Original paper

Diagenesis of Middle Triassic Muschelkalk carbonate rocks of the Rhine graben and adjacent areas (southwest Germany)

Geng, Aiqin; Zeeh, Stefan

Kurzfassung

Proben aus obertägigen Aufschlüssen des Muschelkalkes zwischen Heidelberg und Würzburg und von Bohrkernen aus dem Rheingraben wurden hinsichtlich der karbonatischen Zementation untersucht, um die diagenetische Entwicklung des Muschelkalkes in diesen geotektonisch unterschiedlichen Gebieten miteinander zu vergleichen. Die ersten vier calcitischen Zementgenerationen A-D wurden bei zunehmender Versenkung des Muschelkalkes gebildet. Der darauffolgende Satteldolomit repräsentiert das Stadium der tiefen Versenkungsdiagenese. Flüssigkeitseinschlüsse in diesen Satteldolomiten deuten auf Bildungstemperaturen zwischen 150 und 164°C hin. Die postkretazischen Calcitzemente können in zwei Typen unterteilt werden, E1 und E2. Während die Generation E1 nur außerhalb des Rheingrabens auftritt, ist das Vorkommen der Generation E2 als auch eines Sideritzementes auf den Rheingraben beschränkt. Auf Grund der Verbreitung, der petrographischen Charakteristika (Wechsel von nicht- und orange-lumineszierenden Zonen) und der Kohlenstoff/Sauerstoff-Isotopendaten (delta18O = -11.38 bis -7.80%o PDB, delta13C = -2.01 bis +2.44%o) der Generation E1 kann davon ausgegangen werden, daß dieser Calcit aus meteorischen Wässern gefällt wurde. Flüssigkeitseinschlüsse in diesen Zementen lassen auf Bildungstemperaturen von 62 bis 92°C schließen. Die Bestimmung der Sauerstoffisotopenzusammensetzung (delta18O = -3 bis + 5%o SMOW) des Paläowassers, aus dem der Zement E1 ausgefällt wurde, zeigt aber, daß dieser Zement nicht mit tertiären/quartären meteorischen Wässern (delta18O = -10 bis -5%o SMOW) im isotopischen Gleichgewicht steht. Wasser/Gesteins-Wechselwirkungen oder eine Vermischung heißer Formationswässer mit kalten meteorischen Wässern können diese Abweichung erklären. Ebenso steht der Zement E2 mit einer kalkulierten Lösungszusammensetzung von +3 bis +6%o SMOW nicht im isotopischen Gleichgewicht mit dem angenommenen rezenten Porenwasser (-5%o SMOW). Für diesen Zement wird daher eine Herkunft aus salinaren Grundwässern angenommen.

Abstract

Samples from drill cores and outcrops of the Muschelkalk were studied to compare the carbonate cementation of the Muschelkalk from the Rhine graben and the adjacent areas (Heidelberg/Würzburg). Calcite cement generations A to D formed under progressive burial conditions. Saddle dolomite cement represents deep burial diagenesis at elevated temperatures (150 to 164°C), as indicated by fluid inclusion studies. Calcite cement generation E formed post-Cretaceous and can be subdivided into two types, E1 and E2. Generation E1 is only found outside of the Rhine graben, whereas generation E2 and one stage of siderite cement occur only within the Rhine graben. There is a strong geological evidence (e. g. non- and orange luminescent subzones) that generation El is precipitated from meteoric waters, which is further supported by the carbon and oxygon isotope data (delta18O = -11.38 to -- 7.80%o PDB, delta13C = -2.01 to + 2.44%o). Fluid inclusion studies show that this cement precipitated at temperatures between 62 and 92°C. The calculated palaeofluid composition from which this cement was precipitated (delta18O = -3 to +5%o SMOW) shows that cement El is not in isotopic equilibrium with Tertiary/Quarternary meteoric water (delta18O = -10 to -5%o SMOW). Interactions between meteoric water and the host rock or mixing of hot formations water with cool meteoric waters might explain this deviation. Also cement E2 with a calculated palaeofluid composition of +3 to +6%o SMOW is not in isotopic equilibrium with the assumed recent pore water (-5%o SMOW) and an origin from saline subsurface brines is suggested.

Keywords

Muschelkalklimestonescarbonate cementscalcitedolomitesideritecathodoluminescencestable isotopes13C18Ofluid inclusionsmicrothermometryburial diagenesisformation watersrock-fluid interactionupliftgraben Rhine GrabenSouthwes