Original paper

Geochemische Variationen in Karbonatzementen als Dokument der Beckenevolution. -- Eine Fallstudie aus dem Trochitenkalk Nordwestdeutschlands

[Geochemical variations of carbonate cements as a record of basin evolution -- A case study from the Trochitenkalk Formation (Triassic, NW Germany)]

Bruckschen, Peter; Bruhn, Frank; Richter, Detlev K.

Kurzfassung

An calcitischen Zementen des Trochitenkalks Nordwestdeutschlands kann für ein ca. 6000 km2 großes Gebiet ein kompletter Evolutionszyklus von der marinen Sedimentation über die Versenkung (1000 bis 3000 m) bis zur oberkretazisch/tertiären Hebung nachvollzogen werden: 1. Kathodolumineszenz-Muster und die Verteilung von Haupt- und Spurenelementen (PIXE-Analysen) lassen -- als Basis für C/O-Isotopenuntersuchungen und Mikrothermometrie-Analysen -- drei ortmals weiter differenzierbare Zementgenerationen erkennen. 2. C/O-Isotope: Für die marinen Zemente (Mg15-Calcite) ergeben sich delta18O-Werte von -4.6%o. Die Calcitzemente der frühen/flachen Versenkungsdiagenese sind nach ihren delta18O-Werten (- 5.7 bis -7.7%o) bei 30 bis 75°C gebildet worden, während die Calcite der tiefen Versenkungsdiagenese bei 66 bis 137°C kristallisiert sind. Die abschließende posttektonische Zementgeneration ist durch konstante delta18O-Werte (-5.1 bis -6.0%o) und stark schwankende, negative delta13C-Werte (-5.5 bis -9.4%o) charakterisiert, die typisch für meteorische Calcite sind und gut mit den Isotopenwerten quartärer Sinter- und Wiesenkalke übereinstimmen. 3. Mikrothermometrische Analysen von zwei- und dreiphasigen Flüssigkeitseinschlüssen aus Calcitzementen der Versenkungsdiagenese zeigen komplexe Chloridlösungen mit 16 bis 29.8 Gew-% NaCleq an. Die Homogenisierungstemperaturen variieren zwischen 50 und 240°C und weisen drei Maxima in den Temperaturintervallen 65 bis 110°C, 120 bis 150°C und 210 bis 235°C auf. Die ersten beiden Häufungen stimmen mit den aus Isotopenwerten abgeleiteten höheren Zementationstemperaturen gut überein und werden auf die tiefe Versenkungsdiagenese zurückgeführt. Das Maximum um 220°C spiegelt die Einschlußbildung im Zuge der oberkretazischen Intrusion des Vltho-Massivs wider. 4. Eine Präzisierung des geochemischen Diagenesepfades der Trochitenkalk-Sedimente wird über Versenkungs-/Hebungskurven erreicht, wodurch eine zeitliche Einhängung diagenetischer Prozesse ermöglicht wird.

Abstract

Sedimentpetrographic and geochemical investigations of skeletal calcarenite and calcirudite samples taken over an area of 6000 km2 from outcrops from the Trochitenkalk Formation of Northwest Germany enabled a qualitative and partly quantitative assess of the diagenetic history of these shallow marine carbonates, which have been buried to depths between 1000 and 3000 m. 1. Cathodoluminescence (CL) patterns and main and trace element distributions, the latter derived from PIXE analyses, enable discrimination of three cement generations reflecting the entire evolutionary cycle of the southern Lower Saxonian basin, ranging from marine sedimentation via burial diagenesis to Upper Cretaceous/Tertiary uplift. The zonation pattern serves as a prerequisite for further C/O isotope and microthermometric investigations. 2. The delta18O values of brachiopod shells indicate a delta18O signature of -1.4%o for the Trochitenkalk seawater. Accordingly, the primary marine cement of Mg15-calcite has a delta18O of -4.6%o. The delta18O of neomorphosed calcites of early/shallow burial origin range from -5.7 to -7.7%o, suggesting formation temperatures between 30 and 70°C. The delta18O signature of fissure calcites precipitated under deep burial conditions vary from -7.4 to -8.9%o. Assuming delta18O signatures of +2 to +8%o (SMOW) for the paleo-formation waters, the O-isotopes reflect cementation temperatures between 66 and 137°C. The final, post-tectonic cement generation yields constant delta18O-values (-5.1 to -6.0%o) and considerably scattering negative delta18C-signatures (-5.5 to -9.4%o), which are typical of meteoric calcites and correspond to the isotope data of Quaternary calc-sinter samples. 3. Two- to three-phased fluid inclusions were all found in calcite cements precipitated during burial diagenesis. Eutectic temperatures between -22 and -78°C indicate complex chloride brines. The melting temperatures of -12 to -31°C suggest saline inclusions, containing 16 to 29.8 wt % NaCleq . The homogenization temperatures range between 50 and 240°C and show three maxima at 65 to 110°C, 120 to 150°C and 210 to 235°C. The first two maxima correlate well with the higher cementation temperatures derived from isotope data and mirror deep burial diagenesis. The peak around 220°C indicates the formation of the inclusions during the intrusion of the Upper Cretaceous Vlotho Massif. 4. On the basis of the complete documentation of the geochemical and diagenetic evolution and with the help of burial/uplift curves, the timing of various diagenetic processes can be constrained.

Keywords

Muschelkalk (Trochitenkalk Formation)limestonescarbonate cementscalcitebasin evolutionmanne sedimentationburial diagenesismicrothermometryfluid inclusionsisotope ratios13C18OAlpine Orogenyupliftintrusion (Vlotho Massif) Norther