Major transgression during Late Cretaceous constrained by basin sediments in northern Africa: implication for global rise in sea level

Abstract

The global rise in sea level during the Late Cretaceous has been an issue under discussion by the international geological community. Despite the significance, its impact on the deposition of continental basins is not well known. This paper presents the systematic review on stratigraphy and sedimentary facies compiled from 22 continental basins in northern Africa. The results indicate that the region was dominated by sediments of continental facies during Early Cretaceous, which were replaced by deposits of marine facies in Late Cretaceous. The spatio-temporal distribution of sedimentary facies suggests marine facies deposition reached as far south as Taoudeni-Iullemmeden-Chad-Al Kufra-Upper Egypt basins during Turonian to Campanian. These results indicate that northern Africa underwent significant transgression during Late Cretaceous reaching its peak during Turonian to Coniacian. This significant transgression has been attributed to the global high sea-level during this time. Previous studies show that global rise in sea level in Late Cretaceous may have been driven by an increase in the volume of ocean water (attributed to high CO₂ concentration and subsequently warm climate) and a decrease in the volume of the ocean basin (attributed to rapid production of oceanic crust and seamounts). Tectonic mechanism of rapid production of oceanic crust and seamounts could play a fundamental role in driving the global rise in sea level and subsequent transgression in northern Africa during Late Cretaceous.

Keywords

global sea-level changes / Late Cretaceous / transgression / sedimentary facies / northern Africa

References

[1] Adatte T, Keller G, Stinnesbeck W (2002). Late Cretaceous to early Paleocene climate and sea-level fluctuations: the Tunisian record. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol, 178(3–4): 165–196

[2] Bachmann M, Hirsch F (2006). Lower Cretaceous carbonate platform of the eastern Levant (Galilee and the Golan Heights): stratigraphy and second-order sea-level change. Cretac Res, 27(4): 487–512

[3] Badalini G, Redfern J, Carr I D (2002). A synthesis of current understanding of the structural evolution of North Africa. J Pet Geol, 25(3): 249–258

[4] Barbero L, Teixell A, Arboleya M L, Río P, Reiners P W, Bougadir B (2007). Jurassic-to-present thermal history of the central High Atlas (Morocco) assessed by low-temperature thermochronology. Terra Nova, 19(1): 58–64

[5] Berner R A (1992). Palaeo-CO₂ and climate. Nature, 358(6382): 114

[6] Berner R A, Kothavala Z (2001). Geocarb III: a revised model of atmospheric CO₂ over Phanerozoic time. Am J Sci, 301(2): 182–204

[7] Bice K L, Norris R D (2002). Possible atmospheric CO₂ extremes of the middle Cretaceous (late Albian–Turonian). Paleoceanography, 17(4): 22-1–22-17

[8] Bodin S, Meissner P, Janssen N M M, Steuber T, Mutterlose J (2015). Large igneous provinces and organic carbon burial: controls on global temperature and continental weathering during the early cretaceous. Global Planet Change, 133: 238–253

[9] Bosellini A, Morsilli M, Neri C (1999a). Long-term event stratigraphy of the apulia platform margin (Upper Jurassic to Eocene, Gargano, Southern Italy). J Sediment Res, 69(6): 1241–1252

[10] Bosellini A, Russo A, Schroeder R (1999b). Stratigraphic evidence for an early aptian sea-level fluctuation: the graua limestone of south-eastern ethiopia. Cretac Res, 20(6): 783–791

[11] Bosworth W (1992). Mesozoic and early Tertiary rift tectonics in east Africa. Tectonophysics, 209(1–4): 115–137

[12] Bryan S E, Ferrari L (2013). Large igneous provinces and silicic large igneous provinces: progress in our understanding over the last 25 years. Geol Soc Am Bull, 125(7–8): 1053–1078 

[13] Cazenave A, Llovel W (2010). Contemporary sea level rise. Annu Rev Mar Sci, 2(1): 145–173

[14] Coffin M F, Eldholm O (1994). Large igneous provinces: crustal structure, dimensions, and external consequences. Rev Geophys, 32(1): 1–36

[15] DeConto R M, Pollard D (2003). Rapid Cenozoic glaciation of Antarctica induced by declining atmospheric CO₂. Nature, 421(6920): 245–249

[16] Fluteau F, Ramstein G, Besse J, Guiraud R, Masse J P (2007). Impacts of palaeogeography and sea level changes on Mid-Cretaceous climate. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol, 247(3–4): 357–381

[17] Friedrich O, Erbacher J, Moriya K, Wilson P A, Kuhnert H (2008). Warm saline intermediate waters in the Cretaceous tropical Atlantic Ocean. Nat Geosci, 1(7): 453–457

[18] Friedrich O, Norris R D, Erbacher J (2012). Evolution of middle to Late Cretaceous oceans—A 55 m.y. record of Earth’s temperature and carbon cycle. Geology, 40(2): 107–110

[19] Gale A S, Hardenbol J, Hathway B, James Kennedy W, Young J R, Phansalkar V (2002). Global correlation of Cenomaian (Upper Cretaceous) sequences: evidence for Milankovitch control on sea level. Geology, 30(4): 291–294

[20] Giorgioni M, Weissert H, Bernasconi S M, Hochuli P A, Keller C E, Coccioni R, Petrizzo M R, Lukeneder A, Garcia T I (2015). Paleoceanographic changes during the Albian-Cenomanian in the Tethys and North Atlantic and the onset of the Cretaceous chalk. Global Planet Change, 126: 46–61

[21] Goncuoglu M C, Kozlu H (2000). Early Paleozoic evolution of the NW Gondwanaland: data from southern Turkey and surrounding regions. Gondwana Res, 3(3): 315–324

[22] Guiraud R, Bosworth W, Thierry J, Delplanque A (2005). Phanerozoic geological evolution of Northern and Central Africa: an overview. J Afr Earth Sci, 43(1-3): 83–143

[23] Guiraud R, Maurin J C (1992). Early Cretaceous rifts of western and central Africa: an overview. Tectonophysics, 213(1–2): 153–168

[24] Gurnis M (1990). Ridge spreading, subduction, and sea level fluctuations. Science, 250(4983): 970–972

[25] Haji T, Dhahri F, Marco I, Boukadi N (2014). New insights on the tectonic and paleogeographic evolution of the central Atlasic domain of Tunisia. Arab J Geosci, 7(4): 1605–1616

[26] Hancock J M, Kauffman E G (1979). The great transgressions of the Late Cretaceous. J Geol Soc London, 136(2): 175–186

[27] Haq B U (2014). Cretaceous eustasy revisited. Global Planet Change, 113(2): 44–58

[28] Haq B U, Al-Qahtani A M (2005). Phanerozoic cycles of sea-level change on the Arabian Platform. GeoArabia, 10(2): 127–160

[29] Haq B U, Hardenbol J, Vail P R (1987). Chronology of fluctuating sea levels since the Triassic. Science, 235(4793): 1156–1167

[30] Hay W W, Floegel S (2012). New thoughts about the Cretaceous climate and oceans. Earth Sci Rev, 115(4): 262–272

[31] Huber B T, Hodell D A, Hamilton C P (1995). Middle–Late Cretaceous climate of the southern high latitudes: stable isotopic evidence for minimal equator-to-pole thermal gradients. Geol Soc Am Bull, 107(10): 1164–1191

[32] Huber B T, Norris R D, Macleod K G (2002). Deep-sea paleotemperature record of extreme warmth during the Cretaceous. Geology, 30(2): 123–126

[33] Husson L, Conrad C P (2006). Tectonic velocities, dynamic topography, and relative sea level. Geophys Res Lett, 33(18): L1830318 

[34] Jarvis I, Gale A S, Jenkyns H C, Pearce M A (2006). Secular variation in Late Cretaceous carbon isotopes: a new d¹³C carbonate reference curve for the Cenomanian–Campanian (99.6–70.6 Ma). Geol Mag, 143(05): 561–608

[35] Jarvis I, Mabrouk A, Moody R T J, de Cabrera S (2002). Late Cretaceous (Campanian) carbon isotope events, sea-level change and correlation of the Tethyan and Boreal realms. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol, 188(3–4): 215–248

[36] Jenkyns H C, Forster A, Schouten S, Sinninghe Damsté J S (2004). High temperatures in the Late Cretaceous Arctic Ocean. Nature, 432(7019): 888–892

[37] Jones C E (2001). Seawater strontium isotopes, ocean anoxic events, and seafloor hydrothermal activity in the Jurassic and Cretaceous. Am J Sci, 301(2): 112–149

[38] Kauffman E G, Caldwell W G E (1993). The Western Interior basin in space and time.   Geological Association of Canada- Special Paper, 39

[39] Keeley M L (1994). Phanerozoic evolution of the basins of Northern Egypt and adjacent areas. Geol Rundsch, 83(4): 728–742

[40] Kerr A C (1998). Oceanic plateau formation: a cause of mass extinction and black shale deposition around the Cenomanian-Turonian boundary? J Geol Soc London, 155(4): 619–626

[41] Kidder D L, Worsley T R (2010). Phanerozoic Large Igneous Provinces (LIPs), HEATT (Haline Euxinic Acidic Thermal Transgression) episodes, and mass extinctions. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol, 295(1–2): 162–191

[42] Kominz M A, Browning J V, Miller K G, Sugarman P J, Mizintseva S, Scotese C R (2008). Late Cretaceous to Miocene sea-level estimates from the New Jersey and Delaware coastal plain boreholes: an error analysis. Basin Res, 20(2): 211–226

[43] Kominz M A, Miller K G, Browning J V (1998). Long-term and short-term global Cenozoic sea-level estimates. Geology, 26(4): 311–314

[44] Larson R L (1991a). Geological consequences of superplumes. Geology, 19(10): 963–966

[45] Larson R L (1991b). Latest pulse of Earth: evidence for a mid-Cretaceous superplume. Geology, 19(6): 547–550

[46] Larson R L, Erba E (1999). Onset of the mid-Cretaceous greenhouse in the Barremian Aptian: igneous events and the biological, sedimentary, and geochemical responses. Paleoceanography, 14(6): 663–678

[47] Meert J G (2003). A synopsis of events related to the assembly of eastern Gondwana. Tectonophysics, 362(1–4): 1–40

[48] Miller K G, Mountain G S, Browning J V, Kominz M, Sugarman P J, Christie-Blick N, Katz M E, Wright J D (1998). Cenozoic global sea level, sequences, and the New Jersey transect: results from coastal plain and continental slope drilling. Rev Geophys, 36(4): 569–601

[49] Miller K G, Pekar S F (2005). The Phanerozoic record of global sea-level change. Science, 310(5752): 1293–1298

[50] Miller K G, Sugarman P J, Browning J V, Kominz M A, Olsson R K, Feigenson M D, Hernández J C (2004). Upper Cretaceous sequences and sea-level history, New Jersey coastal plain. Geol Soc Am Bull, 116(3): 368–393 

[51] Miller K G, Wright J D, Browning J V (2005). Visions of ice sheets in a greenhouse world. Mar Geol, 217(3–4): 215–231

[52] Miller K G, Wright J D, Katz M E, Browning J V, Cramer B S, Wade B S (2008). A View of Antarctic Ice-Sheet Evolution from Sea-Level and Deep-Sea Isotope Changes During the Late Cretaceous-Cenozoic. Proceedings of International Symposium on Antarctic Earth Sciences

[53] Mosar J, Lewis G, Torsvik T (2002). North Atlantic sea-floor spreading rates: implications for the Tertiary development of inversion structures of the Norwegian–Greenland Sea. J Geol Soc London, 159(5): 503–515

[54] Moucha R, Forte A M, Mitrovica J X, Rowley D B, Quéré S, Simmons N A, Grand S P (2008). Dynamic topography and long-term sea-level variations: there is no such thing as a stable continental platform. Earth Planet Sci Lett, 271(1–4): 101–108

[55] Müller R D, Sdrolias M, Gaina C, Steinberger B, Heine C (2008). Long-term sea-level fluctuations driven by ocean basin dynamics. Science, 319(5868): 1357–1362

[56] Price G D, Hart M B (2002). Isotopic evidence for Early to mid-Cretaceous ocean temperature variability. Mar Micropaleontol, 46(1–2): 45–58

[57] Robson J, Dan H, Hawkins E, Sutton R (2014). Atlantic overturning in decline? Nat Geosci, 7(7): 2–3

[58] Royer D L, Berner R A, Montañez I P, Tabor N J, Beerling D J (2004). CO₂ as a primary driver of Phanerozoic climate. GSA Today, 14(3): 4 

[59] Sames B, Wagreich M, Wendler J E, Haq B U, Conrad C P, Melinte-Dobrinescu M C, Hu X, Wendler I, Wolfgring E, Yilmaz I Ö, Zorina S O (2016). Review: short-term sea-level changes in a greenhouse world-a view from the Cretaceous. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol, 441(part 3): 393–411

[60] Santosh M, Maruyama S, Yamamoto S (2009). The making and breaking of supercontinents: some speculations based on superplumes, super downwelling and the role of tectosphere. Gondwana Res, 15(3-4): 324–341

[61] Sestini G (1984). Tectonic and sedimentary history of the NE African margin (Egypt—Libya). Geol Soc Lond Spec Publ, 17(1): 161–175 

[62] Sestini G (1989). Nile Delta: a review of depositional environments and geological history. Geol Soc Lond Spec Publ, 41(1): 99–127

[63] Stoker M S, Praeg D, Hjelstuen B O, Laberg J S, Nielsen T, Shannon P M (2005). Neogene stratigraphy and the sedimentary and oceanographic development of the NW European Atlantic margin. Mar Pet Geol, 22(9–10): 977–1005

[64] Stoll H M, Schrag D P (1996). Evidence for glacial control of rapid sea level changes in the Early Cretaceous. Science, 272(5269): 1771–1774

[65] Stoll H M, Schrag D P (2000). High-resolution stable isotope records from the Upper Cretaceous rocks of Italy and Spain: glacial episodes in a greenhouse planet? Geol Soc Am Bull, 112(2): 308–319

[66] Tejada M L G, Suzuki K, Kuroda J, Coccioni R, Mahoney J J, Ohkouchi N, Sakamoto T, Tatsumi Y (2009). Ontong Java Plateau eruption as a trigger for the early Aptian oceanic anoxic event. Geology, 37(9): 855–858

[67] Torsvik T H, Rousse S, Labails C, Smethurst M A (2009). A new scheme for the opening of the South Atlantic Ocean and the dissection of an Aptian salt basin. Geophys J Int, 177(3): 1315–1333

[68] Veevers J J (2004). Gondwanaland from 650–500 Ma assembly through 320 Ma merger in Pangea to 185–100 Ma breakup: supercontinental tectonics via stratigraphy and radiometric dating. Earth Sci Rev, 68(1–2): 1–132 

[69] Viola G, Henderson I H C, Bingen B, Thomas R J, Smethurst M A, de Azavedo S (2008). Growth and collapse of a deeply eroded orogen: insights from structural, geophysical, and geochronological constraints on the Pan-African evolution of NE Mozambique. Tectonics, 27(5): TC5009

[70] Wagreich M, Sames B, Lein R (2014). Eustasy, its controlling factors, and the limno-eustatic hypothesis-concepts inspired by Eduard Suess. Mitt Osterr Geol Ges, 107: 115–131

[71] Wang C S, Hu X M (2005). Cretaceous world and oceanic red beds. Earth Science Frontiers, 12(2): 11–21

[72] Wang C S, Scott R W, Wan X Q, Graham S A, Huang Y, Wang P, Wu H, Dean W E, Zhang L (2013). Late Cretaceous climate changes recorded in Eastern Asian lacustrine deposits and North American Epieric sea strata. Earth Sci Rev, 126(11): 275–299

[73] Wang Y D, Huang C M, Sun B N, Quan C, Wu J, Lin Z (2014). Paleo-CO₂ variation trends and the Cretaceous greenhouse climate. Earth Sci Rev, 129(1): 136–147

[74] Watts A B, Thorne J (1984). Tectonics, global changes in sea level and their relationship to stratigraphical sequences at the US Atlantic continental margin. Mar Pet Geol, 1(4): 319–339

[75] Wendler J E, Wendler I (2016). What drove sea-level fluctuations during the mid-Cretaceous greenhouse climate? Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol, 441: 412–419

[76] Wignall P B (2001). Large igneous provinces and mass extinctions. Earth Sci Rev, 53(1–2): 1–33

[77] Wilson P A, Norris R D, Cooper M J (2002). Testing the Cretaceous greenhouse hypothesis using glassy foraminiferal calcite from the core of the Turonian tropics on Demerara Rise. Geology, 30(7): 607–610

Acknowledgments

We are grateful for discussions with Prof. Bingsong Yu, Renchen Xin, Ancheng Xiao and Dong Jia, and comments from two anonymous reviewers. This work was funded by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 41330207, 41472181, 41102128, and 41072154), the National Science and Technology Major Project (No. 2011ZX05028-003), the MOST of China (No. 2016YFC0600402), the National Program on Global Change and Air-Sea Interaction, SOA (No. GASI-GEOGE-01), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Nos. 2017FZA3008, and 2017XZZX007-01).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg