Original paper

Sandstone provenance as a sensitive indicator of plate tectonic processes in the Caledonian convergent margin, Southern Scotland

Thiel, Stefan; Behrmann, Jan H.; Schumacher, John

Kurzfassung

Die Sedimentgesteine der Southern Uplands und des Ballantrae-Ophiolithkomplexes in SW-Schottland waren im Ordovizium und Silur Teile eines konvergenten Plattenrandes. Wir berichten hier über die Ergebnisse einer Herkunftsanalyse an klastischen Sedimenten beider tektonischer Einheiten. Ziel war es, die tektonische Stellung der Herkunftsgebiete zu bestimmen und Prozesse der Wiederaufarbeitung von Sedimenten zu erhellen. Die Sandfraktion von Grauwacken und Sandsteinen der sedimentären Bedeckung des Ballantrae-Ophiolithkomplexes stammt aus magmatischen Gesteinen eines Orogens, in dem ältere Gesteinskomplexe wiederaufgearbeitet worden sind ("recycled orogen"). Je jünger die Sedimentgesteine sind, desto reifer ist ihre Zusammensetzung. Wir sehen in dieser Tatsache einen Ausdruck kontinuierlicher Aufarbeitung und Resedimentation in einem tektonisch aktiven Meeresbecken. Die Sandfraktion ordovizischer Grauwacken aus dem Akkretionskeil der Southern Uplands stammt von einem Inselbogen mit vorherrschend Vulkaniten. Dieser Befund wird durch die Zusammensetzung detritischer Klinopyroxene unterstützt, die bei den Vulkaniten des Liefergebietes Rückschlüsse auf kalkalkalische bis tholeiitische Magmen erlauben. Die Sandfraktion der post-orogenen Sandsteine des Old Red ist dagegen aus einem stabilen Kontinentalbereich geliefert worden. Allgemein zeigen wir mit dieser Studie, daß die Zusammensetzungen der Sandfraktion grobklastischer Sedimente sensible Indikatoren auch für kleine Änderungen im tektonischen Rahmen fossiler Plattenränder sein können.

Abstract

The sediments of the Southern Uplands and the Ballantrae Ophiolite Complex formed part of an Ordovician-Silurian convergent plate margin in SW Scotland. Sediments from both tectonic units and the unconformably overlying Old Red sandstones were analysed to constrain source environments and elucidate processes of sediment recycling in a fossil convergent margin setting. Sand size fractions in greywackes and sandstones from the sedimentary cover of the Ballantrae Ophiolite Complex have "recycled orogen" provenance, with a strong bias towards magmatic source rocks. Compositional maturity increases with decreasing age. This probably relates to continuous recycling and resedimentation in a tectonically active basin. Ordovician greywackes from the Southern Uplands accretionary wedge were derived from a volcanic island arc. This is corroborated by the compositions of detrital clinopyroxenes that point to a mixed calc-alkaline and tholeiitic signature. The post-orogenic Old Red sandstone is derived from a cratonic setting. In our study we show that coarse clastic sediments preserve a record which is extremely sensitive even to minor changes in the framework of fossil plate tectonic systems.

Keywords

Caledonidesconvergent plate marginsandstonesgraywackesOrdovicianSilurianpetrographic analysismineral compositionprovenanceisland arcscraton Southern UplandsBallantrae complexScotland