Geologische Abhandlungen Hessen

Band 92

Geologie, Petrographie und Geochemie derPyroklastika des Unteren Ems/Unter-Devon (Porphyroide)

im siidlichen Rheinischen Schiefergebirge

Herausgabe und Vertrieb

Hessisches Landesamt fur Bodenforschung, Leberberg 9, 6200 Wiesbaden

Kurzfassung: Unter dem Gesichtspunkt der tephrostratigraphischen Untergliederung der monotonenSchiefer-Serien des Unteren Ems des siidlichen Rheinischen Schiefergebirges (Taunus, Hunsriick) erfolgteerstmals eine geologische, petrographische und geochemische Untersuchung der stratiform eingeschaltetenPyroklastika (Porphyroide).

Die i. d. R. mehrere Meter machtigen Einschaltungen sind durch eine grobe Gradierung mit haufigenschichtigen und linsigen Einlagerungen im Top (unterschiedliche Mengen- und GriiGenverhaltnisse an pyro-und epiklastischen Bestandteilen) gekennzeichnet. Durch Rutschungs- oder U mlagerungsvorgange entstan-dene Strukturen treten bevorzugt im Top sowie an der Basis (quarzitische Banke) auf.

Die submarin abgelagerten Pyroklastika kiinnen yon subaerischen Ausbriichen abgeleitet werden und wei-sen groGe sedimentologische und petrographische Ahnlichkeiten mit den als submarin angesehenen primar-vulkanogenen "pyroclastic flow"- und den sekundar verlagerten "pyroclastic debris flow"-Einheiten auf.

Die Matrix der Porphyroide wird aus pseudomorphisierten Glasscherben sowie Detritus-Material der Ton-bis Grobsilt-Fraktion aufgebaut. Pyroklastische Bestandteile stell en neben den Glas-Relikten Hochquarz-Pseudomorphosen, Albite sowie Tuffit-Lapilli dar. Mikrosonden-Analysen erwiesen die Anwesenheit yonreinen Albiten. Das Auftreten yon Schachbrettalbit und geochemische Kriterien belegen eine sekundare Albi-tisierung. Epiklastischen Ursprungs sind bis zu mehrere cm groGe bituminose Flatschen, Quarzit-Gerolle,zahlreiche Bioklasten, Quarz, Albit und Muskovit. Akzessorisch konnen opakes Erz (Magnetit, Pyrit), Leu-koxen, Zirkon, Titanit, Apatit, Epidot, Turmalin, Rutil und Monazit beobachtet werden. Erhohte Tempera-tur 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 vul-kanogenen und detritischen Bestandteilen varia bel: Der Begriff Porphyroid umfaGt ein weites Spektrum mitallen Ubergangen zwischen fast reinen Pyroklastiten, Tuffiten und epiklastischen Sedimenten mit pyroklasti-schem Anteil.

Die Auswertung von 147 Haupt- und Spurenelement-Analysen (RFA) ermoglichte die Identifizierung vonmehr als zehn verschiedenen Porphyroid-Horizonten durch charakteristische Gehalte bzw. Verhaltnisse fol-gender Elemente: Zr, Nb, La, Y, Ti, P, Cr, Ni, V, K, Rb, Na, Sr. Die Anwendung von EDV-Technikenerwies sich hierbei als erfolgreich. Die geochemische Diskriminanz gestattete zudem die Aussonderung yonbislang als Porphyroide angesehenen Gesteinen (Diabase, Grauwacken etc.).

Die Ergebnisse erlauben nunmehr tephrostratigraphische Untergliederungen in mehreren Teilbereichendes Verbreitungsgebietes der Porphyroide. Eine ausfiihrliche regionale Beschreibung erfolgt unter Zuhilfe-nahme zusatzlicher geologischer, tektonischer und palaontologischer Indizien. Daraus resultierende geologi-sche Neuerkenntnisse und stratigraphische Konsequenzen werden diskutiert.

Da die bisherige stratigraphische Gliederung durch fiinf Porphyroid-Horizonte ebenso wie die Auffassungnur eines Horizontes zu verwerfen sind, wird vorgeschlagen, bis zur endgiiltigen Klarung von Anzahl undVerbreitung 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 Sedimentationsraumam S-Rand des dem Old Red-Kontinent vorgelagerten Schelfs zu. Petrographische, sedimentologische undgeochemische Griinde sprechen fiir eine Ableitung des pyroklastischen Materials der Porphyroide yon rhyo-lithischen bis rhyodacitischen Vulkaniten im nordostlichen Rheinischen Schiefergebirge, die petrographischeund geochemische Ubereinstimmungen mit den Lenne-Vulkaniten aufweisen.

Abstract: Geology, Petrography and Geochemistry of the Pyroclastics of the Lower Emsium/Lower Devo-nian (Porphyroids) in the southern parts of the Rhenish Massif.

For the first time a geological, petrographical and geochemical investigation of the stratiform interposedpyroclastic rocks (porphyroids) was carried out from the point of view of a tephrostratigraphical subdivisionof 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 inthe whole unit. Frequently, imbedded and phacoidal intercalations in the top can be observed (different rela-tions of pyroclastic to epiclastic material concerning quantity and grain-size). Slumping- or redeposition-structures 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 sedimen-tological and petrographical similarity to pyroclastic flow deposits of primarily volcanic origin which areregarded 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 clayto 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 geochemicalcriteria. 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 mine-rals and recrystallization.

Not only within the regional bounds but even within one sequence, we find variable relation of pyroclasticto epiclastic elements. Accordingly, the term porphyroid covers a wide spectrum reaching from pure pyrocla-stic 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 identifymore than ten different porphyroid horizons by the characteristic content or relation of the following ele-ments: Zr, Nb, La, Y, Ti, P, Cr, Ni, V, K, Rb, Na, Sr. On this occasion the use of EDP proved to be verysuccessful. Moreover, the geochemical discrimination allowed to pick out rocks that have been regarded asporphyroids so far (diabases, graywackes etc.).

The results now permit tephrostratigraphical subdivision in several parts of the dispersion area of the por-phyroids. A detailed description of the region is given with the aid of additional geological, tectonical andpaleontological 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 onlyone horizon is to be discarded, it is suggested to abstain from a tephrostratigraphically based stratigraphyof the Lower Emsium until a definite resolution about the number and dispersion of the porphyroids. Forthe time being, porphyroids should be named by local names alone.

The paleogeographic reconstruction locates the porphyroids at a deposition area at the shelf margin farfrom the southern coast of the Old Red Continent. There ist petrographical, sedimentological and geochemi-cal evidence for the porphyroids being the products of slumping or redeposition processes of rhyolithic andrhyodacitic volcanoes in the northeastern Rheinisches Schiefergebirge which petrographically and geochemi-cally 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 pyroclastiquesinterstratifiees (porphyro'ides) a ete fait it l'egard d'une subdivision tephrostratigraphique des schistes mono-tones 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 granoclasse-ment dans l'unite complete. Sou vent on peut observer des interlits zones et lenticulaires dans la tete (relationsdifferentes des composants pyroclastiques et epiclastiques concernant la quantite et taille des grains). II y ades 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 ressem-blance sedimentaire et petrographique avec les "pyroclastic flow deposits" - d'origine volcanique sous-marin - et des "pyroclastic debris flow units" - sediments redepositiones.

La matrice des porphyroides consiste en tessons vitreux pseudomorphes et des materiaux detritiques de lafraction d' argile et la fraction de silt. Les parts pyroclastiques sont des relicts vitreux, quartz pseudomorphede haute temperature, albites et lapilli. Microanalyses ont prouve l'occurence d'albites pures. Albitisationsecondaire peut etre demonstree par des criteres geochimiques. D'origine epiclastique som des lithoclastiquesd'une taille it plusiers centimetres, caillous de quartzite, nombreuses roches bioclastiques, quartz, albite etmuscovite. Minerales accessoires sont magnetite, pyrite, leucoxene, zircon, titanite, apatite, epidote, tourma-line, rutile et monacite. La consequence de la temperature eJevee et stress tectonique etait une alterationintense des minerales et recristallisation (sericitisation, carbonatisation, chloritisation).

Pas seulement dans Ie cadre regional mais aussi dans une sequence la relation entre Ie materiau volcaniqueet detritique est variable. Ainsi Ie terme "porphyroide" signifie un grand spectre des roches pyroclastiquespresque 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 possibilited'identifier plus de 10 couches de porphyro·ides. lis se different par Ie content au la relation caracteristiquedes elements suivants: Zr, Nb, La, Y, Ti, P, Cr, Ni, V, K, Rb, Na, Sr. Pendant ce travaill'utilisation de l'ordi-nateur etait un grand avantage. En plus la discrimination geochimique permettait la separation des rochesqui ont ete regardees comme porhyro'ides jusqu'a maintenant (diabases, grauwackes etc.).

Alors les resultats permettent des divisions tephrostratigraphiques dans plusieurs parts dans la distributiongeographique des porphyro·ides. Dne description detaillee de la region est faite a I'aide des presomptions geo-logiques, tectoniques et paleontologiques. Les nouveaux resultats geologiques et les consequences stratigraphi-ques sont discutes.

La vieille subdivision stratigraphique en cinque horizons des porphyro"ides aussi bien qu'un seul horizondoit etre refusee. Ainsi il est propose a eviter une stratigraphie sur la base de tephrostratigraphie pour IeEmsium inferieur jusqu'a ce qu' une solution definitive sur Ie nombre et la distibution des porphyroi'des soittrouvee. 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 RedContinent. II y a des preuves petrographiques, sedimentologiques et geochimiques que Ie materiau pyroclasti-que des porphyro'ides est d'orgine de vulcanites ryolitiques a ryodactiques dans Ie nord-est du massif schisteuxrhenan qui sont pareilles aux vulcanites de Lenne.