Original paper

Petrography and origin of altered Carboniferous-Permian fallout ash tuffs in SW-Germany

[Petrographie und Herkunft alterierter karbonisch-permischer Aschenfalltuffe in SW-Deutschland.]

Königer, Stephan; Lorenz, Volker

Abstract

Thin, but laterally widespread fallout ash tuff layers interbedded within complex fluviolacustrine successions of the Carboniferous-Permian late-Variscan intermontane Saar-Nahe Basin in SW-Germany provide important tephrostratigraphic markers in the purely continental depositional basin setting. These tuff beds can be used for stratigraphic correlations. The heavily altered tuff horizons of the Meisenheim Formation (Glan Group, former `Lower Rotliegend') consist mainly of a micro- to cryptocrystalline quartz-kaolinite matrix which still comprises up to 20 vol% primary volcanic minerals like quartz splinters, feldspars, biotite, and heavy minerals as well as relict structures of former glass shards. Quartz splinters, sanidine, pseudohexagonal biotites, and euhedral zircons document the volcanic origin and pyroclastic nature of the formerly largely vitric tuffs. Their general mineralogical composition including the heavy-mineral assemblage biotite-zircon-apatite-tourmaline-monazite-xenotime implies an ash origin from rhyolitic-rhyodacitic host magmas. Minor occurrence of sphene (titanite), mainly green hornblende, and rutile suggests some slight participation of intermediate magmas. Inclusionfree euhedral muscovite phenocrysts with minor marginal corrosion are considered to be of primary magmatic origin. Abundant splintery, mainly sharpedged garnet grains in primary tuff deposits also seem to represent a primary magmatic component. After ash deposition, the quartz-kaolinite matrix of the tuffs formed by devitrification, decomposition and kaolinization of the silicic volcanic material under humid,(sub)tropical climates in a well-drained fluvio-lacustrine environment. In general, three groups of tuffs can be distinguished mineralogically: (1) Quartz- and kaoliniterich tuff samples with varying feldspar contents form the largest group.(2) A small group comprises analcime-bearing samples with only a minor kaolinite content. (3) The smallest group consists of `hygrophyllite-'respectively rectorite-bearing samples. Significant petrographic differences among individual tuff horizons could not be recognized. However, some distinctive features between tuffs of different subformations were observed.Towards higher stratigraphic positions,generally increasing zircon contents occur. Monazite and garnet contents are higher within tuffs of the stratigraphically lower Jeckenbach Subformation than of the overlying Odernheim Subformation. In contrast, sphene and tourmaline occur more often in tuffs of the Odernheim Subformation. These mineral distributions can be used for the stratigraphic classification of a tuff within one of the subformations,thus enabling general lateral correlations. The heavy-mineral assemblage of the tuffs differs significantly from that of the adjacent siliciclastic sediments. The tuff horizons have distinctly higher contents of zircon, monazite, sphene, and hornblende whereas the sandstones contain higher proportions of rutile, tourmaline, garnet, and anatase. In contrast to the sandstones, allanite does not occur in the tuffs at all. These observations allow a reliable distinction between the pyroclastic and siliciclastic deposits. Stratigraphic correlations of individual tuff layers based solely on petrographic features are difficult. However, a combination with geochemical, radiometric, litho- and biostratigraphic aspects allows very useful tephrostratigraphic correlations within the Saar-Nahe Basin, to other contemporaneous basins, and to possible source regions of the ashes. Due to the age of the examined tuffs of about 297 Ma, landmarks like ancient volcanoes which could give hints to possible source areas of the ashes do not exist anymore. Petrographic comparisons between the tuff horizons and possibly related plutonic and volcanic rocks nevertheless can help to suggest potential source regions. Lateral grain-size distributions of zircon, quartz splinters, apatite, and biotite indicate transport directions of the wind-driven ash clouds towards north and thus the localisation of source areas somewhere to the south of the Saar-Nahe Basin. The petrographic composition of the rhyoliticrhyodacitic Saar-Nahe tuffs shows strong affinities to Variscan S-type granitoids.The presence of biotite,primary muscovite,and abundant monazite further suggests an affiliation to highly differentiated twomica granites and rhyolites.In consideration of grain-size aspects and strong compositional affinities,and due to their location and distance to the Saar-Nahe Basin,especially the Black Forest (SWGermany) and the Vosges (E-France) are considered to represent the most likely source regions.Further petrographic comparisons suggest that the volcanic ashes erupted in the central and northern Black Forest and the northern Vosges at 100 - 150 km distance south of the Saar-Nahe Basin. This of course also applies to adjacent,geotectonically equivalent regions that are now covered by post-Palaeozoic strata.

Kurzfassung

Geringmächtige, aber lateral weit verbreitete Aschenfalltuffe, die in komplex aufgebauten fluvio-lakustrinen Abfolgen des karbonisch-permischen, spätvariscischen, intermontanen Saar-NaheBeckens in SW-Deutschland eingelagert sind, stellen wichtige tephrostratigraphische Leithorizonte im rein kontinentalen Ablagerungsmilieu dar. Diese Tuffe können für stratigraphische Korrelationen genutzt werden. Die stark alterierten Tuffhorizonte der Meisenheim-Formation (Glan-Gruppe, früheres "Unterrotliegend") bestehen hauptsächlich aus einer mikrobis kryptokristallinen Quarz-Kaolinit-Matrix, die noch bis zu 20 Vol.-% primäre vulkanische Minerale wie Splitterquarze, Feldspäte, Biotit und Schwerminerale sowie Reliktstrukturen früherer Glasscherben enthält. Splitterquarze, Sanidin, pseudohexagonale Biotite und idiomorphe Zirkone dokumentieren den vulkanischen Ursprung und die pyroklastische Natur der ehemals größtenteils vitrischen Tuffe. Ihre allgemeine mineralogische Zusammensetzung einschließlich der Schwermineralassoziation BiotitZirkon-Apatit-Turmalin-Monazit-Xenotim weist auf eine Abstammung der Aschen von rhyolithischrhyodazitischen Magmen hin. Geringe Gehalte an Titanit, meist grüner Hornblende und Rutil deuten eine untergeordnete Beteiligung intermediärer Magmen an.Einschlußfreie idiomorphe Muskovite mit geringer randlicher Korrosion werden als primär magmatisch eingestuft.Häufig auftretende, splittrige, meist scharfkantige Granatkörner in primären Tuffablagerungen scheinen ebenfalls primär magmatische Komponenten darzustellen. Nach der Ablagerung der Aschen bildete sich die Quarz-KaolinitMatrix der Tuffe durch Entglasung, Zersetzung und Kaolinisierung des sauren vulkanischen Materials unter humidem, (sub)tropischen Klima in einem gut entwässerten fluvio-lakustrinen Milieu. Im Allgemeinen können drei Tuff-Gruppen mineralogisch unterschieden werden: (1) Quarzund Kaolinit-reiche Tuffproben mit schwankenden Feldspatgehalten bilden die größte Gruppe.(2) Eine kleine Gruppe von Proben umfasst Analzim-haltige Proben mit nur geringem Kaolinitanteil.(3) Die kleinste Gruppe besteht aus "Hygrophyllit-" bzw. Rectorit-führenden Proben. Eindeutige petrographische Unterschiede zwischen einzelnen Tuffhorizonten konnten nicht ermittelt werden.Dafür wurden einige Unterscheidungsmerkmale zwischen Tuffen stratigraphisch verschiedener Abfolgen beobachtet. Zum Hangenden hin treten im Allgemeinen zunehmend höhere Zirkongehalte auf. Monazit- und Granatanteile sind in den Tuffen der stratigraphisch tieferen Jeckenbach-Subformation höher als in den Tuffen der darüberliegenden OdernheimSubformation. Im Gegensatz dazu kommen Titanit und Turmalin häufiger in den Tuffen der Odernheim-Subformation vor. Diese Mineralverteilungen können für die stratigraphische Zuordnung eines Tuffs zu einer der Subformationen genutzt werden,was generelle laterale Korrelationen ermöglicht. Die Schwermineralzusammensetzung der Tuffe unterscheidet sich deutlich von der der benachbarten Sandsteine.Die Tuffe haben deutlich höhere Gehalte an Zirkon,Monazit,Titanit und Hornblende,während die Sandsteine höhere Anteile von Rutil, Turmalin, Granat und Anatas aufweisen. Im Gegensatz zu den Sandsteinen enthalten die Tuffe keinen Allanit. Diese Beobachtungen erlauben eine verlässliche Unterscheidung zwischen pyro- und siliziklastischen Ablagerungen. Rein auf petrographischen Merkmalen basierende stratigraphische Korrelationen einzelner Tufflagen sind schwierig. Eine Kombination mit geochemischen, radiometrischen, litho- und biostratigraphischen Aspekten ermöglicht aber sehr nützliche tephrostratigraphische Korrelationen innerhalb des Saar-Nahe-Beckens, zu anderen gleichalten Becken sowie zu möglichen Herkunftsregionen der Aschen. Unter Berücksichtigung des Alters der untersuchten Tuffe von etwa 297 Ma kann davon ausgegangen werden, dass keine gleichalten vulkanischen Strukturen, wie z.B.erloschene Vulkane, mehr erhalten sind, die Hinweise auf mögliche Herkunftsgebiete der Aschen geben könnten.Petrographische Vergleiche zwischen den Tuffhorizonten und möglicherweise verwandten magmatischen und vulkanischen Gesteinen können jedoch bei der Ermittlung potenzieller Herkunftsregionen helfen. Laterale Korngrößenverteilungen von Zirkon, Splitterquarzen, Apatit und Biotit zeigen einen nordwärts gerichteten Transport der windverdrifteten Aschenwolken und damit die Lage der Eruptionsgebiete südlich des Saar-Nahe-Beckens an. Die petrographische Zusammensetzung der rhyolithisch-rhyodazitischen Saar-Nahe-Tuffe zeigt starke Ähnlichkeiten zu variszischen S-Typ-Granitoiden auf.Darüberhinaus deutet das gemeinsame Auftreten von Biotit, primärem Muskovit und reichlich Monazit eine Verbindung zu hochdifferenzierten Zweiglimmer-Graniten und -Rhyolithen an. Unter Berücksichtigung von Korngrößenmerkmalen und starken Ähnlichkeiten in der Zusammensetzung sowie der Lage und Entfernung zum Saar-NaheBecken können insbesondere der Schwarzwald (Südwestdeutschland) und die Vogesen (Ostfrankreich) als wahrscheinlichste Eruptionsgebiete angenommen werden. Weitergehende petrographische Vergleiche deuten darauf hin,dass die vulkanischen Aschen im zentralen und nördlichen Schwarzwald sowie in den nördlichen Vogesen eruptierten, etwa 100 - 150 km südlich des Saar-Nahe-Beckens. Diese Annahme gilt natürlich auch für benachbarte, geotektonisch gleichartige Regionen, die heute von postpaläozoischen Ablagerungen überdeckt sind.

Keywords

distal ash fall tuffsCarboniferous-PermianSaar-Nahe BasinGlan Groupfluvio-lacustrine settingtephrostratigraphytexturespetrographic compositionheavy mineralsalterationeruption processestephra origin GermanySaar-Nahe region