Original paper

Petrography and geochemistry of siliciclastic rocks from the Central Tertiary Basin of Svalbard - implications for provenance, tectonic setting and climate

Schlegel, Andreas; Lisker, Frank; Dörr, Nina; Jochmann, Malte; Schubert, Karsten; Spiegel, Cornelia

Abstract

The petrographic and geochemical compositions of Palaeocene and Eocene shales, silt- and sandstones from two boreholes of the Central Tertiary Basin of Svalbard (CTB) were studied for gaining information on provenance, tectonic and climatic conditions during sediment deposition. The transition from arkosic sandstone compositions in the lowermost Palaeocene to litharenites in the upper Palaeocene and Eocene strata points to a trend of increasing maturity. The Palaeocene sandstones of the Firkanten, Basilika and Grumantbyen formations are characterised by a significantly higher feldspar contents (18-25 vol. %) and a better preservation of the feldspar grains, as compared to the sandstones of the Palaeocene to Eocene Batfjellet and Aspelintoppen formations (13-14 vol. %). These contain relict feldspar mostly replaced by illite and kaolinite. Moreover, kaolinite is missing in the older Palaeocene sandstones. The older (Palaeocene) and younger (Palaeocene to Eocene) strata differ not only regarding their petrography, but also with respect to their geochemical compositions: Compared to the Palaeocene to Eocene sandstones, the older Palaeocene sandstones are characterised by higher contents of SiO2, K2O, Na2O, Ba and Sr, higher K/Rb ratios, and by lower values of Al2O3, MgO, Rb/Sr ratios and chemical index of alteration (CIA). By contrast, the Palaeocene to Eocene shales and siltstones show typically higher values of CIA, Al2O3, Fe2O3 and MgO and lower SiO2 contents. These mineralogical and geochemical differences are presumably not resulting from a changed provenance or tectonic regime. Instead, it seems more likely that they indicate a change of chemical weathering conditions between the deposition of the older Palaeocene and the younger Palaeocene to Eocene strata.

Kurzfassung

Um Informationen über das Ausgangsgestein, das Liefergebiet und seine tektonische Stellung sowie über die paläoklimatischen Bedingungen zu erhalten, wurde die petrografische und geochemische Zusammensetzung von Sand-, Silt- und Tonsteinen (Shale) des Paläozän und Eozän aus zwei Kernbohrungen im Zentralen Tertiärbecken (CTB) auf Spitzbergen untersucht. Dabei deutet die petrografische Zusammensetzung der Sandsteine von einer Arkose in den ältesten paläozänen Schichten zu Lithareniten in den jüngeren Sedimenten des Paleozän und Eozän auf einen tendenziell zunehmenden Reifegrad der Sandsteine hin. Signifikante Unterschiede zeigen sich im Gehalt und Grad der Überlieferung der Feldspatkörner. Während die paläozänen Sandsteine der Firkanten-, Basilika- und Grumantbyen-Formationen durch einen höheren Feldspatgehalt (18-25 Vol.-%) und eine bessere Überlieferung der Feldspatkörner gekennzeichnet sind, haben die Sandsteine der Batfjellet- und Aspelintoppen-Formationen in der paläozän-eozänen Schichtenfolge mit 13-14 Vol.-% einen niedrigeren Feldspatgehalt und überwiegend nur reliktisch überlieferte Feldspäte durch Kaolinitisierung und Illitisierung der Mineralkörner. Diese petrografischen Merkmale spiegeln sich in der geochemischen Zusammensetzung der untersuchten Sandsteine wider. So haben die paläozänen Sandsteine im Unterschied zur paläozän-eozänen Abfolge höhere SiO2-, K2O-, Na2O-, Ba- und Sr-Gehalte, höhere K/Rb-Verhältnisse und weisen niedrigere Al2O3- und MgO-Gehalte sowie niedrigere Rb/ Sr-Verhältnisse und CIA-Werte (Chemical Index of Alteration) auf. Gegenüber der chemischen Zusammensetzung der Sandsteine sind Al2O3, Fe2O3 und MgO in den Ton- und Siltsteinen der paläozän-eozänen Frysjaoddenen-Formation typischerweise angereichert und die CIA-Werte erhöht, während die SiO2-Gehalte niedriger sind. Die unterschiedliche mineralogische und geochemische Kennzeichnung der Sandsteine steht vermutlich nicht im Zusammenhang mit einem Wechsel des Liefergebietes und/oder seiner tektonischen Stellung. Stattdessen dürften variable Bedingungen der chemischen Verwitterung während des Paläozän und Eozän wesentlich ursächlich sein für den unterschiedlichen Grad der Erhaltung und Kaolinitisierung der Feldspäte im Ausgangsgestein der paläozänen und eozänen Sedimente des CTB auf Spitzbergen.

Keywords

siliciclastic rockspetrographic analysisgeochemical compositionprovenancetectonic settingpalaeoclimatesvalbard