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Karoo Synrift-Sedimentation und ihre tektonische Kontrolle am entstehenden Kontinentalrand Namibias

[Karoo synrift-deposition and its tectonic control at the evolving continental margin of Namibia]

Stollhofen, Harald

Zeitschrift der Deutschen Geologischen Gesellschaft Band 149 Heft 4 (1999), p. 519 - 632

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published: Mar 19, 1999

DOI: 10.1127/zdgg/149/1999/519

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ArtNo. ESP171014904004, Price: 15.00 €

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Kurzfassung

Untersuchungen passiver Kontinentalränder konzentrieren sich meist auf den Kontinentalschelf, da die vor dem Auseinanderdriften der Kontinente abgelagerten Riftsedimente auf dem Festland oft nur unvollständig konserviert sind. Die Analyse der synsedimentären Störungsaktivität, des Sedimentationsstils und der Faziesarchitektur der Synrift-Sedimente im Onshore-Bereich birgt jedoch das Potential, wichtige Informationen, insbesondere zu den sehr frühen Phasen intrakontinentalen Riftings, zu überliefern. Im Falle des namibischen Kontinentalrandes offenbart sich für den später vom Südatlantik eingenommenen Bereich eine Extensionsgeschichte, die bereits im Permokarbon, d. h. 160 Ma vor der späteren Ozeanisierung zur Zeit der Unterkreide, begann. Dieses im Permokarbon einsetzende Karoo-Rifting stellt das erste regional bedeutende tektonische Ereignis im südlichen Afrika nach dem Ausklingen des spät-proterozoischen panafrikanischen Orogenzyklus dar. Die initiale plattentektonische Kontrolle über die Karoo-Beckenentwicklung kann im Zusammenhang mit dem aktiven Samfrau-Kontinentalrand im Süden Gondwanas gesehen werden, auf den die Bildung des Großen Karoo-Vorlandbeckens, vor dem nach Norden vorrückenden Cape Fold Belt, zurückzuführen ist. Die linearen NW-SE-, N-S- und N E-SW-streichenden Graben- und Halbgrabenstrukturen des südlichen und insbesondere südöstlichen Afrika definieren hingegen intrakontinentale Rifts, die durch multiple Aktivitätsphasen von Extensions-Bruchsystemen und durch hohe Extensionsbeträge charakterisiert sind. Der Raum, der den heutigen Kontinentalrand Namibias bildet, entwickelte während seiner langanhaltenden Geschichte eine tektonische Zonierung die, von Westen nach Osten, eine Reihe bedeutender Strukturelemente beinhaltet: (a) Die zentrale, NW-SE- bis NNW-SSE-streichende Riftbecken-Depression, die sich später auftrennt, um einen kontinentalen Schelf zu bilden; (b) eine daran angrenzende Riftschulter, welche ausgeprägter thermischer Heraushebung unterlag; (c) eine Kippschollenzone, die von einem größeren krustalen Abscherhorizont mit westwärtigem Abschiebungscharakter unterlagert ist, und weiter zum Landesinneren (d) den relativ stabilen, kratonischen, kontinentalen Internbereich. Annähernd orthogonal zum Streichen der Riftachse orientiert, sind mehrere Kilometer breite NE-SW-streichende Störungsscharen mit Blattverschiebungscharakter ausgebildet. Sie werden als Transfer-Störungszonen gedeutet, denen eine Scharnierfunktion zwischen den sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten und mit variierenden Beträgen aufweitenden Segmenten der Riftzone zukommt. Auch während des Übergangs zum Driftstadium kontrollierten sie die sukzessive nordwärtige Spreizung und Ozeanisierung der Riftzone und wurden in der Folgezeit als kontinentale Fortsätze ozeanischer Transforms reaktiviert. Beispiele solcher langlebigen Schwächezonen stellen die Karasburg-Orange- und die Waterberg-Omaruru-Störungszone im südlichen und zentralen Namibia dar; für die Umgebung des Walfisch-Rückens im Norden Namibias läßt sich hingegen keine prä-ozeanische Aktivität nachweisen. Der Verlauf der Waterberg-Omaruru-Störungszone wird zudem durch zahlreiche kretazische Post-Karoo-Intrusivkomplexe nachgezeichnet, deren Platznahme während und nach der Ozeanisierung des an die Störungszone angrenzenden Beckensegments erfolgte. Die in Namibia überlieferte vulkano-sedimentäre Abfolge des höheren Paläozoikums und Mesozoikums beinhaltet insgesamt zwei mächtige Einschaltungen von Flutbasalt-Sequenzen: die unterjurassischen Kalkrand- und die unterkretazischen Etendeka-Flutbasalte. Ablagerungen mariner und terrestrischer Sedimentationsräume registrieren fortschreitende klimatische Veränderung in einer Zeitspanne, die von permokarbonen glazigenen Milieus bis zu Halbwüstenbedingungen während des Jura und der Unterkreide reicht. Dieses Gesamtprofil kann aufgrund von mehreren 10er Ma umfassenden Erosionsdiskordanzen in jeweils eine (1) permokarbone, (2) triassisch-jurassische und (3) kretazische Megasequenz gegliedert werden. Vergleiche mit den vollständiger überlieferten Profilen im südamerikanischen Paraná-Becken sowie den Karoo-Becken in Botswana und Südafrika verdeutlichen die im Bereich der Riftzone und des späteren Kontinentalrandes abweichenden Profilmächtigkeiten, Bildungsmilieus und Transportrichtungen von Sedimenten. Während der Ablagerung der permokarbonen Megasequenz erzielte die oben dargelegte tektonische Zonierung noch nicht ihren maximalen Ausdruck. Dennoch lassen sich die NW-SE- bis NNW-SSE -streichende Riftschulter und das angrenzende Riftbecken bereits nachweisen. Die Riftschulter trennt während der Ablagerung der Dwyka-Gruppe die über die Grenzen von Namibia, Botswana und Südafrika hinweg nach Westen gerichteten Eistransportrichtungen von südwärtigen Eistransportrichtungen, die westlich der Riftschulter, entlang des juvenilen, intrakontinentalen Riftbeckens auftreten. Orthogonal zu dem Riftbecken wurden tief eingeschnittene U-förmige Glazialtäler angelegt, durch die Talgletscher ihren Schutt nach Westen, in die Depression des Riftbeckens transportierten. Die darauffolgende postglaziale Fazies mit den ausgedehnten Deltakomplexen der Ecca-Gruppe progradierte in südsüdöstlicher Richtung, parallel zur Achse des Riftbeckens. Vorstöße mariner Transgressionen in den Intrakontinentalbereich erfolgten vorrangig nordnordwestwärtig und zeichnen südlich der Waterberg-Omaruru-Störungszone bereits die spätere Bruchlinie zwischen Südamerika und Afrika nach. Nördlich der Störungszone folgten sie hingegen dem bis nach Nordbrasilien/Guayana nachweisbaren NW-SE-Trend eines Riftastes, dessen Weiterentwicklung nach der einem N-S-Trend obliegenden Ozeanisierung des nördlichen Südatlantik unterbrochen wurde. Die Aktivität der Riftflanken äußerte sich während des Perm insbesondere in der Ausbildung von Faziesgürteln, die parallel zur Achse eines langgestreckten, in der Riftbecken-Depression lokalisierten Meeresarmes verlaufen. Die triassisch-jurassische Megasequenz ist durch eine ausgeprägte thermische Heraushebung der Riftschultern und die Eruption von Flutbasalten charakterisiert. Kontinentale Ablagerungsräume bestanden während der Bildung der gesamten Sequenz. Sie beinhalten während der Ablagerung der Beaufort-Gruppe weiträumige, verflochtene Flußsysteme und während der Ablagerung der Stormberg-Gruppe flache alkalische Seen, die von ausgedehnten Dünenfeldern umgeben waren. Die beschleunigte Heraushebung der Riftschulter dokumentiert sich in den gegenüber den kontinentalen Internbereichen reduzierten Profilmächtigkeiten der gesamten Abfolge und ihre auf lokale, störungsgebundene Sedimentfallen in der Hangendscholle beschränkte Konservierung. Ferner bildete die Riftschulter ein nach Osten gerichtetes Drainagesystem aus und fungierte fortan als lokaler Lieferant für die in Konglomerathorizonten verflochtener Flußsysteme anzutreffenden Grundgebirgs-Klasten. Transfer-Störungen gewannen zunehmend an Bedeutung und waren sowohl mit rasch absinkenden Pull-apart-Becken und Halbgräben als auch mit transpressiven Basementrücken und lokalen Überschiebungen assoziiert. Die Eruption voluminöser unterjurassischer Flutbasalte der Drakensberg-Gruppe beschloß diese Extensionsperiode. In den Inter-Eruptionsphasen bestanden die bereits während der Stormberg-Gruppe aktiven Sedimentationsmilieus weiter und bildeten fluviolakustrine, von weiträumigen Dünenfeldern eingerahmte Ablagerungsräume. Die kretazische Megasequenz beinhaltet die Effusion von Flutbasalten und quarzlatitischen Rheoignimbriten der Parana-Etendeka-Provinz sowie das schrittweise nordwärtige Aufreißen des Südatlantik. Die Ozeanisierung setzte in dem Riftsegment südlich der Karasburg-Orange-Störungszone spätestens an der Wende Valanginien/Hauterive mit der magnetischen Ozeanbodenanomalien M10 ein und schritt, spätestens mit Anomalie M4, während des frühen Barrême nach Norden bis zum Walfisch-Rücken voran. Das nach dem Auseinanderdriften der Kontinente veränderte Erosions-Basisniveau und das durch isostatische Heraushebung der ehemaligen Riftflanken ausgeprägte Relief bewirkten eine intensive Abtragung des neugebildeten Kontinentalrandes. Erst während der Oberkreide klang mit der einsetzenden Bildung der Namib-Wüste entlang des namibischen Küstensaums die Hauptphase der Erosion aus. Fortan beeinflußte die sowohl im Küsten- als auch im kontinentalen Internbereich wirksame thermische Subsidenz die Ausbildung zweier entgegengerichteter Drainagesysteme, die einerseits westwärts zum Atlantik und andererseits ostwärts zum Kalahari-Inlandbecken entwässern.

Abstract

Studies of passive continental margins usually concentrate on the continental shelf areas, because only an incomplete record of the pre­ breakup rift sediments is preserved in the onshore areas. However, the analysis of synsedimentary faulting, depositional style and facies architecture of onshore synrift sediments potentially bears im­ portant information, particularly of the very early phases of intracontinental rifting. In the case of the Namibian continental margin an extensional history is preserved within the region which developed into the South Atlantic Ocean that started as early as in the Permo-Carboniferous, i.e. 160 Ma prior to oceanic onset during early Cretaceous tim es. This onset of Karoo rifting during the Permo­Carboniferous represents the first regionally significant tectonic event in southern Africa since the late Proterozoic Pan-African orogenic cycle. The initial plate tectonic control on Karoo basin development may be related to the Samfrau active margin S of Gondwana, which developed the Main Karoo foreland basin in front of the northward advancing Cape Fold Belt. In contrast, the NW-SE, N-S and NE-SW trending linear graben and halfgraben structures of southern, and in particular of south­eastern Africa, define intracontinental rift systems which are characterized by repeated activity of extensional fault systems and incremental ß-factors. During its long-lived history the area, that was to become the present Namibian continental margin, developed a tectonic zonation comprising, from west to east, four important structural elements: (a) the central NW-SE to NNW-SSE trending rift valley depression that divided to initiale a continental shelf; (b) an adjacent rift shoulder that underwent pronounced thermal uplift; (c) a rotational block faulted zone floored by a major down-to-the-west breakaway-detachment; and farther inland (d) the relatively stable cratonic continental interior. Perpendicular to the strike of the rift zone NE-SW trending bundles of strike slip faults occuring over several km width, are developed. These can be interpreted as transfer faults, accommodating the variable timing and variable amounts of extension within individual segments of the rift structure. During the transition to continental drift they controlled the successive northward unzippering and oceanic onset within the rift zone and finally became reactivated as continental continuations of oceanic transforms. In southern and central Namibia, the Karasburg-Orange and the Waterberg­Omaruru fault zone provide examples of such long­ lived zones o f structural weakness; on the contrary no pre-oceanic activity can be recognized in the vicinity of the Walvis Ridge in northern Namibia. The Waterberg-Omaruru fault zone also became the preferred loci of Cretaceous intrusive post-Karoo complexes associating and following oceanic onset of the basin segment bordered by the fault zone. The Upper Palaeozoic and Mesozoic volcano- sedimentary succession preserved in Namibia includes two thick intercalations of nood basalt sequences: The Early Jurassic Kalkrand and the Early Cretaceous Etendeka flood basalts. Deposits of marine and terrestrial environments record progressive climatic change during a time span lasting from Permo-Carboniferous glacigenic to Jurassic and Lower Cretaceous semi-desert conditions. The whole succession subdivides naturally into (1) the Permo-Carboniferous, (2) the Triassic-Jurassic and (3) the Cretaceous megasequences, which are separated by major erosional unconformities each lasting several tens of Ma. Comparison with the more completely preserved sections of the South-American Paraná Basin and Karoo Basins in Botswana and South Africa reveals contrasting stratal thicknesses, depositional environments and trans­ port directions of sediments in the rift zone area and the developing continental margin. During the Permo-Carboniferous megasequence the tectonic zonation outlined had not achieved its maximum expression. However, the NW-SE to NNW-SSE striking rift shoulder and the adjacent rift basin already can be traced. During Dwyka Group deposition the rift shoulder separated westerly ice movement directions across the Namibian, Botswanan and South African borders from southward directed ice transport directions occurring to the west of the shoulder within the juvenile intracontinental rift basin. Deeply incised glacially U-shaped valleys were excavated orthogonally to the rift basin along which mountain glaciers trans­ ported debris westward into the rift basin depres- sion. Succeeding post-glacial facies including major delta complexes of the Ecca Group advanced to the SSE, parallel to the rift basin axis. The directions of marine transgressions into the intracontinental area preferentially extended NNW-wards and already traced the future zone of breakup between Africa and South America south of the Waterberg-Omaruru fault zone. In contrast, north of the fault zone they traced as far north as Northern Brazil/Guayana the NW-SE trend of a structure that was to become a failed rift after northern South Atlantic Oceanic onset had preferred a N-S direction. The activity of the rift flanks is reflected particularly by the formation of facies belts, that parallel the axis of the adjacent elongate marine seaway located in the rift valley depression. The Triassic-Jurassic megasequence is characterized by pronounced thermal uplift of the rift shoulders and by eruption of flood basalts. Continental depositional environments prevailed through the entire sequence including widespread braided streams during Beaufort Group deposition and shallow alkaline lakes fringed by extensive aeolian dune fields during Stormberg Group deposition. The enhanced uplift of the rift shoulder at this time is emphasized by the way in which the entire sequence becomes reduced and preserved only in local fault-bounded traps, as the succession is traced from the continental interior towards the rift shoulder. The rift shoulder also initiated east­ wardly directed drainage systems and provided a local source for basement clasts found in braided nuvial conglomerate horizons. Transfer faults became increasingly important and were associated with rapidly subsiding pull-apart and halfgraben basin structures as well as transpressional basement ridges and local thrust faults. Tue eruption of the voluminous Early Jurassic Drakensberg Group nood basalts terminated this extensional period. During inter-eruptive phases the depositional environments, which had already been active during the Stormberg Group, persisted thus form­ ing nuviolacustrine environments fringed by extensive aeolian dune fields. The Cretaceous megasequence comprises the effusion of nood basalts and quartzlatitic rheoignimbrites of the Paraná-Etendeka province and the stepwise northward unzippering of the South Atlantic Ocean. Oceanic onset started, at the latest, with seanoor anomaly M 10 at Valanginian/Hauterivian times in the rift segment S of the Karasburg-Orange transform and propagated as far northwards as the Walvis Ridge, at the latest, with seafloor anomaly M4, which is of early Barremian age. Following continental breakup base level change and pronounced relief caused by isostatic uplift of the former rift nanks initiated significant denudation of the newly formed continental margin. The main phase of erosion ceased by Late Cretaceous times, when the extensive Namib sand sea started to develop in the Namibian coastal areas. From then on thermal subsidence both in the coastal and the continental interior areas innuenced opposite drainage system development flowing either westwards towards the Atlantic or eastwards into the Kalahari interior basin.

Keywords

Gondwana • Karoo • Dwyka Group • Ecca Group • Stormberg Group • Drakensberg Group • syn­rift deposition • basin analysis • continental breakup • rifting • passive margin • transfer faults • Africa • Namibia • Karoo Basin • Huab Basin • Aranos Basin • Waterberg Basin.