Original paper

Hydrothermale Fluide am nördlichen Rheingraben: Zur Dolomitisierung grabennaher Massenkalke im Tertiär

[Tertiary hydrothermal dolomitization of massive limestones at the triple junction of the Rhine Graben]

Kieper, Jens; Brockamp, Olaf

Kurzfassung

Unmittelbar nördlich der Tripelstruktur des Rheingrabensystems treten zwischen Limburg und Gießen verbreitet dolomitisierte devonische Massenkalke auf. Nach exemplarischen Untersuchungen der Steinbrüche von Steeden sind die Vorkommen strukturell kontrolliert: so geht das poröse Dolomitgestein vorzugsweise von NNW-SSE streichenden tertiären Klüften aus, greift unregelmäßig in die Massenkalke über und verdrängt sie. Die jungen Brüche sind offensichtlich synkinematisch im Oligozän und Miozän bei der Verlängerung des Rheingrabens nach NNE (u.a. Hessische Senke) bzw. NW (u.a. Idsteiner Senke) angelegt worden. Zeitgleich fand die Dolomitisierung der Massenkalke statt. Nach mikrothermometrischen Untersuchungen ergeben sich aus Flüssigkeitseinschlüssen in Dolomitgesteinen Salinitäten von etwa 20 Gew.-% NaCl-Äquivalent und Mindestbildungstemperaturen um 97°C. Die hochsalinaren, aber tieftemperierten Fluide dürften aus postvaristischen Beckensedimenten stammen. Ihre Mg-Gehalte waren wahrscheinlich niedrig, denn in Massenkalken nachgewiesene Mg-haltige Chlorite wurden bei der Dolomitisierung aufgelöst. Mit der Dolomitisierung der Kalke wurden As und Sr abgereichert, während die Cl-, Fe- und Mn-Gehalte anstiegen. So sind die MnO- und Fe2O3-Gehalte der Dolomitgesteine mit ca. 0.3 bzw. 0.7 Gew.-% um den Faktor 10 höher als im Massenkalk. Beide Elemente sind vorzugsweise in zweiwertiger Form im Dolomitgitter gebunden und bilden nur untergeordnet Fe3+ und Mn4+ Oxide bzw. Hydroxide. Durch Hydroxide dunkelbraun gefärbte Reaktionszonen im Übergang zwischen Dolomitgestein und Massenkalk sind einige cm bis dm breit, scharf abgesetzt und damit Hinweis auf die Infiltration der Lösungen. Im regionalen Vergleich bleiben die Eisen- und Mangangehalte der Dolomitgesteine und ihre Mindestbildungstemperaturen (97°C) von W (Steeden) nach E (Gießen) etwa gleich. In derselben Richtung ändern sich ihre delta18O-Werte (PDB) geringfügig von -7.7 auf -5.4 %o; die höheren Werte sind ebenfalls im Kalkstein nachzuweisen. delta13C (PDB) liegt in Dolomitgesteinen und Massenkalken ohne erkennbaren Trend zwischen 0.8 und 3.1 %o. Im Zuge der tertiären Lithosphärenbewegungen und Taphrogenese zusetzende dolomitisierende Hydrothermen waren demnach wahrscheinlich homogen zusammengesetzt. Die Untersuchungen vermitteln damit neue Erkenntnisse über bisher wenig beachtete tertiäre Fluidsysteme aus einem geodynamisch komplexen Gebiet Mitteleuropas.

Abstract

Directly north of the triple junction of the Central European Rhine rift system dolomitized Devonian limestones are frequent in the area between Limburg and Gießen. According to exemplary investigations in the Steeden quarries, the distribution of the porous dolostones is structurally controlled as they extend mainly along NNW to SSE trending Cenozoic faults, irregularly displacing the limestone. The young tectonic fractures obviously developed during Oligocene and Miocene synkinematically with the evolution of the northwards propagating Rhine rift system (e.g. Hessische resp. Idsteiner Senke). At the same time dolomitization of the Devonian limestones occured. Fluid inclusions in dolostones have salinities of about 20 wt.-% NaCl equivalent. From Th data minimum formation temperatures of about 97°C are deduced. The highly saline, low temperature fluids can be assigned to ascending basinal brines. Their Mg contents obviously were low as Mg-rich chlorites existing in limestones were dissolved during dolomitization. This process was accompanied by a decrease in the As and Sr concentrations, whereas the Cl, Fe, and Mn contents increased. Thus the MnO- and Fe2O3-contents of the dolostones amount to approximately 0.3 and 0.7 wt.-%, respectively, which are about a factor of 10 higher than in limestones. Both elements are preferably incorporated into the lattice of dolomites in a divalent state, while oxides and hydroxides with Fe3+ and Mn4+ are of subordinate importance. Dark brown coloured reaction zones in the transition from dolostones to limestones are a few centimeters wide and fairly sharp, indicating infiltration metasomatism involving reactions between limestones and inflowing fluids. An extended survey in the area shows that the iron and manganese contents of dolostones remain nearly constant from W (Steeden) to E (Wetzlar). In the same direction delta18O-values (PDB) of dolostones increase from -7.7 to -5.4 %o; the higher value is also observed in limestones. delta13C (PDB) in dolostones and limestones varies without an apparent trend between 3.1 and 0.8 %o. Fluid inclusions at Wetzlar have similar characteristics to those at Steeden. From the above data it can be derived that the dolomitizing fluids mobilized during Tertiary lithospheric uplift and taphrogenesis, ascending along young faults, had a homogenous composition and a crustal origin. The investigations provide new information on tertiary fluid systems hardly considered up to now within a complex tectonic configuration of Central Europe.

Keywords

Devonianmassive limestonesTertiarygrabenjointshydrothermal fluidsdolomitizationfluid inclusionspalaeosalinityFeMnstable isotopes18Omicrothermometry Rhenish MassifHessen TK 25: 54175514