Original paper

Sedimentary facies and evolution of a Mediterranean-type slope-basin in the Early Carboniferous of the Vosges Mountains (Oderen Group, NE-France)

Krecher, Marc

Abstract

The sedimentary and volcanic rocks of the Early Carboniferous Oderen Group in the Southern Vosges record the geological evolution of a deeply subsiding and refilling slope-basin, associated with a marginal marine volcanism. Radiometric data, paleontological ages and large-scale control by Early Carboniferous transgressive/regressive cycles give evidence for a depositional time span between the Lower and the Upper Viséan (ca. 345 to 335 Ma). Mafic and felsic lavas flowed out on the basin floor in an early stage of basin evolution. In general, the volcanites occur as lavas, intrusions and tuffs. They are associated to deep-marine sediments of a mud-rich submarine fan and in some cases the lavas show peperitic structures at the contact zone with these mudstones. The internal vertical stacking of the submarine fan shows a three-fold division beginning with slump and debris flow deposits, followed by classic turbidite sandstones and overbank mudstones with coarse-grained calciturbidite channel deposits above. A second deep-marine lithofacies is characterized by local occurrences of conglomerates, coarse-grained sandstones and a several 100 m thick unit of submarine fan deposits again showing a classical turbidite sandstone facies. This second deep-marine lithofacies is regionally replaced by volcaniclastic sediments, calcalkaline andesite lavas and intrusive volcanic rocks of small volcanic centres. During this stage, lavas very often show a quench-fragmented facies. The third stage of basin evolution records the shoaling-upward trend from prodeltaic or slope mudstones, covered by a fluvial wedge, storm and wave-dominated transgressive/regressive cycles and fluvial deposits at the top. The sandstones record a provenance from young and undissected volcanic provinces. It is argued, that the volcanism reflects subduction processes in a rather late stage of the Variscan orogenesis. Such a tectonic setting would also explain the mobile basement, allowing for the deposition of thick deep-marine strata in the Southern Vosges. A last stage of basin evolution is only evident for the very northern parts of the outcrop area. Thick mudstones with silty to fine-sandy rhythmite laminae, fine-grained seismite structures and bioturbated sandstones record a final deepening stage before large scale deformation of the Oderen Group occurred. The outstanding elements of the shelfal mudstone unit are large extrinsic olistoliths, containing gneisses, gabbros, serpentinites and a cover of sandstones and slightly deformed conglomerates. To regional geologists the lineament is well known as the “Ligne des Klippes”, formerly seen as the stratigraphic base of the Markstein Group and/or as a tectonic mélange. Here it is interpreted as an olistostrome of the uppermost Oderen Group. The olistoliths were locally incorporated into the dextral-transpressive Markstein Fault. The whole sedimentary and volcanic succession is up to 4000 metres thick. Poorly exposed paleoflow markers record a westerly direction of sediment transport during the deep-marine stage of basin evolution, changing to a southward direction in storm and wave-dominated sediments of the regressive stage. A gross correlation to volcano-sedimentary rocks of the Badenweiler-Lenzkirch Zone in the southern Schwarzwald is based on time-equivalent marine fossils, the shoaling-upward trend and the consistent andesite volcanism. Sedimentary and volcanic facies is comparable to those of the present day Mediterranean Basin, which also has a small subduction related volcanic arc in its southern Tyrrhenian part. The geology of the Oderen Group contributes to understanding the paleogeographic setting of the southern Moldanubian realm in the Variscan orogen. It is concluded that, although different subduction systems or phases must have controlled the evolution of the large-scale sedimentary units in the Southern Vosges, thickening of the continental crust during the Viséan is reflected by all deep-crustal and supra-crustal rock successions in the Moldanubian part of the Schwarzwald-Vosges arch.

Kurzfassung

In den südlichen Vogesen (NE-Frankreich) treten unterkarbonische Sediment- und Vulkanitgesteine auf, die in der Oderen-Gruppe zusammengefasst werden. Radiometrische und paläontologische Daten grenzen den Entstehungszeitraum auf das Untere bis Obere Viseum (ca. 345 bis 335 Ma) ein, was auch im Groben mit den zu erkennenden Transgressions-/Regressions-Zyklen übereinstimmt. Spilitisierte mafi sche und felsische Magmatite haben sich in einer frühen Beckenphase in Form von Laven, subvulkanischen Intrusionen oder Tuffen gebildet. An ihren Rändern zeigen die Laven in einigen Fällen peperitische Gefüge. Sie sind assoziiert mit tiefmarinen Sedimentgesteinen eines über 1000 m mächtigen tonreichen Ablagerungsfächers, dessen vertikale Abfolge von unten nach oben aus Massenstromablagerungen, einer Turbiditsandsteinabfolge und einem kalziturbiditischen Rinnenkomplex aufgebaut wird. Eine zweite tiefmarine Lithofazies besteht aus grobklastischen Rinnenfüllungen und einer bis zu 500 m mächtigen Abfolge aus klassischen Turbiditsandsteinen und hemipelagischen Tonsteinen. Lokal kann diese Lithofazies durch vulkaniklastische Sedimentgesteine, kalkalkaline andesitische Laven und Intrusionen eines Inselvulkanismus ersetzt sein. In einigen Gebieten lassen sich von vulkanischen Gängen durchzogene Sedimentgesteinsabfolgen beobachten. Das Ablagerungsmilieu wird als Meeresabhang interpretiert, entlang dem es zur Bildung peripherer, d. h. abhanginterner Becken kam. Der Inselvulkanismus saß diesem Meeresabhang auf. In einer dritten Phase der Beckenentwicklung kommt es zur Verfl achung des Meeres, was durch prodeltaische Tonsteine oder Meeresabhangsedimente angezeigt wird. Diese werden von zyklischen Fluss- und Küstenablagerungen gefolgt, deren Fazies eine starke Beeinfl ussung durch Stürme und Wellen nachweist. Großräumige Meeresspiegelschwankungen scheinen bis dahin für den Sedimentgesteinsaufbau der Oderen-Gruppe verantwortlich gewesen zu sein. Anhand der Kornzusammensetzung von Tempestitsandsteinen lässt sich weiterhin ein aktiver Vulkanismus feststellen. Es wird hier angenommen, dass trotz der fortgeschrittenen variszischen Gebirgsbildung regional begrenzte Subduktionsprozesse aktiv gewesen sind. Der dadurch begründete mobile Untergrund kann für die Aufnahme mächtiger tiefmariner Sedimentgesteinsabfolgen in den Südvogesen verantwortlich gewesen sein. In einer letzten Phase der Beckenentwicklung kommt es zu einer erneuten Vertiefung des Meeres, was sich aus der Ablagerung einer sehr distalen und tonreichen Schelffazies ergibt. Ein Lineament von Olistolithblöcken, bekannt als ,,Ligne des Klippes“ des südlichen Elsass, kann als sedimentäres Ereignis innerhalb dieser oberen Oderen-Gruppe erkannt werden. Aus diesem Grund wird die Flutung der sandreichen Deltaablagerungen auf eine tektonische Ursache zurückgeführt. Teilweise wurden die Grundgebirgsklippen von der dextral-transpressiven Marksteinstörung erfasst, weshalb es lokal zur Ausbildung einer tektonischen Mélange kommen konnte. Die gesamte Beckenabfolge erreicht eine aufgeschlossene Mächtigkeit von bis zu 4000 m. Einige wenige Paläoströmungsmarker weisen auf eine zunächst westliche, später in der regressiven Phase auf eine südliche Paläoströmung hin. Die Korrelation mit einer regressiven Sedimentgesteinsabfolge in der Badenweiler-Lenzkirch-Zone des Südschwarzwaldes basiert auch auf dem Vorkommen gleich alter Fossilien und dem übereinstimmenden Vulkanismus. Insgesamt lässt sich die Gesteinsfazies und ihre Abfolgen sehr gut mit der des heutigen Mittelmeeres vergleichen, wobei insbesondere die Beckenabfolgen und der Vulkanismus des südlichen Tyrrhenischen Meeres ein rezentes Analogon liefern. Die Geologie der Oderen-Gruppe trägt zum besseren Verständnis der paläogeografi schen Gegebenheiten des südlichen Moldanubikums bei. Es kann festgestellt werden, dass obwohl unterschiedliche Subduktionssysteme oder -phasen die Bildung der großen Sedimentgesteinseinheiten in den Südvogesen und im Südschwarzwald kontrolliert haben, die Verdickung der Kruste im Oberviseum ein allgemeines Kennzeichen auch der zentralen Kristallineinheiten darstellt.

Keywords

southern vosgesvariscideslower carboniferousslope-basinsedimentary faciesisland arc