An integrated geochemical and ichnological approach to reconstructing the formation of organic-carbon-rich sediments and sedimentary rocks: the role of anoxia versus productivity during black shale deposition

Abstract

The multiproxy approach used in this research, based on an integrative geochemical and ichnological analysis, aims to advancing the understanding of processes which led to the deposition and preservation of organic matter and the formation of organic-rich sediments and sedimentary rocks, with especial focus on black shales. This type of deposits, although profusely studied, still remain poorly understood, and several questions arise when examining black shales. The main controversy refers to the role played by anoxic conditions, and their relationship with organic carbon burial. Other palaeoenvironmental features such as planktonic productivity, hydrographic circulation, and the influence of local versus global triggers, are also subject of debate. Within this context, two case studies of black shales sequences have been selected, representing different ages and depositional settings, thus, allowing for a general approach to investigate black shale deposition. First case study are Toarcian black shales (c. 184 Ma, Lower Jurassic), which are recorded worldwide, and linked to a period of widespread marine anoxia known as the Toarcian Oceanic Anoxic Event (T-OAE). Second case study corresponds to black shale beds from the Upper Pennsylvanian (c. 307 Ma, Upper Carboniferous), deposited in an epeiric sea known as the Late Pennsylvanian Midcontinent Sea during marine transgressions, thus related with large sea-level changes and glacio-eustatic dynamics. The conducted research was aimed at covering the most debated aspects of black shale deposition. The obtained results have provided further evidence on the main open questions on black shale deposition: a) contrary to the classical assumption that strong anoxia is required for black shale formation, they can form under a broad spectrum of reductive redox conditions. The study cases show that organic-rich sediments can develop under both euxinic and slightly suboxic conditions, with frequent transitions between these stages over deposition; b) redox shifts during black shale deposition are typically sharp and abrupt. Calibration of geochemical proxies shows overlapping values across different redox stages, indicating rapid transitions from oxic/dysoxic to euxinic conditions in benthic environments. Intermediate redox conditions, such as suboxic or ferruginous, are often confined to a few centimetres in the sediment or water column, rendering them nearly imperceptible on a geological time scale; c) recovery of macrobenthic tracemakers following reductive conditions is consistently rapid. Ichnological proxies indicate that shortly after the end of reductive pulses associated with organic carbon burial, macrobenthic tracemaker communities swiftly reoccupy the seafloor, irrespective of whether post-event oxygen levels were predominantly oxic or slightly dysoxic (distinct ichnoassemblages indicate each redox stage); d) local triggers consistently wield a significant influence on black shale deposition in relation to previously considered global phenomena. The findings from both study cases underscore the crucial role played by local and regional factors such as topographic and palaeogeographic features in shaping the black shale record. While global causes are essential in creating conditions conductive to black shale deposition, their impact is localized to specific settings, highlighting the major importance of local and regional factors; and e) brief oxic pulses are commonly observed during black shale deposition, although their identification is not always straightforward. Black shales can accumulate under varying degrees of reductive conditions, interrupted, occasionally by brief oxic intervals irrespective of the specific redox stage during deposition. Thus, the integration of geochemical and ichnological proxies provides complementary tools for reconstructing black shale depositional conditions. Future research focused on refining the calibration of these proxies will enhance their reliability and complementary utility.

La presente tesis doctoral se basa en un enfoque multidisciplinar, basado en la integración de análisis icnológicos y geoquímicos, con el objetivo de avanzar en la comprensión de los procesos que condujeron al depósito y preservación de la materia orgánica y formación de sedimentos y rocas sedimentarias ricas en materia orgánica, en particular, las black shales. A pesar de haber sido ampliamente estudiadas, aún existen numerosas incógnitas sobre el origen de este tipo de rocas sedimentarias, especialmente en lo referido a sus modelos de formación. La principal controversia está relacionada con el papel que juegan las condiciones anóxicas en el fondo oceánico y su relación con la acumulación de carbono orgánico. Asimismo, otras características paleoambientales como la productividad planctónica, la circulación oceánica y la influencia de condiciones locales y globales, son objeto de debate. En este contexto, se han seleccionado dos casos de estudio de secuencias de black shales que representan diferentes edades y ambientes de depósito, permitiendo así una aproximación general a la interpretación de este tipo de depósitos. El primer caso de estudio es el de las black shales del Toarciense (c. 184 Ma, Jurásico Inferior), ampliamente reconocidas a nivel mundial y asociadas a un período de anoxia marina generalizada conocido como el Evento Anóxico Oceánico del Toarciense (T-OAE, por sus siglas en inglés). El segundo caso de estudio corresponde a las capas de black shales del Pensilvaniense Superior (c. 307 Ma, Carbonífero superior) depositadas en un mar epicontinental conocido como el Mar del Epicontinental del Pensilvaniense Tardío durante transgresiones marinas, relacionadas con grandes cambios en el nivel del mar debido a dinámicas glacioeustáticas. La investigación se llevó a cabo con el objetivo de abordar algunos de los aspectos más controvertidos en el debate sobre el depósito de black shales. En general, los resultados obtenidos han permitido avanzar en aquellos aspectos más debatidos sobre la formación de black shales: a) Contrariamente a las ideas convencionales de la necesidad de condiciones estrictamente anóxicas para la formación de black shales, se ha demostrado que éstas pueden formarse en un amplio espectro de condiciones redox reductoras. Los casos de estudio muestran que los sedimentos ricos en materia orgánica pueden desarrollarse tanto bajo condiciones euxínicas como ligeramente subóxicas, con transiciones frecuentes entre estos dos estadios; b) los cambios redox durante el depósito de black shales suelen ser rápidos y abruptos. La calibración de los indicadores geoquímicos muestra valores superpuestos en diferentes estadios redox, indicando transiciones rápidas de condiciones óxicas/disóxicas a condiciones euxínicas en el fondo marino. Las condiciones redox intermedias, como subóxicas o ferruginosas, suelen estar confinadas a unos pocos centímetros en el sedimento o la columna de agua, haciéndolas casi imperceptibles a escala geológica; c) la recuperación de las comunidades macrobentónicas bioturbadoras tras las condiciones reductoras es muy rápida. El análisis icnológico indica que poco después del fin de los pulsos reductores asociados a la acumulación de carbono orgánico, las comunidades macrobentónicas reocupan rápidamente el substrato marino, independientemente de si los niveles de oxígeno postevento fueron predominantemente óxicos o ligeramente disóxicos (diferentes icnoasociaciones indican cada estadio redox); d) los factores locales ejercen una influencia significativa en el depósito de black shales en comparación con los fenómenos de carácter global. Los resultados obtenidos en ambos casos de estudio subrayan el papel crucial desempeñado por factores locales y regionales como la topografía del lecho marino y las condiciones paleogeográficas en la configuración del registro de black shales. Si bien las causas globales son fundamentales para crear condiciones propicias para el depósito de este tipo de rocas sedimentarias, su impacto está localizado en entornos específicos, destacando la importancia fundamental de los factores locales y regionales; y e) breves pulsos óxicos son registrados comúnmente durante el depósito de black shales, aunque no siempre son identificados. Por tanto, las condiciones reductivas predominantes durante su depósito pueden ser interrumpidas por breves pulsos de mayor oxigenación. La integración de indicadores geoquímicos e icnológicos se considera, por tanto, como una herramienta fundamental para el estudio de black shales, especialmente en la reconstrucción de los procesos implicados en su formación. Futuros avances en la investigación de rocas sedimentarias ricas en carbono orgánico empleando esta metodología permitirán mejorar la integración de ambos tipos de indicadores, aumentando su fiabilidad y utilidad.