Original paper

Der Beginn siliziklastischer Sedimentation im Altpaläozoikum des Saxothuringikums: Sedimentologie und Geochemie des Richtprofils Goldisthal (Thüringisches Schiefergebirge)

[Beginning of siliciclastic sedimentation in the Lower Paleozoic of the Saxothuringian: sedimentology and geochemistry of the type section Goldisthal (Thüringisches Schiefergebirge).]

Falk, Fritz; Hahne, Knut; Lützner, Harald; Gehmlich, Michael

Kurzfassung

Für die prävanszische Tektonostratigraphie des Saxothuringikums haben Grenzprofile von Proterozoikum und Altpaläozoikum großes Interesse, die jedoch nur an wenigen Stellen zur Verfügung stehen. Im Schwarzburger Antiklinorium des Thüringischen Schiefergebirges, im Typusgebiet des saxothuringischen Altpaläozoikums, schließt ein unikaler Schichtenschnitt bei Goldisthal eine durchgehende Abfolge vom höchsten Jungproterozoikum (Frohnberg-Gruppe) bis zum Altpaläozoikum (Goldisthaler Folge, Frauenhach- und Phycoden-Gruppe) auf. Auf der Grundlage einer verfeinerten Lithostratigraphie wurden sedimentologische, geochemische und radiometrische Daten gewonnen, die die Sedimentationsgeschichte der nahezu fossilleeren Schichtenfolge näher charakterisieren. Die Frohnberg-Gruppe entstammt einem mannen Becken, in das wenig verwitterter Detritus durch flyschähnliche, turbiditisch-pelitische Sedimentation eingebracht wurde. Im jüngsten Abschnitt indizieren Zn, Mn, V und Fe2+/Fe3+ eine Verflachung des marinen Milieus. Zur gleichen Zeit erreichten die abgelagerten Sande eine noch schwach ausgeprägte kompositionelle Reife, die auch die geochemisch sehr ähnlichen Basis-Schichten der Goldisthaler Folge besitzen. Die Unteren Schiefer der Goldisthaler Folge wurden in zunächst zunehmender, später wieder abnehmender Wassertiefe abgelagert. Dieser Trend leitet sich sowohl aus den Sedimentgefügen als auch aus milieu-indikativen Elementverteilungsmustern (Zn, Pb, Ni, Mo, Li) ab. Starker Anstieg von Al2O3/Na2O und hoher CIW-Index lassen auf warmes Klima im Liefergebiet schließen. Die Oberen Schiefer der Goldisthaler Folge, die mit einem gröberklastischen Horizont beginnen, wurden in zunehmend geringerer Wassertiefe unter dem Einfluß grundberührender Sturmwellen abgelagert. Ein markanter Eintrag saurer Vulkaniklastika beeinflußt die geochemischen Verteilungsmuster. Ein grundsätzlich höheres Energieniveau mit einer großflächigen Umverteilung hochmaturer Sande beginnt mit dem Unteren Frauenbach-Quarzit vor dem Hintergrund eines anfangs noch bestehenden vulkanischen Materialeintrags. -- Die neoproterozoischen Schiefer fallen im Diskriminanzdiagramm K2O/Na2O gegen SiO2 in das Feld eines aktiven Kontinentalrandes, jedoch ist dieser Schluß nicht zwingend, da der Natriumgehalt auch paläoklimatisch gesteuert wird. Die Nd-Werte und die REE-Verteilung sprechen gegen Sedimenteintrag aus einem Arc-Bereich. In der Frohnberg-Gruppe liegt ca. 20 m unter der Obergrenze eine sprunghafte positive Exkursion der 13Corg-Werte. Sie läßt vermuten, daß die Sedimentation der Frohnberg-Gruppe bis in das unterste Kambrium reicht. Auch die basalen Quarzite der Goldisthaler Folge können dieses Alter haben, da bisher gewonnene detritische Zirkone nicht jünger als unterkambrisch sind. Die Oberen Schiefer enthalten ebenso wie die Konglomeratische Arkose und der Blambach-Rhyolith der nördlich benachbarten Gebiete idiomorphe Zirkone mit Altern im Grenzbereich Oberkambrium\Tremadoc. Die Frage bleibt offen, oh die Unteren Schiefer mit geringen Sedimentationsraten das gesamte Kambrium repräsentieren oder oh an der Basis der Oberen Schiefer eine größere Sedimentationslücke vorliegt.

Abstract

There is a great interest in the pre-Variscan tectonostratigraphy of the Saxothuringikum and in particular in stratigraphic sections between the Proterozoic and the Lower Palaeozoic, which are however, only available in few places. In the type region of the Thuringian Lower Palaeozoic (Thüringisches Schiefergebirge, Schwarzburg Anticline), a unique road cut near Goldisthal exposes a continuous succession from the uppermost Proterozoic (Frohnherg Group) to Lower Palaeozoic formations (Goldisthal Formation, Frauenbach Group, Phycodes Group). Based on a refined lithostratigraphic subdivision, our sedimentological, geochemical and geochronological studies portray the sedimentary history of this nearly non-fossiliferous sequence. The Frohnherg Group originated in a marine basin which received scarcely-weathered detritus by flysch-type turbidite and pelite sedimentation. In the uppermost part (25 m) of the Group, a flattening marine environment is indicated by Zn, Mn, V and Fe2+/Fe3+ values. In the same interval the deposited sand reached maturity of less degree which also is true for the basal beds (Basis-Schichten) of the conformably overlying Goldisthal Formation. The Lower Slate Member was deposited in initially increasing and later on decreasing water depths. This is indicated by sedimentary structures and by specific elements (Zn, Pb, Ni, Mo, Li). High Al2O3/Na2O ratios and a high CIW index suggest a warm climate in the source area. The Goldisthal Upper Slate Member starts with a coarser clastic horizon. The deposition took place in decreasing water depth influenced by storm waves, which resulted in pronounced hummocky cross-stratification and graded bedding. The geochemical patterns are controlled by a prominent addition of acid tuffs. A clearly elevated energy level prevailed during the deposition of the Frauenbach Lower Quartzite Member, which was initially influenced by continual volcanic material influx. -- On a discriminance diagram showing K2O/Na2O ratio against SiO2 content, the Neoproterozoic slates plot in the field of active continental arcs. However, this interpretation is not conclusive because Na2O is also controlled by climate. The Nd values and REE patterns do not show evidence of influx from a magmatic arc. In the Frohnherg Group, 20 m below the upper boundary, there is a strong positive excursion of the 13Corg values. This suggests the Frohnberg Group extends into the lowermost Cambrian. The basal quartzites of the Goldisthal Formation may have the same age since detrital zircons measured so tar have ages not younger than Lower Cambrian. The Goldisthal Upper Slate Member of the investigated section as well as the conglomeratic arcose and the Blambach rhyolite in the northern adjacent district contain zircons with ages near the Cambrian to Tremadocian boundary. It remains open if the Lower Slate Member represents the whole Cambrian with a low rate of sedimentation or whether a large sedimentary hiatus exists between the Lower and Upper slates.

Keywords

Saxothuringian Orogenycross sectionsUpper ProterozoicCambrianOrdovicianlithostratigraphyPalaeozoicFrohnberg-GroupGoldisthaler SeriesFrauenbach-Groupsize distributionsandstonesiltstonegraywacketuffsedimentary structuresstrat