Original paper

Vulkanismus und Kellwasser-Krise – Zirkon-Tephrostratigrafie, Identifizierung und Herkunft distaler Fallout-Aschenlagen (Oberdevon, Synklinorium von Dinant, Rheinisches Schiefergebirge, Harz)

[Volcanism and Kellwasser Crisis – Zircon tephrostratigraphy, identification and origin of distal fallout ash layers (Upper Devonian, Dinant Syncline, Rhenish Slate Mountains, Harz Mountains)]

Winter, Josef

Abstract

German Im Frasnium und tiefen Famennium des mitteleuropäischen Rhenoherzynikums sind sehr dünne tonige Lagen eingeschaltet, die durch Umwandlung in Metabentonit aus Fallout-Aschen hervorgegangen sind. Die Aschenlagen dokumentieren im zeitlichen Umfeld der Kellwasserkalke mehrere Phasen eines subaerisch-explosiven Vulkanismus, der außerhalb der rhenoherzynischen Umgebung aktiv war. Die Metabentonite bestehen vorwiegend aus Neubildungen von Illit, llit-Smektitmixed layers und Chlorit-Vermiculit-Smektit-Wechsellagerungsstrukturen. Ihre vulkanische Genese wird durch resistente magmatogene Minerale wie Apatit und scharfkantig erhaltene, idiomorphe Zirkonpopulationen belegt. Die unverändert erhaltenen magmatogenen Zirkone werden in den hochgradig veränderten Metabentoniten sowohl zur Identifikation der Lagen, wie auch zur Bestimmung des Ausgangsmagmas und der Richtung und Reichweite des äolischen Transports der Aschen eingesetzt. Die auf der Basis der Zirkontypologie entwickelte stratigrafische Korrelationsmethode wird als Zirkon-Tephrostratigrafie bezeichnet (Winter 2001). Die Zirkone der Metabentonite werden in REM-Fotoserien dokumentiert. Ihre kristallmorphologische Charakteristik wird in Diagrammen dargestellt. Damit können einzelne Lagen über große Entfernungen als Chronohorizonte identifiziert und korreliert werden. Die sehr geringen Mächtigkeiten von einigen Millimetern bis wenigen Zentimetern und die Abnahme der Zirkon-Längenwerte in Transportrichtung belegen Fallout-Aschenlagen, die im distalen Bereich sedimentiert wurden. Auf der Basis der Zirkon-Diagramme nach Pupin (1980) wird der Magmencharakter der unterschiedlichen Herkunftsgebiete ermittelt. Es liegen alkalirhyolithische bis trachytische Eruptiva aus dem Intraplatten-Bereich und trachyandesitische bis rhyodacitische Inselbogen-Vulkanite einer Subduktionszone vor. Die Aschen stammen demnach aus Gebieten kontinentaler Krustendehnung Euramericas und von Vulkaninseln einer Subduktionszone zwischen Gondwana und Euramerica. Die Einschaltung der Aschenlagen mit datierbaren Zirkonpopulationen in eine nach Conodonten feinstratigrafisch untergliederte Schichtfolge eröffnet ein neues Feld für die Präzisierung und Kalibrierung relativer und absoluter Altersdaten im zeitlichen Umfeld der Kellwasser-Phase. Die aus REM-Serien gewonnenen Zirkon-Längenwerte werden als Proxy der ursprünglichen Korngrößenverteilung eingesetzt. Mächtigkeiten und Korngrößenverteilungen werden mit quartären Fallout-Aschenlagen im östlichen Mittelmeer verglichen. Richtung und Reichweite des äolischen Transports der Aschen werden abgeschätzt und die paläogeografische Lage der vulkanischen Lieferzentren eingegrenzt. Abschließend werden mögliche Auswirkungen der vulkanischen Aktivität im Hinblick auf die Kellwasser-Krise erörtert. English Series of very thin metabentonite layers are intercalated in marine sediments of the Frasnian and Lower Famennian in Central Europe. These layers originated from the transformation of air-fall ashes and prove different phases of a subaerial explosive volcanism. The ash layers spread across great distances and provide chronohorizons within the marine sedimentary sequences and an excellent geological tool for precise tephrostratigraphic correlations. The metabentonites consist mainly of clay minerals such as illite, illite-smectite- and chlorite-vermiculite-smectite mixed layers. Resistant magmatogenic minerals such as apatite and zircon, preserved with sharp-edged idiomorphic crystal outlines, document the volcanic origin. The ash layers originating from different magmatic provinces are characterised by the specific crystal morphology of their zircons. The morphological types of the zircon populations allow for the classification, identification and stratigraphic correlation of individual layers and layer groups. The zircon morphology is documented by SEM photo series and represented as a zircon morphocode. This way, individual fallout ash layers are traced over distances of up to several hundred kilometres. There are no proximal volcanic eruptive centres known within this period in the Rhenohercynian of Central Europe. The air-fall ashes therefore most probably originated from active volcanoes outside the fallout, which is preserved in the Ardennes, the Rhenish Slate Mountains and the Harz Mountains. Potential eruptive centres have been over-printed by regional metamorphism or melted within the following subduction zone. Thicknesses and distribution of the metabentonites are being compared to marine air-fall ash layers in the Eastern Mediterranean throughout the Quaternary period. As the primary grain size is destroyed by the transformation into clay minerals, the length of the zircon crystals is used as a proxy of the original grain-size distribution. Decreases in grain size in the direction of transportation allow for the estimation of the direction and range of the aeolian transport so that the location of the volcanic centres of origin may be narrowed down. The character of the magmas of the source regions is being determined based on zircon diagrams after Pupin (1980). There are alkaline rhyolitic up to trachytic eruptives from a back-arc area and trachyandesitic to rhyodacitic island-arc volcanic rocks from a subduction zone. Accordingly, the ashes originated from areas of continental crust in Euramerica and from volcanic islands of a subduction front caused by the closing of the Rheic Ocean between Gondwana and Euramerica. The intercalation of numerous ash layers with dateable zircon populations in regard of the Late Devonian conodont zonation opens a new field for the clarification and calibration of relative and absolute age determinations close to the Kellwasser event. In contrast to the previously prevailing view, the ash layers are documenting an intensification of volcanic activity during Frasnian times. Impacts on the spread of anoxic conditions in the oceans are likely in view of the mass extinction at the end of the Frasnian. Other mass extinctions comparable to the events close to the end of the Middle Permian and the Triassic-/Jurassic transition are characterised by enhanced volcanism, greenhouse and eutrophication accompanied by the increase of δ13C values. Finally, possible effects of volcanic activity in view of the Kellwasser crisis are discussed.

Keywords

upper devoniansem datau/pb-datingardennesmetabentonitefrasnianfamennianrhenish slate mountainsharz mountainsconodont zonationkellwasser eventdistal air-fall ash layerszircon morphology