HORNUNG, T. (submitted)

The 'Carnian Crisis' in the Tethys realm: multistratigraphic studies and palaeoclimate constraints

PhD-Study

Summary

This PhD-study focuses on multistratigraphic aspects on the ‘Carnian Crisis’ – also known under the
synonyms ‘Reingraben Turning Point’ or ‘Raibl Event’ – and emphasizes litho-, bio-, chemostratigraphic
as well as microfacies data of the Alpine- and epicontinental facies belts of the NW’ Tethys
(Hallstatt-, Reifling-, Partnach- and Cassian Basin; Wetterstein carbonate platforms, Lunz Facies and
Germanic Basin). Comparison and correlation to far-distanced southern Tethyan sites of the Indian
Himalaya (Spiti Basin) underlines the global impact of this most-severe intra-Triassic ecological crisis.
Finally, an (upgradeable) climate archive derived from conodont apatite (d18Ophos) and is discussed
with lithofacies patterns of different facies areas. Together, these data allowed for the first quantitative
proof of the ‘Carnian Pluvial Event’ of Simms and Ruffell (1989) and suggest a possible scenario that
caused the ‘Carnian Crisis’.
The NW’ Tethyan multistratigraphy is mainly based on investigations on the ‘Dürrnberg standard
section’ (chapter 3.2), a nearly complete Late Ladinian to Early Norian pelagic limestone succession
(Hallstatt Facies). Here, the disappearance of the important Early Carnian reef-builder Tubiphytes
and other reefal microfossils (‘microproblematica’) coincides to a major sedimentary change from
limestone- to shale-dominated series and mirrors the demise of adjacent Wetterstein carbonate platforms
within the Hallstatt Basin. Beyond its first exact dating in the Julian 1/IIc (uppermost aonoides
ammonoid Zone), the biostratigraphic data constrain the duration of the ‘Carnian Crisis’ till the Julian/
Tuvalian boundary, where carbonate production on the platforms restarted promptly. Finally,
a hypothesis is presented which associates nutrient excess for a possible mechanism initiating the
Carnian ecological crisis.
A second study (3.3) highlight condensed Late Longobardian to Julian 2/I ammonoid beds at the
Rappoltstein near Berchtesgaden (S’ Germany) and detect the platform demise as the onset of the
‘Carnian Crisis’ even in locally occurring condensed but continuous carbonatic series atop ‘Hallstatt
deep swells’. Several conodont assemblages dated a thin Late Ladinian to Early Carnian Hallstatt Red
Limestone succession. Remarkable is the first evidence of Metapolygnathus carnicus within Northern
Alpine Hallstatt Limestones. This conodont species occurs exclusively in a narrow timeframe
encompassing the Julian 1/IIc and earliest Julian 2. Its presence is thus essential for exact dating of the
platform- and reef demise in the NW’ Tethys. Further results are i) the evidence of automicritic carbonate
precipitation (thrombolites) and foraminifer buildups, ii) a modifi cation regarding sediment
modes and topography of ‘Hallstatt deep swells’ and iii) the fi rst Carnian d18Ophos data derived from
conodont apatite, which suggest arid climate during the Late Ladinian and Early Carnian.
A third multistratigraphic study (3.4) focuses on a thick Hallstatt red limestone sequence exposed in
the Draxllehen quarry near Berchtesgaden. This successions documents not only a prompt re-insertion
of carbonate precipitation in the direct aftermath of the ‘Carnian Crisis’, but is also thought to
be one of the most complete Tuvalian Hallstatt Limestone successions, whose completeness and enhanced
thickness could be linked to graben-structures atop ‘Hallstatt deep swells’. Additional results
are the biostratigraphic approximation of the Carnian-Norian boundary and the detection of a positive
d18Ocarb shift during this boundary interval.
A multistratigraphic study of 17 successions including the main facies belts of the Alpine- and the
epicontinental Germanic realms (3.5) highlights the synchronous platform demise within the NW’
Tethys in the carnicus conodont range zone (Julian 1/IIc) and gave way to a comprehensive basin-
to-platform cross-correlation. Detection of fi ve ‘basin-to-platform-top time-intervals’ constrain
a sequence-stratigraphic and sedimentary model of the ‘Carnian Crisis’ and allow for approximate
dating of stratigraphic gaps onto Wetterstein carbonate platforms (Julian 1/IIc to Julian 2/I), an old,
yet unanswered problem.
Additionally measured d13Ccarb data of basinal Hallstatt-, Reifling and the Cassian successions display
a conjoint secular trend for the Carnian timeframe. The plot of own data and literature datasets on a
Triassic timeline reveals a signifi cant d13Ccarb drop of circa 2.0 ‰ in the latest Julian 1, followed immediately
by a 2.5 ‰-rise during the Julian 2. This ‘syn-turnover’ carbon isotope trend provides conspicuous
similarities to Jurassic and Cretaceous oceanic anoxic events and suggests analogue triggering
modes.
The multistratigraphic investigation of two southern Tethyan sites located in the Tethys Himalaya
of Northern India led to a detection of a synchronous ‘carbonate productivity crisis’ in Julian 1/IIc.
This underlines a Tethyan-wide if not global relevance of the ‘Carnian Crisis’ which was most likely
linked to warming, humidifi cation and forcing of the hydrological cycle on the megamonsoonal-in-
fluenced southern hemisphere (4.2).
The thesis concludes with a case-study (5.1) highlighting linkage between lithofacies patterns and
Late Ladinian to Early Norian d18Ophos data obtained from conodont apatite. The latter display a major
negative shift of 2.0 ‰ [V-SMOW] in latest Julian 1 and Julian 2 indicating climate warming and
a change in seawater salinity for the timeframe of the ‘Carnian Crisis’. This interpretation fi ts with
changes in lithofacies and argues for humidification and enhanced freshwater runoff (sensu Simms
and Ruffell, 1989), resulting in higher nutrient levels, planktonic blooms and the emergence of O2
minimum zones as the main factors of both reef disease and decline of nektonic biodiversity in late
Early Carnian time.

Zusammenfassung

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit multistratigraphischen Aspekten der ‘karnischen Krise’
(= ‘Reingrabener Wende’ oder ‘Raibl Ereignis’). Der räumliche Schwerpunkt der erhobenen litho-,
bio- und chemostratigraphischen- sowie mikrofaziellen Daten liegt in der NW’ Tethys (Nord- und
Südalpen: Hallstatt-, Reifling-, Partnach- und Cassianer Becken, Wetterstein Karbonat-Plattform,
Lunzer Fazies; Germanisches Becken). Um die globale Bedeutung der ‚karnischen Krise’ zu unterstreichen,
werden die alpin-mitteleuropäischen Daten mit einem Datenpool aus der S’ Tethys (Spiti-
Valley; Indischer Himalaya) korreliert und verglichen. Einen (erweiterungsfähigen) Schlusspunkt
setzt die Sauerstoffi sotopie von Conodonten-Apatit sowie deren Interpretation in Verbindung zu Mikro-
und Lithofazies. Damit können erstmals quantitative Daten zum bereits von Simms and Ruffell
(1989) postulierten ‚Carnian Pluvial Event’ präsentiert und ein Szenario abgleitet werden, das zur
‚karnischen Krise’ geführt haben mag.
Die Multistratigraphie der karnischen Zeitscheibe in der NW’ Tethys basiert vorwiegend auf Untersuchungen
am ‚Dürrnberg-Standart-Profil’ (Kapitel 3.2), einer beinahe vollständigen Abfolge, die
die sedimentäre Entwicklung des Hallstätter Beckens vom obersten Ladinium bis ins untere Norium
aufzeichnet. Mit dem Aussetzen der wichtigsten Riffbildner (u.a. Tubiphytes) konnte hier unter Zuhilfenahme
der Conodonten-Biozonierung erstmals das Absterben von karnischen Karbonatplattformen
mit dem Julium 1/IIc fixiert werden, was der carnicus Conodonten- oder der obersten aonoides
Ammonoiden-Zone entspricht. Ferner wurde die Zeitspanne vom Aussetzen der Karbonatproduktion
bis zu ihrem Wiedereinsetzen mit dem Julium 1/IIc bis zur Julium / Tuvalium Grenze eingegrenzt.
Das nur lokale Auftreten von ockerfarbenen Thrombolithen sowie dunkler Reingrabener Schiefer
wird nicht wie bisher auf (sekundäre) tektonische Reduktion (Abscherung inkompetenter Schichtglieder)
zurückgeführt, sondern als primäres, durch ein seichtes Paläo-Relief verursachtes Phänomen
auf ‚Hallstätter Tiefschwellen’ interpretiert. Schlussendlich stellt diese Studie eine Hypothese für
das Absterben der unterkarnischen Karbonat-Plattformen vor, die mit einem Nährstoffüberangebot
verbunden sein könnte.
Eine zweite Studie liefert eine Detailuntersuchung einer Ammonoiden-Lagerstätte am Rappoltstein
nahe Berchtesgaden, einem der Fachliteratur bislang unbekanntem Fundpunkt (3.3). Eine kondensierte,
aber kontinuierliche Beckenabfolge konnte durch Conodonten vom Longobardium 3 bis ins
Julium 2/I gut datiert werden. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit sind i) eine Bestätigung der
vorhergehenden Studie vom Dürrnberg, d.h. das Absterben der Karbonatplattformen im Julium 1/IIc,
ii) der erste publizierte Nachweis des für die Datierung des Riffsterbens so wichtige Conodonts Metapolygnathus
carnicus im Nordalpinen Hallstätter Faziesraum, iii) der Nachweis automikritischer
Karbonatproduktion (Thrombolith-Krusten) und Foraminiferen-Buildups, iv) eine Modifi kation bestehender
Sedimentationsmodelle auf ‘Hallstätter Tiefschwellen’, und v) die erste Publikation triassischer
d18Ophos-Werte von Conodonten-Apatit, deren erstaunlich niedrige 18O-Signaturen – in Kontrolle
zu Lithofazies-Daten flachmariner und epikontinentaler Faziesbereiche – auf aride Klimate für den
Zeitbereich des oberen Ladiniums und untersten Karniums schließen lassen.
Eine dritte Studie befasst sich mit einer Hallstätter Rotkalksequenz im Draxllehner Steinbruch bei
Berchtesgaden (3.4). Diese dokumentiert – gut datiert mit Conodonten – ein schnelles Wiedereinsetzen
der Karbonatproduktion auf den Plattformen bereits im basalen Tuvalium und repräsentiert eine
der vollständigsten alpinen tuvalischen Hallstätter Kalk-Abfolgen. Als weiteres wichtiges Ergebnis
wird der Kohlenstoff-Isotopensprung an der Karnium-Norium Grenze bestätigt.
Eine zusammenfassende Studie untersucht 17 Profile aus den wichtigsten Faziesbereichen der alpinen-
und der epikontinentalen Trias-Fazies (3.5). Der Datenpool unterstreicht das nahezu synchrone
Absterben von Karbonatplattformen im Julium 1/IIc (carnicus Conodonten Zone) und liefert eine
multistratigraphische Becken-Plattform Korrelation, die den Zeitbereich des oberen Ladiniums und
Karniums beinhaltet. Mit der Erfassung von fünf Becken-Plattform Intervallen während der ‚karnischen
Krise’ wird zudem ein sequenz-stratigraphisches Sedimentationsmodell geliefert, mit dem signifi
kante Schichtlücken zwischen Wetterstein-Formation und ‚Nordalpinen Raibler Schichten’ erstmals
zeitlich belegt werden können (Julium 1/IIc-2/I). Insgesamt sechs Becken-Profile (Hallstätter-,
Reifling- und Cassianer Becken) lieferten zudem d13Ccarb Isotopen-Kurven, die einen einheitlichen
Trend erkennen lassen und so einen Beitrag zur multistratigraphischen Korrelation liefern. Die Kompilation
eigener Daten und Literaturdaten ergibt eine karnische Isotopen-Fraktionierungskurve, die
ein signifi kantes d13Ccarb Minimum von 2.0 ‰ im obersten Julium 1, sowie ein d13Ccarb Maximum von
2.5 ‰ an der Julium-Tuvalium Grenze erkennen lässt. Ein Vergleich mit Isotopenkurven von jurassischen
und kretazischen ozeanischen ‚Anoxic Events’ zeigt einen ähnlichen Verlauf und impliziert
analoge Ursachen für die ‚karnische Krise’.
Dass ähnliche Szenarien auch weit entfernte Tethys-Regionen betroffen haben, zeigt eine Untersuchung
an zeitgleichen Kalk- und Mergel-Abfolgen des indischen Himalayas (Spiti-Becken, S’ Tethys)
(4.2). Auch hier lässt sich biostratigraphisch eine strenge Synchronizität zur alpinen ‘karnischen Krise’
mit dem Julium 1/IIc belegen und somit ein weiteres Indiz für die vermutete globale Bedeutung
der ökologischen Krise hinzufügen: hierfür am wahrscheinlichsten erscheinen Erwärmung, Humidi-
fi kation und ein erhöhter hydrologischer Kreislauf.
Die Dissertation schließt mit einer Fallstudie (5.1), welche die Vernetzung zwischen spätladinischenbis
frühnorischen Fazies-Indikatoren und Sauerstoffisotopen-Daten von Conodonten-Apatit beleuchtet.
Etwa 35 d18Ophos-Werte zeigen ein deutliches Minimum von etwa 2.0 ‰ [V-SMOW] im späten
Julium 1 und während des Julium 2. Dieses impliziert sowohl Erwärmung, als auch erhöhte Zufuhr
von Süßwasser und Klastika in den tethyalen Randbereichen und stimmt gut mit beobachteten Fazies-
Daten überein, die Humidifikation und Verbrackung, aber auch Nährstoffüberangebot, ‚Verkrautung’,
Überdüngung und damit ein Absterben frühkarnischer Riffsysteme als wahrscheinlich erscheinen
lassen. Die Entstehung sauerstoffarmer und letztendlich anoxischer, stratifizierter Wasserkörper behinderte
das Riffwachstum und führte zu einem „Plattform-Drowning“ und nachfolgender siliziklastischer
Überlagerung bis zum Wiedereinsetzen der Karbonatproduktion im basalen Tuvalium.