Claudia Panwitz

Provenienzanalyse an paläozoischen Metasedimenten der Ostalpen mit Schwerpunkt in der Nördlichen Grauwackenzone: Petrographie, Glimmerchemie, 40Ar/39Ar-Datierungen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 10.01.2006

Abstract
Für die vorliegende Arbeit wurden aus dem alpinen Paläozoikum im Westabschnitt der Nördlichen Grauwackenzone schwachgradig metamorphe klastische Sedimentgesteine untersucht. Anhand der Sedimentpetrographie sowie der chemischen Analyse und 40Ar/39Ar-Datierung enthaltener detritischer Hellglimmer war die Provenienz des klastischen Detritus abzuleiten. Alle drei Untersuchungsmethoden erbrachten unabhängig voneinander ähnliche Aussagen zum Aufbau des Liefergebiets der klastischen Sedimentgesteine. Damit konnten die paläozoische Entwicklung der Nördlichen Grauwackenzone detaillierter entschlüsselt und bisher noch offene Fragen beantwortet werden.
Die klastischen Abfolgen der Nördlichen Grauwackenzone können mehr als 2000 m Mächtigkeit erreichen. Ihre Sedimentation umfasst den Zeitraum vom Ordovizium bis in das Karbon. Anhand der Untersuchungen zur Petrographie erwiesen sich die untersuchten Sandsteine als quarzbetonte Grauwacken oder Subgrauwacken. Ihr Matrixanteil ist hoch, Quarz überwiegt deutlich gegenüber Feldspat- und Gesteinsklasten. Der überwiegende Teil der Modalanalysen zeigt für das klastische Material die Herkunft aus einem kontinentalen Bereich ("Continental Block Provenance"). Nur wenige Proben aus den stratigraphisch jüngsten Bereichen der klastischen Abfolgen belegen die Herkunft ihres Detritus aus einem in Abtragung befindlichen Orogen ("Recycled Orogen Provenance").
Anhand der chemischen Zusammensetzung der analysierten detritischen Hellgimmer lassen sich keine wesentlichen Veränderungen innerhalb der stratigraphischen Abfolgen erkennen. Alle Hellglimmer können als Muskovite bezeichnet werden, deren Natrium-, Magnesium-, Eisen- und Titangehalte etwas variieren. Die Streubreite der chemischen Zusammensetzung zeigt die Ableitung der Muskovite vor allem aus regionalmetamorph geprägten Gesteinen, aber auch teilweise aus magmatischen Gesteinen. Echte Hochdruck-Hellglimmer wie Phengite wurden nicht nachgewiesen.
Mit Hilfe der 40Ar/39Ar-Datierungen an detritischen Muskoviten wurde das Alter der Gesteine der Liefergebiete für die klastischen Abfolgen der Nördlichen Grauwackenzone ermittelt. Diese erbrachten in allen stratigraphischen Abfolgen fast ausschließlich neoproterozoische Altersdaten, im Wesentlichen zwischen 800 Ma und 600 Ma. Untergeordnet sind mesoproterozoische, kambrische und ordovizische Muskovite enthalten. Damit kann das Liefergebiet als panafrikanisch/cadomisch geprägtes Hinterland charakterisiert werden. In einer Probe wurde ein devonischer Muskovit mit 396 17 Ma ermittelt, und in einer Probe aus den stratigraphisch jüngsten Bereichen der siliziklastischen Abfolgen wurden detritische Muskovite mit 40Ar/39Ar-Altern um 330 Ma nachgewiesen.
Aufgrund des nur geringen oder fehlenden Anteils an Gesteinsklasten sowie dem nicht Vorhandensein von Hochdruckglimmern in den klastischen Gesteinsabfolgen der Nördlichen Grauwackenzone ist für den gesamten Sedimentationszeitraum die Lage an einem aktiven Kontinentalrand auszuschließen. Vom Ordovizium bis in das Karbon ist die Position des Ablagerungsraumes benachbart zu einem panafrikanisch/cadomisch geprägten Kontinent anzunehmen. Damit kann zwanglos eine Position des Sedimentationsraumes der Nördlichen Grauwackenzone am Gondwana-Nordrand postuliert werden. Die Lage an einem kleineren Terrane wie von Schätz et al. (2002) oder von von Raumer et al. (2002) gefordert, wird aufgrund der großen Sedimentmächtigkeiten für unwahrscheinlich gehalten. Erst ab dem Unterkarbon wird die Nähe des Ablagerungsraumes zu einem variscisch geprägten Liefergebiet erkennbar. Dies konnte anhand der ermittelten 40Ar/39Ar-Alter um 330 Ma nachgewiesen werden und dokumentiert die Kollision aller Gondwana-Fragmente zum Superkontinent Pangäa.
Eine ähnliche Entwicklung wird auch für das Paläozoikum der Karnischen Alpen vorgeschlagen, aus dem für vorliegende Arbeit vergleichende Analysen durchgeführt wurden.

For this work low grade metamorphic clastic sediments from the Alpine Paleozoic of the Western part of Northern Greywacke Zone were investigated. By means of the sedimentary petrography as well as the chemical analysis and 40Ar/39Ar dating of detrital white micas contained the provenance of the clastical detritus was to be deduced. All three methods applied yielded independently similar results concerning the composition of the source area of these clastic sediments. Thus it was possible to decode the Paleozic evolution of the Northern Greywacke Zone in more detail and to answer up to now unsolved questions.
The clastic sequences of the Northern Greywacke Zone can reach more than 2000 m of thickness. The period of sedimentation reaches out from the Ordovician to the Carboniferous. By means of petrological studies the sandstones investigated revealed as quartz rich greywackes or subgreywackes. The content of matrix is high, quartz is clearly predominating over feldspar and lithic clasts. The majority of the modal analyses carried out show the provenance of the clastic material from a continental block. Only few samples from the youngest stratigraphical sections of the clastic rocks prove their provenance from a recycled orogen.
By means of the chemical composition of the detrital white micas analysed no essential changes with the stratigraphic record are recognised. All white micas investigated can be characterized as muscovites with slightly varying contents of Na, Mg, Fe, and Ti. The spread of their chemical composition shows a derival predominantly from regional metamorphic rocks and partly from magmatic rocks. Real high pressure white micas like phengites have not been recorded.
By means of the 40Ar/39Ar dating of detrital muscovites the age of the rocks in the source area was determined. These yielded in all stratigraphic sequences mostly exclusively Neoproterozoic ages, mainly between 800 Ma and 600 Ma. Only a few muscovites record Mesoproterozoic, Cambrian and Ordovican ages. Therefore the source area can be characterised as a Panafrican/Cadomian imprinted hinterland. In one sample a muscovite of Devonian age was determined and in another sample, from the youngest stratigraphical position of the siliciclastic rocks, detrital muscovites with 40Ar/39Ar-ages with about 330 Ma were proved.
Because of the minor or lacking amount of lithic clasts as well as the absence of high pressure micas within the clastic sequences of the Northern Greywacke Zone, a position at an active margin can be excluded for the whole period of sedimentation. From the Ordovician persisting until the Carboniferous the depositional setting for the sediments of the Northern Greywacke Zone must be close to a Panafrican/Cadomian continent. Therefore easily the position of the sediment basin at the northern margin of Gondwana can be postulated. The position at a minor terrane as postulated by Schätz et al. (2002) or von Raumer et al. (2002) is concerned as less possible regarding the huge thickness of sediments. A vicinity of the depositional basin to a variscan source area is not visible before the lower Carboniferous. This was possible to prove by the measured 40Ar/39Ar-ages around 330 Ma which documents the collision of all Gondwana fragments building up the supercontinent Pangäa.

Keywords:
Ostalpin, Südalpin, Paläozoikum, Sandsteine, detritische Hellglimmer, Provenienz, 40Ar/39Ar-Datierung, Geodynamik

Austroalpine, Southalpine, Paleozoic, sandstones, detrital white mica, provenance, 40Ar/39Ar-dating, geodynamic

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Zusammenfassung, Abstract, Inhaltsverzeichnis (2, I-V)
1. Einleitung (1-6)
2. Kurzer Überblick über die Varisciden in Europa und die Alpidische Gebirgsbildung (7-14)
3. Geologie der Arbeitsgebiete (15-25)
4. Probennahme (26-38)
5. Petrographie der klastischen Sedimentgesteine (39-53)
6. Aufbereitung der siliziklastischen Gesteinsproben und Separation der detritischen Hellglimmer (54-57)
7. Chemische Zusammensetzung der detritischen Muskovite (58-91)
8. 40Ar/39Ar-Altersdatierungen an detritischen Muskoviten (92-122)
9. Geodynamik der Nördlichen Grauwackenzone (123-139)
10. Literaturverzeichnis (140-148)
Anhang (1, 1-85)