Original paper

Schwermineralanalytische Dokumentation rhenoherzynischer Grauwacken -- ein Beitrag zur Liefergebjets-Interpretation

[Heavy mineral analyses of Rhenohercynian graywackes -- a contribution to the interpretation of the source areas.]

Ganssloser, Martin

Kurzfassung

Zur Dokumentation des Stoffbestandes der Liefergebiete -- die allgemein im Bereich der Mitteldeutschen Kristallinschwelle (MKS) lokalisiert werden -- werden die Schwerminerale der rhenoherzynischen Flysch-Grauwacken (Oberdevon-Namur) des Harzes, des Rheinischen Schiefergebirges sowie die Werra- und Flechtinger Grauwacke analysiert. Erstmalig wird die mit der Mikrosonde analysierte Mineralchemie detritischer Granate, Amphibole, Hellglimmer, Spinelle und Klinopyroxene dargestellt sowie ein Teil der Proben zirkontypologisch sowie röntgenographisch ausgewertet. Das Schwermineralspektrum der Klastika umfaßt in variierenden Anteilen Zirkon, Rutil, Turmalin, Apatit, Granat, Epidot und opake Minerale; untergeordnet bis vereinzelt kommen Amphibol, Titanit, Anatas, Klinopyroxen sowie Sillimanit, Disthen, Spinell und Korund vor. Die seltenen, zumeist nicht überwachsenen Glaukophan- und Crossit-Bruchstücke dokumentieren für das Liefergebiet eine Hochdruck-Niedrigtemperatur-Metamorphose (>5,5 kbar), die offenbar frühvariszisch im Frontbereich der Mitteldeutschen Kristallinschwelle (MKS) begann und von einer raschen Exhumierung der Blauschiefer gefolgt wurde. Auch weisen einige Hellglimmer hohe Si-Werte (bis 3,6 p.f.u.) auf, die eine Bildung unter Hochdruckbedingungen dokumentieren. Hingegen stellt die Mehrzahl der übrigen analysierten Amphibole Magnesio-Hornblenden und Tschermakite dar, die wahrscheinlich überwiegend von Amphiboliten herzuleiten sind. Auf der Grundlage der Mineralchemie ist eine vorrangige Herkunft der Cr-Al-Spinell-Bruchstücke (u.a. Picotit) aus alpinotypen Peridotiten zu vermuten. Spinelle gleicher Zusammensetzung werden erstmalig in den Stieger Schichten (Givetium, Ostharz-Decke) nachgewiesen und verweisen auf den Abtrag prä-mitteldevonischer Peridotite. Die Pyroxene weisen zumeist eine Diopsid-betonte Zusammensetzung auf und sind wahrscheinlich magmatischen Ursprungs. Die wesentlich häufigeren Granate sind überwiegend Almandin-betont; diese sind gemäß einer an Metapeliten aufgestellten Gliederung vorwiegend amphibolitfaziellen Metamorphiten der Disthen- bis Sillimanitzone zuzuordnen. Die Pyrop-Gehalte nehmen im Mittel mit dem Sedimentationsalter der Sandsteine (Givet-Namur) ab. Im Rheinischen Schiefergebirge sind Spessartin-reiche?magmatogene Granate häufiger als im Harz. Außer seltenen Gneis-Komponenten wurden keine Lithoklasten höhergradiger Metamorphite oder von Ultrabasiten nachgewiesen. Offenbar wurden die zugehörigen Ausgangsgesteine bis in den Kornbereich fragmentiert: jedoch unterlagen diese keiner mehrfachen Aufbereitung. Das Lithoklastenspektrum wird bestimmt durch Magmatite saurer bis basischer Zusammensetzung sowie niedriggradige Parametamorphite und feinklastische Sedimente. Die häufig überwiegende Abtragung saurer Magmatite wird darüber hinaus durch idiomorphe Zirkon-Kristalle sowie Apatit-, Turmalin- und Titanit-Körner in der Schwermineralfraktion dokumentiert. Schwermineral- und Lithoklastenspektrum der Grauwacken verweisen auf ein Liefergebiet mit heterogenem Stoffbestand, der durch unterschiedliche p-T-Bedingungen charakterisiert ist. Es besteht lediglich eine geringe stoffliche Übereinstimmung des Detritus mit Lithotypen der heutigen MKS; zudem ist aufgrund der Altersdaten eine Korrelation mit den Grauwacken-Schüttungen problematisch. Die Ausgangsgesteine des übrigen Detritus, die ihre tektono-metamorphe Prägung wahrscheinlich vorwiegend prävariszisch (?cadomisch) erhielten, wurden offenbar vollständig abgetragen und/oder im weiteren Verlauf der Orogenese tektonisch unterdrückt; d.h. das Liefergebiet war großräumiger und im Stoffbestand heterogener aufgebaut als der heutige Ausstrich der MKS.

Abstract

The flysch graywackes (Upper Devonian-Namurian) of the Rhenohercynian zone of the Mid-European Variscides were investigated with special regard to heavy mineral analysis in order to obtain informations about the lithological composition and the geodynamic evolution of the source areas, which are generally supposed to be located in the area of the Mid German Crystalline Rise (MGCR). Besides of preflysch sandstones of the Stiege beds (Givetian, East Harz nappe), which are the oldest sandstones in the Harz Mts. derived from the MGCR, samples were taken especially from Upper Devonian-Lower Carboniferous graywackes of the Harz Mts. Further samples are from graywackes of the Werra and Giessen nappes (Upper Frasnian-?Lower Carboniferous), which are correlated with the East Harz nappe, from Upper Devonian-Namurian graywackes of the Rhenish Massif and from Namurian graywackes of the Flechtingen High. The chemistry of detrital garnets, amphiboles, white micas, chromian spinels and clinopyroxenes is investigated by microprobe analysis. In addition, heavy mineral spectra are determined and a part of the samples is typified by zircon typology analysis and XRD. The heavy mineral spectra contain zircon, rutile, tourmaline, apatite, garnet, epidote and opaque minerals in various amounts; accessory minerals are mica, amphibole, titanite, anatase, clinopyroxene, sillimanite, kyanite, chromian spinel and corundum. Single grains of detrital glaucophane and crossite were proven, documenting a low-temperature/high-pressure metamorphism in the source area (>5.5 kbar) which started obviously in an Early Variscan period in the frontal area of the MGCR, followed by rapid exhumation of the blueschist facies source rocks. In addition, some white mica yield high Si-values (up to 3.6 p.f.u) documenting a formation under high-pressure conditions. However, the majority of analyzed amphiboles are magnesio-hornblendes and tschermakites which are likely to be derived mainly from amphibolites. Based upon the chemical composition the majority of the detrital Cr-Al-spinels (e.g. picotite) are derived from Alpine-type peridotites. Spinels of equivalent composition are also analyzed in the Stiege beds and prove an erosion of pre-Givetian peridotites. Pyroxene is mainly diopside-rich and is likely to have a magmatic origin. The majority of detrital garnet, which is much more frequent, is of almandine-rich composition. It can be derived mainly from amphibolite facies rocks of the kyanite to sillimanite grade. The pyrope contents decrease with decreasing stratigraphic age of the graywackes; in the Rhenish Massif spessartine-rich?magmatic garnets are more frequent than in the Harz Mts. Besides of rare gneisses, lithic fragments of high grade metamorphic rocks, blueschists or peridotites were not detected. Obviously, these source rocks were fragmented into single grains, but not multiply reworked. The spectrum of lithic fragments is dominated by acid to basic magmatic rocks, low grade para-metamorphic rocks and clastic sedimentary rocks. The dominating erosion of acid to intermediate magmatic rocks is also documented by euhedral zircon crystals and grains of apatite, tourmaline and titanite. Lithic fragments and heavy minerals demonstrate that the source area was of heterolithic composition with source rocks formed under different p-T conditions. Only a partial lithological correspondence of the detritus with rocks of the present MGCR outcrops exists, moreover, a correlation is also problematic due to the radiometric cooling ages of the MGCR which are too young. The source rocks of the remaining detritus which covered presumably only small areas and which are likely to be formed mainly in pre-Variscan (?Cadomian) times were obviously completely eroded and/or downfaulted during later stages of the Variscan orogeny. Therefore, the source area obviously comprised a larger area and was more heterolithic than the present outcrops of the MGCR.

Keywords

RhenohercynianflyschgraywackeUpper DevonianLower CarboniferousNamurianheavy mineralsmineral assemblageschemical analysesmetamorphic faciesp-T conditionscrystalline rockssource areas (Mid German Crystalline Rise)paleogeography Rhe