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Geologische Rundschau 76/3 [ 699-707 [ Stuttgart 1987

Geotektonische Verkniipfung yon Plutonismus und Vulkanismus im stidwestdeutschen Variscicum

Von H~i~zr~ FsIcx, Heidelberg':-)

Mit 5 AbbiIdungen und 1 Tafel

Zusammenfassung

Die variscische Orogenese wurde in Siidwestdeutschland yon einem intensiven palingenen Magmatismus begleitet. Dabei folgte der Vulkanismus als eigenst~indige Entwick- lung den granitischen Intrusionen in einem Abstand yon ca. 20 Ma. In den felsischen Vulkaniten i~ifgt sich das Auftreten yon prim~irem Tiefquarz als Geobarometer verwenden und spricht f/Jr eine besonders grotge Bildungstiefe der Magmen. Sie setzen damit die Entwicklungsreihe der granitischen Schmelzen fort, die zunehmend aus gr6t~erer Tide kamen. Ais heifleste und trockenere Bildung entstanden die Vuika- nite im Zuge der st~irksten Krustenverkfirzung und damit -verdickung und stiegen nach dem Durchlaufen der oroge- nen Einengungswelle zur Erdkruste auf.

Abstract

A widespread palingenetic magmatism accompanied Hercynian orogenesis in SW-Germany: Thereby, felsic vol- canism occupied a specific place in the tectonic evolution of the Hercynian orogen following about 20 m.y. after the granitic plutonism. The finding of primary low quartz as intratelluric phenocrysts in these volcanics can be used for geobarometry and demonstrates a rather deep origin of the melt. They continue the development of the granitic melts which originated from a progressively deeper and hotter source. The felsic volcanics represent the hottest and driest crustal magmatism which originated in areas of strong crus- tal shortening and reached the surface after the Hercynian orogenic compressional wave had passed the region.

R~sum6

L'orogen&e hercynienne dans le sud-ouest de I'AI- lemagne a 6t4 accompagnde d'un magmatisme palingdn4- tique intense. Dans Ie ddveloppement de ce processus, te volcanisme felsitique a succfid6 aux intrusions granitiques apr6s un intervalie de 20 Ma. La pr6sence de quartz alpha primaire dans les volcanites peut &re utilisde comme gdobarom&re et indique que les magmas ont 6td engendr4s

grande profondeur dans des conditions de plus en plus

*) Adresse des Autors: Prof. Dr. H. FLICK, Geologisch- Pal~iontologisches Institut der Universi6/t Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 234, D-6900 Heidelberg

profondes et de plus en plus chaudes au cours du temps. Les volcanites felsitiques repr~sentent le magmatisme le plus chaud et le plus sec, qui a 4t~ engendr~ cons&utivement au raccourcissement et ~i l'@aississement de la crofite et qui est mont~ duns l'&orce terrestre apr~s ie passage de l'onde com- pressive orogfinique hercynienne.

KpaTKoe co~ep~:an~e

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rlpotleccaMl~.

Einleitung

Der sfidwestdeutsche Raum war als Tell der tnter- niden des mitteleurop~iischen Variscicums yon einem ausgedehnten syn- bis postorogenen palingenen, sau- ren Magmatismus im ausgehenden Pal~iozoikum be- troffen. Neben den Intrusiva stehen dort die extru- siven permokarbonen Rhyolithe, die generell als Quarzporphyre bekannt sin& Untersuchungen yon LIPPOLT etal. (1982, 1983) sowie SCHLEICHER etal. (1983) haben gezeigt, dag sie nicht als Abk6mmiinge der Granite, sondern als eigenst~indige anatektische Schmelzbildungen anzusehen sind. Demnach kommt ihnen ein bestimmter Platz in der tektonischen Ent- wicklung des variscischen Orogens zu.

Ffir die Lokation der zugeh6rigen Au{schmelzung in der Kruste fehlen bisher die Parameter. Druck- und Temperaturbestimmungen in den Vulkaniten k6nnen jedoch dazu beitragen, die Dicke der Kruste und ihre Ver~inderungen im Laufe tier Zeit abzusch~it- zen. Hier bietet die Morphologie der intratelluri-

700 H. FLICK

schen Quarzeinsprenglinge die M6glichkeit, Aussa- gen zur Bildungstiefe zu gewinnen. Daraus ergibt sich in Erg~inzung zu EMMER~ANr~ (1977) und LIP- VOLT et al. (1982, 1983) eine Einordnung dieses Vul- kanismus in die grogtektonische Entwicklung.

Entwicklung des palingenen Magmatismus

Seit liingerem ist bekannt und inzwischen radio- rnetrisch dutch Am~E>~,T et al. (1978, 1983) best/itigt, dai~ die variscische Orogenese in Mitteleuropa mit der Zeit yon Sfiden nach Norden fortgeschritten ist. Im sfidwestdeutschen Raum wurde sie yon einem ausgedehnten Plutonismus begleitet, fiir den eine entsprechende zeitliche Entwicklung nach Norden yon EM~ieRMANN (1977) innerhalb der jeweiligen Teilr~iume festgestellt werden konnte. Es lief~ sich da- bei auch zeigen, daft die jeweils jfingeren Schmelzen einer zunehmend gr6t~eren Tiefe entstammen.

Eine Wanderung yon Siiden nach Norden hatte in analoger Weise bereits WEYL (1938) ffir die postoro- genen felsischen Vulkanite des Schwarzwaldes gefol- gert. Dieses konnten LIPPOL'r et al. (1982, 1983) mit Isotopenmethoden best~itigen. Nach ihren Untersu- chungen klafft eine zeitliche Lficke von ca. 20 Ma zwischen den jeweils letzten Graniten und dem Auf- treten der rhyolithischen Vulkanite im gleichen Ge- bier. Damit wurde die Eigenst/indigkeit der Vulkanite unterstrichen, so da~ sie nicht als sp/ite Differentiate der Granitplutone angesehen werden k6nnen.

Fiir die Herkunft der Schmelzen l~if~t sich die Tiefe fiber eine AbscMtzung des geothermischen Gradien- ten erschliet~en. Im n6rdlichen Schwarzwald nehmen Hess et al. (1983) daffir 50~ an. Im Saar-Nahe- Raum, dem Gebiet mit der gr6t~ten noch erkennba- ren Verbreimng vulkanischer Produkte aus dem Per- mokarbon, kommen TEIC~MOLLER et al. (1983) auf- grund yon Inkohlungsdaten auf einen Gradienten yon 40-60~ Das steht in Einklang mit einer yon NmHOLLS & LORENZ (1973) vermuteten Kru- stendicke zu jener Zeit von nicht mehr als 30 kin. Da- gegen ermittehe HEDZMANN (1976) in der Bohrung Saar 1 im gleichen Gebiet einen durchschnittlichen Gradienten yon 29~ fiir das Permokarbon.

Ahnlich hohe und z. T. noch erheblich h6here ther- mische Gradienten werden oft aus lokalen metamor- phen Bedingungen in den Orogenen abgeleitet. Das l~igt sich jedoch nicht auf einen gr6geren Mafistab verallgemeinern, insbesondere wenn man die oro- gene Krustenverdickung in diesen R~iumen in Be- tracht zieht. Sonst miiflte damals die gesamte tiefere Kruste in geschmolzenem Zustand vorgelegen ha- ben, wofiir keine Anhaltspunkte zu linden sin& Das Fehlen eines Magmatismus aus einer Kruste norma-

ler Dicke, d.h. aus 30 bis 35 km Tiefe, bedeutet bei den bekannten Bedingungen fiir die Bildung yon gra- nitischen Erstschmelzen, da~ der durchschnittliche Gradient yon 30~ pro km vermutlich zur Teufe bin geringer wird, keinesfalls h6her, wie yon WYLLIE TurTLE (1960) vorgeschlagen. Der palingene, kru- stale Magmatismus beginnt mit einer zeitlichen Ver- z6gerung erst, nachdem die Krustenverdickung als Folge der orogenen Einengung eingesetzt hat. Des- halb erscheint ein geothermischer Gradient yon 11- 18~ durchaus plausibel, wie ihn BRowN (1979) ffir die Bildung granitischer Schmelzen angenommen hat. Das Infragestellen von hohen Gradienten in der Kruste in dieser Arbeit griindet sich auf die Verwen- dung der intratellurischen Quarzeinsprenglinge als Geobarometer.

Quarz als Geothermometer/Geobarometer Quarz tritt bekanntlich in zwei Modifikationen

auf. Die Phasengrenze schneider dabei viele petrolo- gisch wichtige Gleichgewichtskurven im Bereich der mittleren bis h6heren Metamorphose sowie die So- liduskurve wassergesSttigter Granitschmelzen (vgl. WINKLER 1976). Von daher, wozu die einfache Dia- gnose und auch seine weite Verbreitung beitr~igt, wiirde er sich als Fixpunkt im Druck-/Temperatur- diagramm geradezu anbieten. Bisher waren entspre- chende Ans~itze jedoch wenig aussagekr~iftig, so dat~ GHIORSO et al. (1979: 315) zu der Aussage kommen: ,,Quartz is a poor geothermometer at best, ...<< We- gender spontanen Reversibilit~it der Phasenumwand- lung muff man fiir deren petrologischen Nutzung nach ererbten Eigenschaften aus dem Biidungsbe- reich des Kristalls suchen. W~ihrend sich prim~irer Tiefquarz eventuell eindeutig erkennen l~itk, gilt die- ses fiir ehemaligen Hochquarz trotz mancher gegen- teiliger Behauptung und entsprechenden Folgerun- gen nicht (FLICK 1984).

Eine kennzeichnende ererbte Eigenschaft des Quarzes ist die Morphologie bei idiomorphen Kri- stallen, wie sie ats frfihe intratellurische Phase in kie- seMiurereichen Vulkaniten zu finden sin& Diese auch als Porphyrquarze bezeichneten Einsprenglinge werden generell als Dihexaederbildungen von Hoch- quarz gedeutet. Diese Annahme beruht allein auf der Kenntnis der Temperatur der Hoch-/Tiefquarz- Inversion yon ca. 573~ bei AtmospMrendruck. Das Steigen der Inversionstemperatur mit zunehmendem Druck wird meist als zu gering erachtet und vernach- 15ssigt. Wegen dieser AbMngigkeit ist jedoch iiber die ursprfingliche Namr des Quarzes keine sichere Aus- sage zu treffen. Bis jetzt ist jedenfalls noch keine zweifelsfreie Entstehung eines solchen Kristalls im Hochquarzfeld nachgewiesen worden (FLICK 1984).

Geotektonische Verkniipfung yon Plutonismus und Vulkanismus 701

1 2 3 4

+ + + 6 7 8

C + + Abb. 1. Verschiedene Schnittfiguren des Quarzrhomboeders (Fig. 1-7) und des Quarzdihexaeders (Fig. 8) im Dfinnschliff. Die dreieckigen und trapezoedrischen Schnitte (Fig. 1-4) sind auf jeden Fall charakteristisch.

Bei einem hydrothermal gewachsenen Dihexaeder wird seine Bildung als prim~irer Tiefquarz nicht in Frage gestellt. Bei gleicher Kristallform in einem magmatischen Gestein wird aber automatisch auf ursprfinglichen Hochquarz geschlossen, obwohl Dihexaeder auch dort durch gleichwertige Entwick- lung yon positivem und negativem Rhomboeder m6glich sind.

Nicht nur im Falle der hydrothermalen Kristallisa- tion besteht demnach die M6glichkeit, entspre- chende morphologische Kennzeichen ffir Tiefquarz zu finden. Ein sicheres Kriterium bietet das Auftre- ten des einfachen Rhomboeders. Diese Form des Quarzes wurde bisher gelegentlich aus Sedimenten (TAR• ~ LONSDm~ 1929, GRIMM 1962), Kufthohlr~iu- men (STzTTNER 1959, ZIRKL 1968, FITZ e ZIRKL 1973) sowie Metamorphiten (KENNGOTT 1854, TSC~eRMAK 1874, HEDDLE 1901, KREUTZER ~ ZIRKL 1955) be- schrieben. Auch als sp~itmagmatische Phase ist sie von FLICK ~ WEISS~NBACH (1978) aus einem Meta- Alkalirhyolith des Rheinischen Schiefergebirges be- reits bekannt geworden. Deshalb wurde nach ihr un- ter den frfihen intratellurischen Einsprenglingen in Vutkaniten, insbesondere aus dem sfiddeutschen Raum (Schwarzwald, Odenwald), gesucht.

Quarzrhomboeder in Vulkaniten Ein groger Vorteil der Quarzrhomboeder besteht

darin, dafg sie ohne gr6t~eren apparativen Aufwand

bereits aus den Schnittfiguren im Dfinnschliff er- kennbar sind. Weiterhin wird diese Form nicht durch sekund~ire Umwandlungen beeinflut~t, die das Ge- stein zu einem Quarzporphyr oder Quarzkerato- phyr ver~indert haben m6gen. Am charakteristisch- sten sind die dreieckigen und die trapezoedrischen Querschnitte (Abb. 1). Am Mufigsten sind die rau- tenf6rmigen Schnitte. Diese k6nnen dann dem Rhomboeder sicher zugeordnet werden, wenn die Lage der optischen Achse nicht den spitzen Winkel halbiert (vgl. Abb. 2). Bei der winkelhalbierenden Position ist eine solche Schnittfigur ebenfalls bei el- hem Dihexaeder m6glich (vgl. Abb. 1). In diesem Fall kann die Zuordnung zum Rhomboeder oder zum Dihexaeder auf dem U-Tisch gekl~rt werden durch Einmessen der Fl~ichen und Beziehung auf die optische Achse des Kristalls.

Hier werden Quarzrhomboeder aus den permo- karbonen Rhyolithen des sfidlichen Odenwaldes n~i- her vorgestellt (Taf. 1), da sie vor allem zum Bild der tektonischen Entwicklung im Variscicum Siidwest- deutschlands beitragen. Die Zuordnung dieser Kri- stalle zum Rhomboeder wurde auf dem U-Tisch be- st~itigt. Taf. 1, Fig. C zeigt einen typischen rhombi- schen Schnitt durch das einfache Rhomboeder, Fig. A einen dreieckigen Schnitt fiber eine Spitze des Rhomboeders, die senkrecht zur optischen Achse steht (andernfalls bliebe der Schnitt dunkel, vgl. FLICK & WEISSENBACH 1978: Abb. 5b). Diese Schnitt-

702 H. FLICK

r

Z

Abb. 2. Diinnschliff eines Quarzes mit Hauptrhomboeder r und kleinem Nebenrhomboeder z aus dem Bozener Quarzporphyr yon Auer/Etsch. Links unten, Indizierung der Fl~ichen bei Lage des Kristalls in Ausl6schungsstellung; rechts unten, Position des Schnittes im Kristall. Maf~stab 0,2 mm.

figur belegt auch ohne Kontrolle durch den U-Tisch die Zugeh6rigkeit zum Rhomboeder. InTaf. 1, Fig. B (wie in Abb. 2, die einen Einsprengling aus dem ebenfalls permokarbonen Bozener Quarzporphyr zeigt) ist neben dem ersten Rhornboeder (r) auch eine Fl~iche eines unterentwickelten zweiten Rhomboe- ders (z) zu sehen. Bei Fig. D tritt zum einfachen Rhomboeder (r) eine Prismenfl~iche (m) hinzu.

Kiesels~iurereiche Schmelzen im Tiefquarzfeld

Zweifel an dem Befund yon prim~irem Tiefquarz in einem vulkanischen Gestein lassen sich ausr~iumen, wenn die Hoch-/Tiefquarz-Inversionskurve zus~itz- lieh zu bereits publizierten Druck- und Temperatur- bestimmungen yon felsischen Vulkaniten (hier yon NICHOLLS etal. 1971 sowie WOOD a~ CARMICHAEL 1973) in ein pT-Diagramm eingetragen wird (Abb. 3). Dabei zeigen mehrere Proben ihre Bildung im Tief- quarzfeld an.

Die Herkunft yon kiesels~iurereichen Schmelzen aus dem Stabilit~itsbereich des Tiefquarzes ist beson- ders wahrscheinlich Rir Vorkommen, die magma-

togenen Granat enthalten. FUr die in Abb. 3 eingetra- genen Rhyodazite aus Victoria/Australien wurden die Bildungsbedingungen yon GREEN ~ RI•GWOOD (1968) experimentell untermauert.

In Abb. 3 wurde ebenfalls eine Probe aus dem s/idwestdeutschen Raum (Saargebiet) aufgenommen, deren Bildungsbedingungen nach der chemischen Analyse von JUNG (I961) in Abb. 4 aus dem Vergleich mit den Analysen von GReeN ~ RINGWOOD (1968) abgesch~itzt wurden. Von JuN6 (1961) wurde der Granat damals als nichtmagmatisch angesehen, da zu jener Zeit noch kein aus einer Schmelze kristallisier- ter Granat dieser Zusammensetzung bekannt war. Dieser Einwand besteht inzwischen nicht mehr.

Dieser Granat wiirde eine viel dickere Kruste im Saar-Nahe-Gebiet fordern, als sie dort yon NI- CttOLLS ~ LORENZ (1973) angenommen wird. Damit im Einklang beschreiben SCHL~ICI~ER ~ LIPl'OLT (1981) prim~iren Muskovit aus versehiedenen felsi- schen Vulkaniten in Siiddeutschland, dessen Stabili- t~itsbereich auch ein Auftreten von prim~rem Tief- quarz erlauben wiirde (s. FLIC~: 1984).

Bildungsbedingungen f~r kiesels~iurereiche Schmel- zen im Tiefquarzfeld erfordern eine erheblich er- h6hte Krustendicke, im Einklang mit ihrem erst sp~i- ten Auftreten im Zuge der Krustenverkiirzung. Bei einer Magmentemperatur von 900 bis 950~ wie sie aus den Schmelzexperimenten fiir Rhyolithe abgelei- tet wird, ist ein Minimaldruck von 12,5 bis 14 kbar notwendig, um primiiren Tiefquarz zu erhahen (vgl. Abb. 3). Dieser Wert korrespondiert mit ca. 40 bis 50 km Krustendicke und erscheint bei einem Ver- gleich mit den jungen Orogengiirteln realisdsch, de- ren Tiefgang geophysikalisch direkt erfaf~t werden kann.

SteUung des felsischen Vulkanismus in der variscischen Krustenentwicklung

Die syn- bis postorogene Entwicklung der kiesel- s~iurereichen Magmatite l~if~t sich in Siidwestdeutsch- land mit dem Fortschreiten der variscischen Oroge- nese korrelieren, wobei die Krustenverkiirzung eine entsprechende Krustenverdickung brachte. Der Plu- tonismus begann eine gewisse Zeit nach der oroge- nen Deformation, d.h. nachdem die Kruste bereits verdickt worden war. Dabei gab es eine Entwicklung der plutonischen Aktivit~it mit der Zeit, wie sie von EM~IERMANN (1977) fiir den Schwarzwald gezeigt werden konnte. Die zunehmend jiingeren Granite kamen jeweils aus zunehmend gr6f~erer Tiefe, eine Folge der st~irkeren Krustenverkiirzung, die gleich- zeitig Krustenverdickung bedeutet (Abb. 5). Durch das Hinabdriicken der Kruste wurde diese immer

Geotektonische Verkniipfung yon Plutonismus und Vulkanismus 703

& A B

Tafel i. Quarzrhomboeder aus dern Rhyolith (Quarzporphyr) yon Dossenheim/Bergstrage (sfidlicher Odenwald) im D~innschliff. Gerundete Ecken durch magmatische Korrosion. Links unten j eweils Indizierung der Fl~ichen, rechts unten j eweils Position des Schnittes im Kristall. Maf~stab 0,2 mm. Fig. A. Dreieckige Schnittfigur etwa parallel zur c-Achse des einfachen Rhomboeders. Fig. B. Rautenf6rmige Schnittfigur des Hauptrhomboeders r mit untergeordnetem Nebenrhomboeder z. Fig. C. Rautenf6rmige Schnittfigur eines einfachen Rhomboeders. Fig. D. Rautenf6rmige Schnittfigur eines einfachen Rhomboeders r mit kleinem Prisma m.

704 H. FLICK

2-

4-

6

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10. 12

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16.

18

2O

22

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26-

28

kbar'

200 400 i i i

600 800 1000 1200 1400 ~ i J i i i i i i r

04�9

:2 Abb. 3. Druck- und Temperaturbestimmungen verschiedener felsischer Vulkanite. Rhyolithe aus der Taupo-Region/Neu- seeland nach NIC~tOLLS etal. (1971), (geschlossene Rauten) sowie nach Woo;3 ~ CAI~MICHAEL (1973), (offene Ranten). Rhyodazite von Victoria/Australien nach GREEN ~ RINGWOOD (1968), Bestimmungen an natfirlichen Proben = gerastertes Feld, experimentelle Bestimmungen = Punkte, Stern und Dreieck. AbscMtzung eines granathaltigen Felsitporphyrs aus dem Saargebiet gem~ig Analyse in Abb. 4.

Aim § Spess

/ , ~ I 0 Spess

~ ~ 4 7 * �9 ~ 30

0/ 5

Gross+A~d

~176176 ~ O0 d~ * Aim p,; v 4~0 " ~0 . . . . . 20~ . . . . 10~176 Abb. 4. Chemismus magmatogener Granate. Rhyodazite von Victoria/Australien nach GR~N ~ RINGWOOD (1968), natiir- iiche Proben = Kreise, experimentelle Proben (gem~ig Abb. 3) = Punkte, Stern und Dreieck. Rhyolithe aus der Slowakei nach BI~oussE et al. (1972) = Sechsecke. Felsitporphyr aus dem Saargebiet nach J~mo (1961) = Quadrat.

Geotektonische Verkntipfung von Plutonismus und Vulkanismus 705

mehr aufgeheizt, so dat~ mit der Zeit die kiesels/iure- reichen Schmelzen einen immer tieferen, heif~eren und gleichzeitig trockneren Ursprung hatten (EMMER- MAN~ 1977). Dieser Prozess verlagerte sich in der Folge der orogenen Einengungswelle nach Norden (vgl. Abb. 5). Die felsischen Vulkanite markieren den Abschluf~ dieser Entwicklung. Sie repr~isentieren den heif~esten und trockensten krustalen Magmatismus, der dann auch bis zur Erdoberfl/iche durchschlagen konnte. Dieses war erst m6glich, nachdem die oro- gene Kompression das Gebiet durchlaufen hatte. In der Folge des nachlassenden horizontalen Druckes zerbrach der Kontinent und erm6glichte so dem auf- steigenden Magma den Weg zur Oberfl~iche. Solche F6rderkaMle wurden ebenfalls vom basischen Vulk-

anismus aus dem Mantel benutzt, der teilweise den sauren aus der Kruste synchron begleitete.

Aus den Daten der Metamorphose des s/idwest- deutschen Raumes werden yon VOLE (mdl. Mittlg.) iihnliche Krustenm~chtigkeiten angenommen, wie sie hier aus dem Auftreten yon prim~irem Tiefquarz in Vulkaniten gefolgert werden. Das Fehlen eines orogenen Magmatismus im n6rdlich anschlief~enden Rheinischen Schiefergebirge korrespondiert mit ei- ner dort daffir zu geringen Krustendicke.

Folgerungen

Tiefquarzformen als ererbte Eigenschaft bei der Bildung der intratellurischen Einsprenglinge k6nnen als Geobarometer verwendet werden, um die Her-

PERM

290 Ma

320 Ma

O-KARBON

360 Ma J r _ _ _ _ r

U-KARBON

O- DEVON

Norden

Abb. 5. Schematische Krustenentwicklung im Sfidschwarzwaid zur Verdeutlichung der Beziehungen zwischen magma- togener Entwicklung und Krustenverkiirzung + Krustenverdickung, basierend auf petrologischen und geochemischen Untersuchungen von EMMEt~MANN (1977) und LleeoL:r etal. (1982, 1983) sowie auf dem Aui:treten yon prim~.rem Tiefquarz in den rhyolithischen Vulkaniten. Wellenlinie als Andeutung der mit der Zeit zunehmenden Krustenverkiirzung; Punkt- raster = basaltische, schwarz = rhyolithische, ohne Signatur = granitporphyrische, tibrige Signamr = granitische Schmelzen, gestrichek = permokarbone Sedimente.

706 H. FLICK

kunftstiefe und damit eine Mindestkrustendicke ab- zuscMtzen. In Verbindung mit geochronologischen und petrologischen Daten erlauben sie, die felsischen

Vulkanite in ihre geotektonische Stellung einzuord- nen und damk die orogene Entwicldung der Kruste zu verfolgen.

L i t e r a t u r v e r z e i c h n i s

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