Original paper

Die Herzynkalk-Entwicklung im Randgebiet der Selke-Einheit (Harz) -- Abbild der Subsidenz im östlichen Rhenischen Trog während des Devons

[Evolution of Herzyn Limestones in the borderland of the Seike Unit (Harz Mountains) -- record of subsidence in the eastern Rhenish Trough during Devonian time.]

Hüneke, Heiko

Kurzfassung

Die devonischen Abfolgen der Herzynkalke in der Umrandung der Selke-Einheit spiegeln das Zerbrechen (Rifting) und den Zerfall (beginnendes Drifting) eines terrigen beeinflußten Karbonatschelfs unter dem Einfluß der Dehnungstektonik im Rhenischen Trog wider: (1) Die neritischen Flachwasserkarbonate des frühen Emsium (kitabicus-Zone, frühe excavatus-Zone), die teilweise unter hochenergetischen Bedingungen abgelagert wurden und zeitweise für terrigene Schüttungen noch erreichbar waren, sind offenbar Bildungen des internen Schelfs. (2) Im Verlauf des Emsium (excavatus- bis inversus-Zone) verursacht die Dehnungstektonik im Rhenischen Trog ein Zerbrechen der kontinentalen Lithospäre und führt so zum Ertrinken (drowning) dieses terrigen beeinflußten Karbonatschelfs. Die oft gleichzeitige Zufuhr silikatischer Klastika sowie anoxische Bedingungen beeinträchtigen die Karbonatproduktion zusätzlich. Die als Hochschollen persistierenden Abschnitte der Lithosphäre erlauben ein Fortbestehen der nun zunehmend kondensierten Herzynkalk-Sedimentation auf Pelagischen Karbonat-Plattformen (starved drowning). Über stärker abgesenkten Abschnitten der Lithosphäre bilden sich Hungerbecken aus, die einer allodapischen Flinz-Sedimentation Raum geben (anoxic drowning). Mit einer weiteren, jedoch allmählichen Vertiefung im Ablagerungsraum der Herzynkalke vom späten Emsium (inversus-Zone) bis zum mittleren Givetium (varcus-Zone) verändert sich das Milieu von zeitweise turbulenten und euphotischen Verhältnissen im inneren Neritikum zu hemipelagischen Bedingungen im äußeren Neritikum. (3) Während des späten Givetium und frühen Frasnium (hermannicristatus-Zone bis jamieae-Zone) führt der weitere Zerfall der Lithosphäre sowohl zu einer Verstärkung der topographischen Gegensätze zwischen den Hochlagen und Hungerbecken als auch zur Entstehung tieferer Becken. Die extrem ausgedünnte Sedimentation pelagischer Herzynkalke wird wiederholt durch die Bildung kondensierter Phosphorite vertreten. (4) Ab dem mittleren Frasnium (jamieae-Zone) nehmen stärker isolierte Pelagische Karbonat-Plattformen erneut kondensierte Abfolgen auf, die durch Becken mit lokal mächtigen allodapischen Sedimenten getrennt werden. Bemerkenswert ist das Vorkommen vadoser diagenetischer Gefüge während des mittleren Famennium (Späte crepida-Zone bis Späte marginifera-Zone), die eine nahezu fehlende Subsidenz nach dem Zerfall des Schelfareals belegen. Das Eintreffen (Auflaufen) einer orogenen Frontwelle im ursprünglichen Ablagerungsraum der Herzynkalke als Reaktion der Lithosphäre auf die beginnende Konvergenz am südöstlichen Rand der Rhenoherzynischen Zone wird als mögliche Ursache für die Verflachung während dieser Zeit diskutiert. Eustatische Schwankungen des Meeresspiegels und globale Events spiegeln sich vor allem in den jüngeren Anteilen der Profile wider. Das Einsetzen der Phosphoritbildung während des späten Givetium (varcus-/hermanni-cristatus-Zone) korreliert mit einem deutlichen eustatischen Meeresspiegel-Anstieg (Thaganic Event). Eine zweite Phase phosphoritischer Akkumulation beginnt ebenfalls mit einer Transgression während des frühen Frasnium (falsiovalis-/transitans-Zone) im Anschluß an eine markante Regression (Givetian-Frasnian Boundary Event). Während der Späten rhenana- und linguiformis-Zone unterbricht die sapropelitische Fazies der Kellwasser-Kalke wiederholt die kondensierte Sedimentation pelagischer Karbonate in den Herzynkalk-Abfolgen (Late Frasnian Event und Frasnian-Famennian Boundary Event), führt aber im Ergebnis nicht zu einem lithofaziellen Wechsel in der Profilentwicklung. Die Korrosionsereignisse während des Famenniums (Späte crepida-Zone bis Späte marginifera-Zone) fallen zeitlich mit ausgeprägten Regressionen zusammen (Condroz-Event und Enkeberg-Event). Mit dem Beginn der Kondensation in den Herzynkalken und dem gleichzeitigen Einsetzen der allodapischen Flinzkalk-Akkumulation ab dem späten Emsium nehmen ozeanische Strömungen Einfluß auf die Sedimentation. Vor allem während des späten Givetium und frühen Frasnium (hermannicristatus-Zone bis jamieae-Zone) erreichen Kondensation und Korrasion maximale Beträge. Die extrem reduzierte Sedimentation pelagischer Karbonate wird in diesem Zeitraum wiederholt durch die Bildung kondensierter Phosphorite vertreten. Als Ursache für den episodischen Einfluß recht hoher hydraulischer Energie auf das Sedimentationsgeschehen kommen zunächst geostrophische Strömungen in Betracht. Andererseits ist mit einer Verstärkung der (eher mäßigen) ozeanischen Gezeiten- und Meeresströmungen durch die, für den Ablagerungsraum dieses Zeitraumes kennzeichnende, ausgeprägte (scharfe) submarine Topographie zu rechnen. Die Herzynkalke liegen heute als scheinbar regellos eingebettete Komponenten olisthostromaler Resedimente und als Bestandteil kohärenter Einheiten vor. Ihr ursprünglicher Ablagerungsraum war ein Areal gedehnter kontinentaler Lithosphäre nordwestlich des Bildungsortes der Gesteine von Südharz- und Selke-Einheit (Ostharz-Decke). Erst während des Tournaisium erreichen Flyschsedimente diesen Raum.

Abstract

The Devonian succession of Herzyn Limestones near the rim of the Selke Unit reflects breaking (rift stage) and disintegration (start of drifting) of a terrigenous carbonate shelf under the influence of an extensional tectonic regime within the Rhenish trough: (1) Early Emsian carbonates (kitabicus Zone, Early excavatus Zone), which are attributed to neritic shallow-water environments, are obviously sediments of the internal shelf. They were partly deposited under highly agitated conditions and within reach of terrigenous discharge. (2) During Emsian time (excavatus to inversus Zone) rifting-related extensional tectonic activity caused the fragmentation of the continental lithosphere into several fault-bounded blocks and thus led to drowning of the terrigenous carbonate shelf. Often synchronous discharge of siliciclastics as well as anoxic conditions impaired carbonate production additionally. Over the downthrown blocks pelagic basins formed that give way to the allodapic sedimentation of Flinz Limestones (anoxic drowning). The tops of slightly foundered fault blocks remained in shallow subtidal water and became Pelagic Carbonate Platforms, which host increasingly condensed successions of the continuing Herzyn Limestone accumulation (starved drowning). From late Emsian (inversus Zone) to middle Givetian (varcus Zone) the gradual change from occasionally turbulent and euphotic settings of inner neritic areas to hemipelagic conditions of outer neritic areas reflects a continuous deepening upward trend in Herzyn Limestone sequences. (3) During late Givetian and early Frasnian (hermanni-cristatus Zone to jamieae Zone) further disintegration of the continental lithosphere enhanced the sharp topographic contrast between Pelagic Carbonate Platforms and intervening basins as well as gave rise to the birth of deeper water sedimentary basins. In Herzyn Limestones the extremely reduced accumulation of pelagic carbonates was repeatedly substituted by condensed phosphatic beds. (4) From middle Frasnian (jamieae Zone) more isolated Pelagic Carbonate Platforms, again hosting condensed pelagic successions, were separated by basins with locally abundant resedimented material. Interestingly, emersion is indicated by vadose diagenetic environments during middle Famennian (Late crepida Zone to Late marginifera Zone) suggesting that shelf break-up was virtually not followed by subsidence. The emergence or arriving of a peripheral bulge, as a response of the lithosphere to the convergence along the southeastern margin of the Rhenohercynian Zone, is discussed as possible reason for shallowing during that time. Eustatic sea-level fluctuation and global events are well recorded first of all in younger parts of the carbonatic succession. The onset of phosphorite formation during the late Givetian (varcus/hermannicristatus Zone) correlates with a distinct eustatic sea-level rise (Thaganic Event). The second phase of phosphorite formation also starts concurrently with a global transgression during early Frasnian (falsiovalis/transitans Zone) immediately subsequent to a distinct regression (Givetian-Frasnian Boundary Event). During the Late rhenana and linguiformis Zones the sapropelitic facies of Kellwasser Limestones repeatedly interrupted the condensed pelagic sedimentation of Herzyn Limestones (Late Frasnian Event and Frasnian-Famennian Boundary Event), which however did not result in lithofacial changes of the succession. Corrosive events during middle Famennian (Late crepida Zone to Late marginifera Zone) correspond with repeated sea-level falls (Condroz and Enkeberg Event). From late Emsian oceanic currents prevented permanent accumulation of carbonatic sediments, which is revealed by the onset of condensation in the Herzynn Limestones and the simultaneous beginning of allodapic resedimentation of Flinz Limestones. First of all, during the late Givetian and early Frasnian (hermanni-cristatus Zone to jamieae Zone) condensation and corrasion reached their maximum values. During that time, the extremely reduced net sedimentation of pelagic carbonates was repeatedly substituted by the formation of condensed phosphorites. The episodic control of relatively high hydraulic energy for sediment accumulation was presumably caused by strong geostrophic currents. On the other hand, current amplification probably resulting from the interaction between the sharp submarine topography of that time and (relatively sluggish) oceanic tides and currents should also be considered. At present Herzyn Limestones occur as apparently irregularly embedded components within olistostromatic resedimented rocks and as original elements of coherent units. Their primary depositional area was a domain of extended continental lithosphere (North Rhenian Sea) that was located to the northwest of the primary formation area of the Southharz and Selke Units (South Rhenian Ocean). Not until Tournaisian did flysch sediments reach this area.