Original paper

Crystalline rocks in the maar deposits of Messel: key to understand the geometries of the Messel Fault Zone and diatreme and the post-eruptional development of the basin fill

Mezger, Jochen E.; Felder, Marita; Harms, Franz-Jürgen

Abstract

The origin of the Messel fossil deposit (UNESCO world heritage site) for a long time had been a matter of conjecture. A scientific well finally proved that the Messel Lake is the result of phreatomagmatic eruptions. Intrabasin faults and folded oil shale within the pit still remained unexplained, suggesting structural control on basin development and even initial magma ascent along a SW?NE striking fault zone (Messel Fault Zone) passing through the Messel Maar. Juxtaposition of felsic and mafic plutonic rocks and a distinct gravity anomaly parallel to the lithologic boundary support the fault zone model, but lack of evidence for a fault in seismic profiles could also indicate an atectonic origin of these features. In this study, detailed petrographic analyses of crystalline extraclasts within the scientific well and of the surrounding basement reveal fault-related fabrics, supporting the model of reactivation of a Variscan fault zone during initial opening of the Upper Rhine Graben as cause of the Messel eruptions. Along with differential subsidence of the lake sediments, the preferential occurrence of rocks with provenance from the SE within the diatreme breccia points to an asymmetric diatreme funnel with a steep southeast wall composed of diorite and a gentler sloping granodioritic northwest wall. This asymmetry likely originates from a steeply northwest-dipping oblique normal fault. During the eruption the weaker granodiorite was preferentially crushed and ejected, while the stronger diorite prevailed to form a steep wall.

Kurzfassung

Lange Zeit war die Genese der Fossillagerstätte Messel (UNESCO-Welterbe) umstritten. Auch wenn eine Forschungsbohrung eindeutig den phreatomagmatischen Ursprung des Messel-Beckens belegt hat, konnten beckeninterne Störungen und Faltung des Ölschiefers in der Grube sowie das Auftreten von Randmulden nicht mit dem Maarmodell erklärt werden. Es lag die Vermutung nahe, dass diese Strukturen sowie der Magmenaufstieg tektonisch kontrolliert wurden. Das Aufeinandertreffen von felsischen und mafischen Plutoniten und ein deutlicher Schwereabfall parallel zur Grenze sind Anzeichen für eine SW?NO streichende Störungszone (Messel-Störungszone) mitten durch das Messel-Maar. Allerdings konnten seismische Untersuchungen keine Störungen nachweisen, sodass eine atektonische Ursache der beobachteten Charakteristika nicht auszuschließen war. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurde anhand detaillierter petrografischer Untersuchungen die Zusammensetzung, der Anteil und die Verteilung kristalliner Extraklasten in der Forschungsbohrung FB Messel 2001 bestimmt und mit repräsentativen Proben des umgebenden Grundgebirges verglichen. Diese geben Hinweise auf Deformation und eine zu Beginn der Öffnung des Oberrheingrabens reaktivierte variszische Störungszone als Ursache für die Eruption des Messel-Maars. Der sehr hohe Anteil basischer Komponenten (Diorit, Tonalit) in der Schlotbrekzie und die unterschiedliche Subsidenz der Seesedimente lassen auf eine Asymmetrie des Vulkanschlotes schließen, charakterisiert durch eine steile südöstliche Dioritwand und eine flacher einfallende Nordwestwand im Granodiorit. Angelegt wurde diese Asymmetrie vermutlich durch eine steil nach Nordwesten einfallende Schrägabschiebung. Bei den Eruptionen des Messelvulkans wurde bevorzugt der schwächere Granodiorit im Hangenden ausgeworfen, während der härtere Diorit in einer Steilwand erhalten blieb.

Keywords

diatreme brecciadiatreme geometryfault reactivationmessel fault zonemessel maar