Original paper

Chronological evolution of an intrusive/extrusive system: the Late Paleozoic Halle Volcanic Complex in the northeastern Saale Basin (Germany)

Breitkreuz, Christoph; Ehling, Bodo-Carlo; Sergeev, Sergey

Abstract

Nine SHRIMP U/Pb age determinations on zircons from rhyolites of the Halle Volcanic Complex (HVC), located in the northeastern Saale Basin in eastern central Germany, are presented. Combined with five ages from a previous study, the age data are used to unravel the subvolcanic and volcanic evolution of the HVC. The fourteen emplacement ages cover a range of 291.7 ± 1.8 to 301 ± 3 Ma. Thus, previous stratigraphic models have to be modified, which assumed a much more extended duration of magmatism in the northeastern Saale Basin lasting from the Westphalian to the Early Permian. The first phase of the Saale Basin evolution is documented by Westphalian coarse fan deposits exposed by wells northeast of Halle. During the second phase, during the Stephanian, the northeastern Saale Basin acquired its full extend accommodating the tripartite Mansfeld Subgroup. Only during the late Stephanian, initial activity of the HVC is evident in the form of volcanic fragments and subvolcanic intrusions in the Wettin Subformation. The silica-rich magmatic activity of the HVC, that accumulated c. 200 km3 of rocks, comprises at least two coarse-grained porphyritic and two fine-grained porphyritic pulses. For about 10 Ma, rhyolitic laccolith formation and volcanism accompanied the deposition of the Early Rotliegend Halle Formation, which represents the third phase of the Saale Basin development. Prior to the main rhyolitic magmatism, basic and intermediate magmas were emplaced mainly as sills and laccoliths in the areas north and east of Halle during the lower Halle Formation. Emplacement time for the large laccolith units is in the order of 20 Ka. Thus, although the HVC appears as one large magmatic complex, the ten million years of evolution were in fact comprised of short-lived subvolcanic and volcanic events. Several SHRIMP spots yielded inherited ages, including Westphalian ages of ∼314 Ma. A range of even higher ages reflects the activity of the Mid German Crystalline Zone, a structural unit of the Variscan orogen that underlies the Saale Basin. Proterozoic to Early Paleozoic ages relate to Gondwana dynamics of the Armorican Terrane Assemblage.

Kurzfassung

Es werden neun SHRIMP-U/Pb-Datierungen an Zirkonen von Rhyolithen des Halle Volcanic Complex (HVC) im nordöstlichen Saale-Becken präsentiert. Zusammen mit fünf Datierungen einer vorangegangenen Studie belegen die Altersbestimmungen eine subvulkanische und vulkanische Entwicklung des HVC für den Zeitraum von 291,7 ± 1,8 bis 301 ± 3 Ma. Somit sind frühere stratigrafische Modelle zu revidieren, die von einer wesentlich längeren magmatischen Aktivität (Westfal bis Unterrotliegend) ausgingen. Die initiale Phase der Entwicklung des Saale-Beckens im Westfal ist durch Konglomerate belegt, die nordöstlich von Halle erbohrt wurden. In der zweiten Phase, während des Stefans, erreichte das Saale-Becken seine größte Ausdehnung und nahm die mächtigen Sedimente der dreigeteilten Mansfeld-Subgruppe auf. Im oberen Stefan C begann die Aktivität des HVC, belegt durch vulkanische Fragmente und subvulkanische Intrusionen in den jüngsten Sedimenten der stefanischen Wettin-Subformation. Die saure vulkanische Aktivität, die ca. 200 km3 akkumulierte, lässt sich mindestens in zwei grobporphyrische und zwei feinporphyrische Phasen untergliedern. Die Bildung der unterrotliegenden Halle-Formation, die die dritte Phase der Saale-Becken-Entwicklung darstellt, war für ca. 10 Ma von rhyolithischer Lakkolith-Bildung und Vulkanismus begleitet. Davor, während der Zeit der unteren Halle-Formation, nahmen basische bis intermediäre Magmen in den Gebieten nördlich und östlich von Halle vorwiegend in Form von Sills und Lakkolithen Platz. Die Abschätzung des Platznahmezeitraumes einer großen Lakkolith-Einheit ergab ca. 20 Ka. Somit dürfte die 10 Ma lange Entwicklung des HVC eher von kurzen subvulkanischen und vulkanischen Ereignissen geprägt gewesen sein. Einige SHRIMP-Messpunkte ergaben palingene Alter. Hierzu zählen Westfal-Alter um 314 Ma sowie höhere Alter, die dem Altersspektrum der Mitteldeutschen Kristallin-Zone entsprechen. Letztere ist eine Struktureinheit des variszischen Orogens, die das Saale-Becken unterlagert. Darüber hinaus erbrachten die Datierungen altpaläozoische und proterozoische Alter, die mit der Gondwana-Entwicklung der Armorikanischen Terrane Assemblage in Beziehung stehen.

Keywords

carboniferouspermianshrimp datingzirconrhyolitelaccolithsaale basinhalle volcanic complexsachsen-anhalt