Geologie, Petrographie und Geochemie der Pyroklastika des

Geologische
Abhandlungen
Band
Hessen
92
Geologie, Petrographie und Geochemie der
Pyroklastika des Unteren Ems/Unter-Devon
(Porphyroide)
im siidlichen Rheinischen Schiefergebirge
Herausgabe
Hessisches
Landesamt
und Vertrieb
fur Bodenforschung,
Leberberg
9, 6200 Wiesbaden
Kurzfassung:
Unter dem Gesichtspunkt
der tephrostratigraphischen
Untergliederung
der monotonen
Schiefer-Serien des Unteren Ems des siidlichen Rheinischen Schiefergebirges (Taunus, Hunsriick) erfolgte
erstmals eine geologische, petrographische
und geochemische Untersuchung
der stratiform eingeschalteten
Pyroklastika (Porphyroide).
Die i. d. R. mehrere Meter machtigen Einschaltungen
sind durch eine grobe Gradierung mit haufigen
schichtigen und linsigen Einlagerungen im Top (unterschiedliche
Mengen- und GriiGenverhaltnisse
an pyround epiklastischen Bestandteilen) gekennzeichnet.
Durch Rutschungs- oder U mlagerungsvorgange
entstandene Strukturen treten bevorzugt im Top sowie an der Basis (quarzitische Banke) auf.
Die submarin abgelagerten Pyroklastika kiinnen yon subaerischen Ausbriichen abgeleitet werden und weisen groGe sedimentologische und petrographische
Ahnlichkeiten
mit den als submarin angesehenen primarvulkanogenen "pyroclastic flow"- und den sekundar verlagerten "pyroclastic debris flow"-Einheiten
auf.
Die Matrix der Porphyroide wird aus pseudomorphisierten
Glasscherben sowie Detritus-Material
der Tonbis Grobsilt-Fraktion
aufgebaut. Pyroklastische
Bestandteile stell en neben den Glas-Relikten HochquarzPseudomorphosen,
Albite sowie Tuffit-Lapilli dar. Mikrosonden-Analysen
erwiesen die Anwesenheit yon
reinen Albiten. Das Auftreten yon Schachbrettalbit und geochemische Kriterien belegen eine sekundare Albitisierung. Epiklastischen Ursprungs sind bis zu mehrere cm groGe bituminose Flatschen, Quarzit-Gerolle,
zahlreiche Bioklasten, Quarz, Albit und Muskovit. Akzessorisch konnen opakes Erz (Magnetit, Pyrit), Leukoxen, Zirkon, Titanit, Apatit, Epidot, Turmalin, Rutil und Monazit beobachtet werden. Erhohte Temperatur und tektonische
Beanspruchung
fiihrten zu intensiven Mineralumwandlungen
und -neubildungen
(Sericitisierung, Karbonatisierung,
Chloritisierung).
Nicht nur im regionalen Rahmen, sondern schon innerhalb einer Abfolge ist das Verhaltnis zwischen vulkanogenen und detritischen Bestandteilen varia bel: Der Begriff Porphyroid umfaGt ein weites Spektrum mit
allen Ubergangen zwischen fast reinen Pyroklastiten, Tuffiten und epiklastischen Sedimenten mit pyroklastischem Anteil.
Die Auswertung von 147 Haupt- und Spurenelement-Analysen
(RFA) ermoglichte die Identifizierung von
mehr als zehn verschiedenen Porphyroid-Horizonten
durch charakteristische
Gehalte bzw. Verhaltnisse folgender Elemente: Zr, Nb, La, Y, Ti, P, Cr, Ni, V, K, Rb, Na, Sr. Die Anwendung von EDV-Techniken
erwies sich hierbei als erfolgreich. Die geochemische Diskriminanz
gestattete zudem die Aussonderung yon
bislang als Porphyroide
angesehenen Gesteinen (Diabase, Grauwacken etc.).
Die Ergebnisse erlauben nunmehr tephrostratigraphische
Untergliederungen
in mehreren Teilbereichen
des Verbreitungsgebietes
der Porphyroide.
Eine ausfiihrliche regionale Beschreibung erfolgt unter Zuhilfenahme zusatzlicher geologischer, tektonischer und palaontologischer
Indizien. Daraus resultierende geologische Neuerkenntnisse
und stratigraphische
Konsequenzen
werden diskutiert.
Da die bisherige stratigraphische Gliederung durch fiinf Porphyroid-Horizonte
ebenso wie die Auffassung
nur eines Horizontes zu verwerfen sind, wird vorgeschlagen, bis zur endgiiltigen Klarung von Anzahl und
Verbreitung der Porphyroide auf eine tephrostratigraphisch
gestiitzte Unterems-Stratigraphie
zu verzichten.
Porphyroide sollten vorerst nur mit Lokalnamen bezeichnet werden.
Die palaogeographische
Rekonstruktion
weist den Porphyroiden
einen kiistenfernen Sedimentationsraum
am S-Rand des dem Old Red-Kontinent
vorgelagerten Schelfs zu. Petrographische,
sedimentologische
und
geochemische Griinde sprechen fiir eine Ableitung des pyroklastischen
Materials der Porphyroide yon rhyolithischen bis rhyodacitischen Vulkaniten im nordostlichen Rheinischen Schiefergebirge, die petrographische
und geochemische Ubereinstimmungen
mit den Lenne-Vulkaniten
aufweisen.
Abstract: Geology, Petrography and Geochemistry of the Pyroclastics of the Lower Emsium/Lower
Devonian (Porphyroids)
in the southern parts of the Rhenish Massif.
For the first time a geological, petrographical and geochemical investigation of the stratiform interposed
pyroclastic rocks (porphyroids) was carried out from the point of view of a tephrostratigraphical
subdivision
of the monotonous slate series of the Lower Emsium in the southern Rheinisches Schiefergebirge (Taunus,
Hunsriick).
The horizons have an average thickness of several meters. They are characterized by a graded bedding in
the whole unit. Frequently, imbedded and phacoidal intercalations in the top can be observed (different relations of pyroclastic to epiclastic material concerning quantity and grain-size). Slumping- or redepositionstructures mainly occur in the top and at the basal parts (quartzite banks).
The submarinely deposited pyroclastics can be derived from subaerial eruptions. They have great sedimentological and petrographical similarity to pyroclastic flow deposits of primarily volcanic origin which are
regarded as submarine, and to secondarily deposited pyroclastic debris flow units.
The ground-mass of the porphyroids consists of pseudomorph vitric shards and detrital material of the clay
to silt fraction. Vitric relics, pseudomorph high temperature quartz, albite and lapilli are the pyroclastic parts.
Microanalyses proved the occurence of pure albites. Secondary albitization can be shown i. a. by geochemical
criteria. Epiclastic components are partly bituminous lithoclasts of up to several cm, numerous bioclasts,
quartz, albite and muskovite. Accessory minerals are magnetite, pyrite, leucoxene, zircon, titanite, apatite,
epidote, tourmaline, rutile and monacite. Temperature and tectonic stress led to an intense alteration of minerals and recrystallization.
Not only within the regional bounds but even within one sequence, we find variable relation of pyroclastic
to epiclastic elements. Accordingly, the term porphyroid covers a wide spectrum reaching from pure pyroclastic rocks (tuffs) over tuffites to epiclastic sediments with pyroclastic parts.
The analysis of 147 main and minor elements (X-ray fluorescence spectroscopy) made it possible to identify
more than ten different porphyroid horizons by the characteristic content or relation of the following elements: Zr, Nb, La, Y, Ti, P, Cr, Ni, V, K, Rb, Na, Sr. On this occasion the use of EDP proved to be very
successful. Moreover, the geochemical discrimination
allowed to pick out rocks that have been regarded as
porphyroids so far (diabases, graywackes etc.).
The results now permit tephrostratigraphical
subdivision in several parts of the dispersion area of the porphyroids. A detailed description of the region is given with the aid of additional geological, tectonical and
paleontological evidence. New knowledge and stratigraphical consequences resulting from this are discussed.
As the so far valid view of the stratigraphic subdivision by five porphyroid horizons as well as that of only
one horizon is to be discarded, it is suggested to abstain from a tephrostratigraphically
based stratigraphy
of the Lower Emsium until a definite resolution about the number and dispersion of the porphyroids. For
the time being, porphyroids should be named by local names alone.
The paleogeographic reconstruction
locates the porphyroids
at a deposition area at the shelf margin far
from the southern coast of the Old Red Continent. There ist petrographical, sedimentological and geochemical evidence for the porphyroids being the products of slumping or redeposition processes of rhyolithic and
rhyodacitic volcanoes in the northeastern Rheinisches Schiefergebirge which petrographically
and geochemically correspond to the Lenne- Volcanoes.
Resume: Geologie, Petrographie et Geochimie des Pyroclastiques du Emsium inferieuriDevonien
inferieur
(Porphyroides)
dans Ie sud du Massif Schisteux Rhenan.
Pour la premiere fois une recherche geologique, petrographique
et geochimique des roches pyroclastiques
interstratifiees (porphyro'ides) a ete fait it l'egard d'une subdivision tephrostratigraphique
des schistes monotones du Emsium inferieur dans Ie sud du massif schisteux rhenan (Taunus, Hunsri.ick).
Les intercalations ont une epaisseur moyenne de plusieurs metres. lis sont caracterisees d'un granoclassement dans l'unite complete. Sou vent on peut observer des interlits zones et lenticulaires dans la tete (relations
differentes des composants pyroclastiques et epiclastiques concernant la quantite et taille des grains). II y a
des structures de glissement et redeposition surtout dans la tete et la base (bancs quarzitiques).
Les pyroclastiques deposes sous-marin sont derives des eruptions subaeriens. lis ont une grande ressemblance sedimentaire et petrographique
avec les "pyroclastic flow deposits" - d'origine volcanique sousmarin - et des "pyroclastic debris flow units" - sediments redepositiones.
La matrice des porphyroides consiste en tessons vitreux pseudomorphes
et des materiaux detritiques de la
fraction d' argile et la fraction de silt. Les parts pyroclastiques sont des relicts vitreux, quartz pseudomorphe
de haute temperature, albites et lapilli. Microanalyses ont prouve l'occurence d'albites pures. Albitisation
secondaire peut etre demonstree par des criteres geochimiques. D'origine epiclastique som des lithoclastiques
d'une taille it plusiers centimetres, caillous de quartzite, nombreuses roches bioclastiques, quartz, albite et
muscovite. Minerales accessoires sont magnetite, pyrite, leucoxene, zircon, titanite, apatite, epidote, tourmaline, rutile et monacite. La consequence de la temperature eJevee et stress tectonique etait une alteration
intense des minerales et recristallisation (sericitisation, carbonatisation,
chloritisation).
Pas seulement dans Ie cadre regional mais aussi dans une sequence la relation entre Ie materiau volcanique
et detritique est variable. Ainsi Ie terme "porphyroide"
signifie un grand spectre des roches pyroclastiques
presque pures, des tuffites et aussi des sediments epiclastiques avec des parts pyroclastiques.
L'analyse des 147 mega-elements et elements-traces (spectrometrie de fluorescence X) donnait la possibilite
d'identifier plus de 10 couches de porphyro·ides. lis se different par Ie content au la relation caracteristique
des elements suivants: Zr, Nb, La, Y, Ti, P, Cr, Ni, V, K, Rb, Na, Sr. Pendant ce travaill'utilisation
de l'ordinateur etait un grand avantage. En plus la discrimination
geochimique permettait la separation des roches
qui ont ete regardees comme porhyro'ides jusqu'a maintenant (diabases, grauwackes etc.).
Alors les resultats permettent des divisions tephrostratigraphiques
dans plusieurs parts dans la distribution
geographique des porphyro·ides. Dne description detaillee de la region est faite a I'aide des presomptions geologiques, tectoniques et paleontologiques. Les nouveaux resultats geologiques et les consequences stratigraphiques sont discutes.
La vieille subdivision stratigraphique en cinque horizons des porphyro"ides aussi bien qu'un seul horizon
doit etre refusee. Ainsi il est propose a eviter une stratigraphie sur la base de tephrostratigraphie
pour Ie
Emsium inferieur jusqu'a ce qu' une solution definitive sur Ie nombre et la distibution des porphyroi'des soit
trouvee. En attendant, les porphyroldes
devraient etre marquees seulement avec des noms locales.
La reconsruction paleogeographique
met les porphyroldes
sur Ie shelf loin de la cote de sud du Old Red
Continent. II y a des preuves petrographiques,
sedimentologiques
et geochimiques que Ie materiau pyroclastique des porphyro'ides est d'orgine de vulcanites ryolitiques a ryodactiques dans Ie nord-est du massif schisteux
rhenan qui sont pareilles aux vulcanites de Lenne.