Original paper

Miozäne Kaolin-Kohlentonsteine aus dem Braunkohlen-Tagebau von Belchatów, SW von Lódz (Polen)

[Miocene Kaolin Tonsteins from the Lignite Openpit Mine of Belchatów, SW of Lódz (Poland)]

Lorenc, Stanislaw; Zimmerle, Winfried

Kurzfassung

Die miozänen (Karpatian) Kaolin-Kohlentonsteine (Ts 1-Ts 4) aus dem Braunkohlen-Tagebau von Belchatów, SW von Lódz, Polen, sind 20-30 cm mächtig und zeigen Gradierung. Die ursprünglichen, eckigsplitterigen Mineralkomponenten Biotit und Feldspat sind zu Kaolinit umgewandelt. Lithoklasten umfassen vertonte vulkanische Gesteinsfragmente. Sedimentäre oder plutonische Komponenten fehlen. Akzessorische Gemengteile sind Magnetit, Ilmenit, Zirkon, Apatit und Allanit. Sie sind teilweise in charakteristischer Weise zusammengeballt. Viele Schwerminerale zeigen Zeichen magmatischer Korrosion. Zur weitergehenden Charakterisierung der Schwerminerale dienten Fluoreszenzspektra von Zirkon und ein Elementspektrum mit Seltenen Erden von Allanit. Mineral- und Gesteinsfragmente der Kaolin-Kohlentonsteine und ihre diagenetischen Umwandlungsprozesse sind tabellarisch zusammengefaßt. Mit Hilfe halbautomatischer Bildanalyse (VIDEOPLAN) wurden Kornparameter der stark umgewandelten, aber identifizierbaren Gesteinskomponenten und der Anteil der Grundmasse bestimmt. Ursprüngliche Mineralzusammensetzung (Biotit, Feldspat und Quarz), Strukturen der vulkanischen Gesteinsfragmente, die Schwermineral-Assoziation (Zirkon, Apatit und Allanit) und die chemische Zusammensetzung lassen auf ein saures bis intermediäres vulkanisches Herkunftsgestein (Rhyolith bis Andesit) schließen. Aufgrund der petrographischen Besonderheiten, von regional-geologischen Überlegungen und der stratigraphischen Zuordnung werden die Kaolin-Kohlentonsteine von Belchatów aus plinianischen Eruptionen im Gebiet des Inneren Karpatenbogens Ungarns und Rumäniens (Matra-Gebirge - Tokaj Region und Transylvanisches Becken) hergeleitet. Der Tuff von Dej im nördlichen Transylvanischen Becken führt akzessorischen Allanit. Im Gegensatz zu den älteren, prätertiären Kaolin-Kohlentonsteinen sind die vorliegenden vulkanischen Gesteinsfragmente in ihrer Struktur, nicht aber in ihrem ursprünglichen Mineralbestand erhalten. So dokumentieren die Kaolin-Kohlentonsteine von Belchatów deutlicher als ältere, stärker umgewandelte Kaolin-Kohlentonsteine die vulkanische Herkunft von Kaolin-Kohlentonsteinen im allgemeinen.

Abstract

The Miocene tonsteins from the Belchatów opencast lignite mine, SW of Lódz, were first analyzed and described by KASZA, GOTOWALA & LORENC (1982), AUGUST, HALUSZCZAK, JANECZEK, LORENC & SIAGLO (1984) and LORENC & ZIMMERLE (1986). The palecolored, 10-30 cm thick tonstein horizons (Ts 1-Ts 4) are intercalated in a thick section of dark brown lignite seams, dark brown, highly carbonaceous sandy claystones, and argillaceous sandstones. They are heterogeneous and fineto coarse-grained, commonly with graded bedding characteristic of air-fall ash deposits. The tonsteins were chemically analyzed for main and trace elements and examined in thin section, as heavy mineral mounts, by X-ray diffractometry, cathodoluminescence and fluorescence microscopy as well as by electron microprobe. The tonsteins are predominantly composed of kaolinite, which occurs in the crypto- to microcrystalline matrix as well as in pseudomorphs after biotite and feldspat phenocrysts. Relics of biotite, feldspat, and quartz phenocrysts also occur, as well as relatively large fragments of brown lignite. The following mineral constituents are diagnostic: pyrogenic quartz of splintery shape, potassium feldspat (sanidine), biotite, zeolites?, remains of volcanic glass, and altered grains of volcanic groundmass, some showing spherulitic texture. Terrigenous debris is mostly absent. Heavy minerals comprise mainly zircon and apatite, diagnostic of the bentonite heavy-mineral association. In addition, magnetite, ilmenite and euhedral allanite, and traces of fluorspar, pistacite/clinozoisite, siderite, monazite, brookite, and anatase occur. Allanite seem to be a useful key mineral with a rather unique RE element spectrum, i. e. a relatively high thorium content as compared with other occurrences of allanite. The fluorescence of accessory zircon is rather weak. The fluorescence spectrum resembles that of zircon from a Pleistocene pumice ash from Japan. The fluorescence pattern of accessory zircon seem to depend on the geological occurrence and geological age. Cathodoluminescence earmarks volcanic rock fragments by their reddish luminescence. Such detailed mineral analyses are aimed at tracking these tonsteins back to their original rock type and provenance. Semiautomatic image analysis (VIDEOPLAN) was applied to determine the original particle size distribution of rock components in the tonstein. The original volcanogenic debris was brought into a lake by water and/or by eolian transport (air-fall deposits). The tonstein horizons show all criteria of air-fall tephra (FISHER & SCHMINCKE 1984, 167). Miocene (Carpathian) pyroclastic sediments (vitro- and crystalloclastic tuffites) of rhyolitic, dacitic or andesitic composition have been well known in southern Poland (Foreland of the Carpathians) for several decades (KAMIENSKI 1936; PARACHONIAK 1945, 1962; ALEXANDROWICZ 1961, 1963; GABZDYL & KAPUSCINSKI 1972; RÖGL & STEININGER 1983; MATL & WAGNER 1985). Geological considerations, chemical composition, the conspicuous allanite content, and characteristic volcanic rock fragments lead to the conclusion that these tephra were derived from Miocene acidic to intermediate volcanic eruptions in the Inner Carpathian Arch of Hungary and Romania (Matra Mts., Tokay region and Transylvanian Basin). The tuff of Dej from the northern Transylvanian Basin is characterized by accessory allanite (MARZA 1975). The tonsteins from the Belchatów opencast lignite mine are among the youngest kaolin tonsteins in the geological column. They contain well preserved relics of the volcanic source rocks which are much better preserved than in tonsteins of older formations.

Keywords

Miocenelignitekaolin tonsteinsvolcanic lithoclastslight mineralsheavy mineralsaccesory mineralschemical analysesfabricdiagenesisprotolith (rhyolite - andesite)provenance (inner Carpathian ArchCentral PolandBelchatów)