das Grundgebirge des Untersuchungsgebietes ein Mosaik von krustalen Blöcken bildet, welches sich im Zuge von drei präkambrischen und paläozoischen Orogenesen zusammengesetzt hat. Da die marinen seismischen Daten die tiefe Kruste und Lithosphäre nur ungenügend abbilden, ist vergleichsweise wenig über die Ausdehnung von Orogenprovinzen und deren Einfluss auf unterschiedliche Phasen der paläozoischen bis känozoischen Beckenentwicklung bekannt. Die Motivation der vorliegenden Doktorarbeit ist es daher ein lithosphärenskaliges 3D-Modell zu entwickeln, welches die wichtigsten sedimentären Einheiten, die obere und untere kontinentale Kruste und den lithosphärischen Mantel abbildet, um die Mechanismen der Beckengenese in den einzelnen Teilgebieten besser zu verstehen. Die Barents- und Karasee verfügt über eine breite, aber auch regional sehr ungleich verteilte Datenbasis. Um lokal auftretende Datenlücken zu überbrücken, wurde ein 3D-Modellierungsansatz angewendet. Dieser Ansatz enthält zunächst das Zusammenstellen und Verschneiden von publizierten geologischen und geophysikalischen Datensätzen. Die Datenbasis umfasst beispielsweise reflexions- und refraktionsseismische Profile, seismologische Daten, geologische Karten und bereits publizierte 3D-Modelle. Mit Hilfe der multidisziplinären Datengrundlage, isostatischen Berechnungen und 3D-Schweremodellierung wurde die Interpolation von Schichtgrenzen in Regionen mit wenig Datenabdeckung gestützt. Die 3D-Schweremodellierung ermöglicht weiterhin die lithologieabhängige Parametrisierung der Kruste mit mechanischen und thermischen Eigenschaften um die thermische und die rheologische Struktur der Lithosphäre zu berechnen. Das resultierende strukturelle und thermische 3D Lithosphärenmodell bildet deutlich die unterschiedlichen Phasen der Gebirgsbildung und der Beckenentwicklung des Untersuchungsgebietes ab. Die Lithosphäre der südwestlichen Barentssee ist aufgrund von wiederkehrenden phanerozoischen Riftphasen eher geringmächtig (80 km). Im Miozän waren die horizontalen Kräfte, ausgelöst durch die Topographie des ozeanischen Rückens so groß, dass sie zur kompressiven Deformation in der durch Dehnung geschwächten Kruste der westlichen Barentssee führten. Die geringmächtigste Lithosphäre befindet sich in der nordwestlichen Barentssee und Svalbard genau in der Gegend in der spätkänozoische Inversion und Erosion am ausgeprägtesten war. Die Mächtigkeit der Lithosphäre erreicht in zwei Stufen bis zu 150 km in östlichen Barentssee. Die Topographie der Lithosphören-Asthenosphären-Grenze verläuft dabei parallel zum Nowaja Semlja Archipel. Diese Korrelation lässt vermuten, dass die Lithosphäre während der uralischen Gebirgsbildung überprägt wurde. Hohe Dichten im oberen Mantel unter dem östlichen Barentsseebecken scheinen die mächtigen Sedimente isostatisch zu kompensieren. Darüber hinaus könnten die Dichtevariationen im oberen Mantel auch für die starke Subsidenz im späten Perm bis zur frühen Trias verantwortlich sein. Eine mächtige Lithosphäre (200 km) und hohe Mantelgeschwindigkeiten grenzen die südliche Karasee deutlich von den umliegenden Gebieten ab. Die hohen Mantelgeschwindigkeiten könnten auf eine andere Zusammensetzung des lithosphärischen Mantels und auf eine Affinität zum westsibirischen Kraton hindeuten. Neben der Diskussion zur Beckenentwicklung, wurde die Temperatur- und Druckverteilung der flachen Sedimente extrahiert um die potentielle Verteilung von Gashydraten in der Gegenwart und deren zukünftige Entwicklung zu berechnen. Die potentiell mächtigsten Gashydrate treten entlang des Kontinentalrandes westlich von Svalbard auf. Dort wurde das Vorkommen von Gashydraten bereits in reflexionsseismischen Profilen nachgewiesen. Unter der Berücksichtigung von Temperaturmodellierungen des Ozeans für die nächsten 100 Jahre werden im Zuge der Klimaerwärmung genau diese potentiellen Gashydratvorkommen entlang des Kontinentalrandes um einige Zehner Meter abnehmen. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Doktorarbeit ein lithosphärenskaliges 3D-Modell, welches konsistent mit geologischen und geophysikalischen Daten ist und das gemessene Schwerefeld und Temperatur- und Wärmeflussmessungen reproduziert. Das 3D-Modell verknüpft erstmals die flache und tiefe Konfiguration der Lithosphäre mit der tektonischen Entwicklung der Barentssee- und Karaseeregion. Die modellierte thermische und rheologische Struktur lassen sich direkt als Randbedingungen für beispielsweise plattentektonische Modelle, Beckenmodellierungen oder Geothermieprojekte einbinden.