Tabelle 2.1: Provinz und Formation sowie Sektion/ bzw. Profil aus denen die Proben stammen. ... 9 Tabelle 2.2: Informationen über (Unter-) Gruppe bzw. Formation aus denen Proben entnommen
wurden sowie Informationen über die jeweilige glaziale Periode, nach denen die Formationen abgelagert wurden. ... 11
4. Geologischer Kontext
Tabelle 4.1: Zusammenfassung typischer Merkmale der Cap Dolomite der
Marinoan-Eiszeit. ... 68
5. Methodik
Tabelle 5.1: Mittelwerte für den Standard NBS 987 sowie die Anzahl (n) der Messungen. ... 77 Tabelle 5.2: Mittelwerte für den Standard NBS 915b sowie die Anzahl (n) der Messungen. ... 78 Tabelle 5.3: Konzentrationen von PAAS (nach McLennan (1989), aus Rollinson (1993))... 91
6. Vorstellung der Daten
Tabelle 6.1: Herkunftsland, Anzahl der Proben (n) sowie Aufteilung und Anzahl der
durchgeführten Methoden. ... 98 Tabelle 6.2: Zusammenfassung der Minima und Maxima der Hauptelemente Ca, Mg, Al, K, Fe
und Na für die chinesische Probenserie. ... 102 Tabelle 6.3: Zusammenfassung der Minima und Maxima der Hauptelemente Ca, Mg, Al, K, Fe
und Na für die namibische Probenserie. ... 102 Tabelle 6.4: Zusammenstellung der Minima und Maxima von Mn/Sr, Sr [µg/g] und Mn [µg/g]
der chinesischen und namibischen Probenserien. ... 106 Tabelle 6.5: Zusammenstellung der HFSE, LILE und RedOx-sensitiven Elemente der
chinesischen und namibischen Probenserien. Untere Datenzeile stellt die Werte
für PAAS(McLennan (1989)) dar. Alle Konzentrationen werden in µg/g angegeben. . 108
8. Fazit
Tabelle 8.1: Zusammenfassung geochemischer Parameter zur Rekonstruktion des
Ablagerungsmilieus der chinesischen Karbonate. ... 220 Tabelle 8.2: Zusammenfassung geochemischer Parameter zur Rekonstruktion der
Ablagerungsmilieus der Karbonate aus Namibia. ... 223
5. Methodik
Formel 5.1: Formel zur Isotopenverdünnungsanalyse. 80
Formel 5.2: Formel zur Berechnung der δ-Notation. 86
Formel 5.3: Formel zur Berechnung der Europium-Anomalie (nach Lawrence et al. (2006)). 91 Formel 5.4: Formel zur Berechnung der Lanthan-Anomalie (nach Lawrence et al. (2006)). 91 Formel 5.5: Formel zur Berechnung der Cerium-Anomalie (nach Lawrence et al. (2006)). 91 Formel 5.6: Formel zur Berechnung der Gadolinium-Anomalie
(nach Lawrence et al. (2006)). 91
Formel 5.7: Formel zur Berechnung der Europium-Anomalie
(nach Taylor und McLennan (1985)). 97
a Jahre (lat: annus)
BD (Zusatz; tiefgestellt) markiert die Ce-Anomalien kalkuliert nach Bau und Dulski (1996)
cps counts/Zähler pro Sekunde
Cr Chrom
Grainstone Einteilung nach Dunham (1962) ≈ korngestützte
> größer als x
GW: Grundwasser
H2O Wasser
H2O2 Wasserstoffperoxid
H2S Schwefelwasserstoff
H3PO4 Phosphorsäure
HCl Salzsäure
HF Flusssäure
HFSE High field strength elements
Hilfsträger „Handstück-große“ Gesteinsscheiben aus denen die Proben erbohrt wurden
HNO3 Salpetersäure
Ho Holium
HREE+Y Heavy Rare Earth Elements + Yttrium (schwere Seltene Erdelemente inclusive Yttrium)
hummocky cross stratification ungleichmäßige Schichtung aus konkav und konvex geformten Querlamellen
K Kalium
K Kelvin
Kap. Kapitel
< kleiner als x
konvolut verwachsene, ineinander verschlungene Strukturen in Gesteinen
L (Zusatz; tiefgestellt) markiert die Ce-Anomalien kalkuliert nach Lawrence et al. (2006)
La Lanthan
(La/La*)N La-Anomalie
LILE Large ion litophile elements
Li Lithium
LREE+Y Light Rare Earth Elements + Yttrium (leichte Seltene Erdelemente inclusive Yttrium)
Mudstone nach Dunham (1962) definiert als matrixgestützte Karbonatgesteine
N (Zusatz; tiefgestellt) markiert die auf PAAS normalisierten Elemente
n Anzahl/Menge
N Normalität
Na Natrium
NCK Nordchinesischer Kraton
Nd Neodym
ng/g Nanogramm pro Gramm, entspricht ppb (parts per billion)
µg/g Mikrogramm pro Gramm, entspricht ppm (parts per million)
Ni Nickel
P Phosphor
PAAS Post Archaean Australian Shale
Pb Blei
Packstone nach Dunham (1962) definiert als korngestützte Kalksteine
PE Polyethylen
pers. Komm. Persönliche Kommunikation
Pr Praseodym
Rb Rubidium
REE+Y Rare Earth Elements + Yttrium
roll-ub structures Wickelfalten
unveröff. unveröffentlicht
UG Untergruppe
V Vanadium
Wackestone nach Dunham (1962) definiert als Matrixgestützte Kalksteine mit >10% Kornanteil
Y Yttrium
Yb Ytterbium
z.B. zum Beispiel
Zn Zink
Zr Zirkonium
1. Einleitung
1.1 Vorwort, Ziele und Begrifflichkeiten
Diese Studie behandelt postglaziale, karbonatische Ablagerungen des Neoproterozoikums, genauer gesagt aus dem Cryogenium (850 - 635 Ma) bzw. dem Ediacarium (635-541 Ma). Zur Zeit des Cryogeniums kommt es im Zuge starker Abkühlungsphasen zu extremen Veränderungen in der Umwelt. In diesem Zusammenhang ist der Begriff des „Snowball Earth“ zu nennen, der das Phänomen globaler Vereisungen beschreibt (Kirschvink (1992b)).
Da die Bezeichnung „Snowball Earth“ einen Eigenbegriff darstellt und in der weitreichenden Literatur beschrieben wird, soll auch für diese Studie die englische Bezeichnung genutzt werden. Es wird vorwiegend vermutet, dass es zur Zeit des Cryogeniums mindestens zwei Vereisungsphasen (Sturt- und Marinoan-Vereisung) gab, welche bis zum Äquator gereicht haben („Snowball Earth“, z.B. Schmidt und Williams (1995), Hoffman et al. (1998), Saylor et al. (1998), Sohl et al. (1999)). Die ältere Vereisungsphase – die Sturt-Vereisung – erfolgte vor
~720 Ma (Brasier et al. (2000)). Sie ist benannt nach dem Sturt-Tillit in Australien (z.B. Preiss et al. (2011)). Die Ablagerungen dieser Serie werden in den folgenden Texten als „post-Sturt“
bezeichnet. Auf die Sturt-Vereisung folgt nach einer Warmzeit die jüngere Marinoan-Vereisung (vor ~635 Ma, Hoffmann et al. (2004)). Diese Marinoan-Vereisungsphase ist nach dem Ort Marino in Süd Australien benannt (URL1), weshalb die postglazialen Einheiten dieser Phase in den folgenden Texten als post-Marinoan beschrieben werden. Ein Hinweis auf eine globale Verbreitung der Eismassen ist das weltweite Vorkommen von glazialen Ablagerungen sowie von typischen Karbonatgesteinen, die weltweit nach dem Abschmelzen der Eismassen abgelagert wurden. Allen diesen postglazialen Karbonaten sind charakteristische sedimentäre Muster gemein. Diese karbonatischen Ablagerungen werden in der Literatur als Cap Karbonate beschrieben (z.B. Hoffmann und Prave (1996), Kennedy (1996), Hoffman et al. (1998)). Der extreme Wandel im Klimahaushalt der Erde hat zur Folge, dass sich die Chemie der Ozeane verändert. Mit Hilfe isotopengeochemischer Untersuchungen der Cap Karbonate sollen die Bedingungen zum Zeitpunkt der Ablagerung rekonstruiert werden. Aufgrund der globalen Verbreitung dieser Karbonate soll anhand von Probenmaterial aus verschiedenen Herkunftsgebieten – China und Namibia – verglichen werden, ob die Ablagerungsbedingungen der post-Marinoan Karbonate tatsächlich global
miteinander vergleichbar sind. Um einen globalen Vergleich zu erzielen wurden Karbonate aus China und Namibia isotopengeochemischen Untersuchungen unterzogen. Neben der globalen Vergleichbarkeit gilt es zu beurteilen, ob sich die geochemischen Signaturen der Karbonate aus den beiden postglazialen Phasen – Sturt und Marinoan – miteinander vergleichen lassen.
Abgesehen von den globalen Eiszeiten kommt es im folgenden Ediacarium – vor ca. 580 Ma (Bowring et al. (2003)) – zu einer weiteren Vereisungsphase, welche jedoch nicht bis in die Äquatornähe vordrang. Diese glaziale Phase ist nach der Gaskiers-Formation in der Nähe der Stadt Gaskiers in Neufundland benannt (z.B. Retallack (2013)). Neben den post-Sturt und post-Marinoan Karbonaten werden in dieser Studie zusätzlich karbonatische Proben behandelt, die ca. 40 Ma nach der Gaskiers Vereisung abgelagert wurden. Im Text werden diese Proben als „Ediacara“ angesprochen. Diese Karbonate stammen aus unterschiedlichen Formationen bzw. Schichtgliedern, welche in unterschiedlichen Lokalitäten abgelagert wurden (vgl. Kap. 3.2.3) und sollen in ihrer Geochemie ebenfalls untersucht und verglichen werden.
Die Proben aus der chinesischen Probenserie wurden verschiedenen Sektionen entnommen.
Als Sektionen werden in dieser Arbeit die unterschiedlichen Profile/Profilstellen bezeichnet, an denen die Proben entnommen wurden. Da es sich um mehrere Sektionen handelt, werden die einzelnen Sektionen mit einer weiteren Bezeichnung benannt, welche sich in den meisten Fällen aus den Standorten der einzelnen Profile ergibt. Das namibische Probenmaterial wurde ebenfalls an verschiedenen Lokationen entnommen. Im Falle der Proben aus Namibia wurden keine kompletten Profile aufgenommen. Die einzelnen namibischen Probenserien werden stattdessen mit Lokalitäten bzw. mit den jeweiligen Formationen/Schichtgliedern angesprochen, aus denen die Proben stammen.
Die folgenden Definitionen richten sich nach dem „International Stratigraphic Guide“ von Murphy und Salvador (1999). Zum besseren Verständnis wird in Abbildung 1.1 ein schematischer Aufbau einer lithostratigrafischen Unterteilung gezeigt.
Bei Formationen handelt es sich um lithostratigrafische Einheiten, welche die Untereinheiten zu lithostratigrafischen Gruppen darstellen. Diese setzen sich zusammen aus verschiedenen Formationen, welche aus Gesteinen mit lithologischen Ähnlichkeiten bestehen. Die Formationen können wiederum in sogenannte „member“ unterteilt werden.
Der englische Begriff „member“ wird in den folgenden Texten durch den Ausdruck „Schichtglied“ ersetzt. Die sogenannten Schichtglieder besitzen lithologische Eigenschaften durch welche sie sich von den restlichen Gesteinen der Formation unterscheiden. Die Unterteilung der Formationen in einzelne Schichtglieder wird nicht immer unternommen. Der Terminus der Formation wird in den folgenden Texten durch „Fm.“
abgekürzt, der Begriff des Schichtgliedes durch „SG“.
Abbildung 1.1: Lithostratigrafische Unterteilung einer Gruppe.
Die folgende Tabelle (Tab. 1.1) gibt einen Überblick über die unterschiedlichen Herkunftsländer als auch über die unterschiedlichen Ablagerungszeiten des Probenmaterials. Neben dem Herkunftsland und den Lokalitäten werden das ungefähre Alter, die stratigrafische Einteilung, die Einheit/Gruppe, die jeweilige Benennung der Probenserie, Probensektion, Probennummern sowie die Profilhöhe, sofern diese vorhanden ist, angegeben.
Tabelle 1.1: Überblick über Herkunft, Alter, Name der Probenserie, Sektionen, bzw. Formationen und Schichtglieder aus denen das Probenmaterial stammt.
502
C hi na
~547 Ediacara Shibantan-SG Ediacara Hubei-ProvinzLand ~Alter
~635
Ed iac ara (D ou sh an tu o- Fm .) C ap K arbo nat e po st -M ari no an H ub ei- Pr ov in z
Huajipo
Fortsetzung zu Tabelle 1.1: Überblick über Herkunft, Alter, Name der Probenserie, Sektionen, bzw. Formationen und Schichtglieder aus denen das Probenmaterial stammt.
1.2 Methoden
Um eine geochemische Charakterisierung bzw. einen geochemischen Vergleich der verschiedenen Karbonatgesteine durchzuführen, werden im Zuge dieser Studie verschiedene Methoden genutzt. Dabei liegt der Fokus auf den Elementen der Seltenen Erden inklusive Yttrium (REE+Y) sowie diversen Spurenelementen. Weitere wichtige Werkzeuge zur geochemischen Charakterisierung der postglazialen Karbonate bzw. des
543
Ablagerungsmilieus sind Strontium (Sr)- und Calcium (Ca)-Isotope. In der Literatur gibt es Bemühungen eine präzise Meerwasser-Kurve für die Entwicklung der Sr-Isotope während des Neoproterozoikums zu erstellen. Die Sr-Analysen, die an den postglazialen Karbonaten durchgeführt wurden, sollen zeigen, ob sich die Cap Karbonate bzw. die Ediacara Karbonate eignen die neoproterozoische Meerwasserkurve um 87Sr/86Sr-Werte zu ergänzen. Dabei gilt es auch zu beobachten inwieweit sich die Proben aus China mit denen aus Namibia reproduzieren bzw. unterscheiden. Zhu et al. (2003) postulieren, dass die Zusammensetzung der Sr-Isotope der post-Marinoan Karbonate auf der Yangtze Plattform (Drei-Schluchten-Region) globale 87Sr/86Sr-Muster repräsentieren, da die Yangtze Plattform zum Zeitpunkt der Ablagerung einen direkten Zugang zum Ozean hatte (Sawaki et al. (2010)). Außer den Sr-Isotopen werden in dieser Studie auch Ca-Isotope der marinen Ablagerungen zur Rekonstruktion des Milieus bzw. zum globalen Vergleich genutzt. Ca-Isotope könnten ein wichtiges Werkzeug darstellen, da sich das System als sehr resistent gegenüber diagenetischen Effekten an Cap Karbonaten erwiesen hat (z.B. Kasemann et al. (2005, 2010) oder Silva-Tamayo et al. (2010a, 2010b)).
Darüber hinaus werden die erlangten Ergebnisse dieser Studie durch Daten von Sr- und Ca-Isotopen bereits analysierter Cap Karbonate aus Namibia von Eisenhauer (unveröff.) vervollständigt. Dabei sind von Sturt Karbonaten bereits Sr-Isotope und von den post-Marinoan Sr- sowie Ca-Isotope vorhanden.
1.3 Aufbau und Gliederung dieser Studie
In dem folgenden zweiten Kapitel werden die Probenlokationen aus China und Namibia gezeigt. Im dritten Kapitel folgt eine Vorstellung des Probenmaterials. Im vierten Kapitel wird auf die geologische Entwicklung der Arbeitsgebiete und die Begriffe des „Snowball earth“ und der „Cap Karbonate“ eingegangen. Während dieser Studie wurden verschiedene Methoden zur geochemischen Charakterisierung der Cap Karbonate genutzt. Diese werden in der klassischen Methodik im fünften Kapitel beschrieben (5. Kap. Teil A). In einer kritischen Betrachtung (5. Kap. Teil B) wird darauf eingegangen weshalb im Besonderen diese Methoden zur Charakterisierung der Karbonate ausgewählt wurden. Des Weiteren wird ein kritisches Augenmerk darauf gelegt, wie und ob sich die Cap Karbonate dazu eignen bzw. welche Methoden auf die Cap Karbonate angewendet werden können, um eine
Charakterisierung des Ablagerungsmilieus durchzuführen. Außerdem wird darauf eingegangen, ob die Art der Probennahme eine Auswirkung auf die Ergebnisse und die darauf folgende Interpretation haben kann. Nachdem die erlangten Daten im sechsten Kapitel vorgestellt werden, erfolgt in der Diskussion im siebten Kapitel eine kritische Betrachtung und Auswertung aller geochemischen Muster. Anhand der Ergebnisse sollen die Bedingungen zum Zeitpunkt der Ablagerung der Cap Karbonate erörtert werden. Diese werden in einem Fazit im achten Kapitel zusammengefasst und interpretiert. Abschließend wird in einem kurzen Ausblick (9. Kap.) erwogen, welche weiteren Methoden genutzt werden können um diese Gesteine zu charakterisieren. Des Weiteren folgt ein kritischer Blick darauf, welche Maßnahmen dazu dienen könnten eine bessere Charakterisierung zu erreichen. Die genutzte Literatur wird im zehnten Kapitel aufgeführt, woraufhin in einem anschließenden Anhang die gesamten Bilder des Probenmaterials sowie die Analysenergebnisse vorgestellt werden.
2. Arbeitsgebiete und Probenauswahl
2.1 China
Die genaue Lage der Arbeitsgebiete kann der Übersichtskarte (Abb. 2.1) entnommen werden.
Das Arbeitsgebiet liegt auf der Südchinesischen Yangtze-Plattform entlang der Huangling-Antikline, welche sich in der Drei-Schluchten-Region befindet (vgl. Abb. 4.1, Abschnitt 4.1).
Der Großteil der post-Marinoan Karbonate stammt aus Profilen, welche in der südöstlichen Hubei-Provinz nahe der Stadt Yichang (Hauptstadt Wuhan) anstehen (vgl. Abb. 2.1). Eine Zusammenfassung der verschiedenen Sektionen ist in Tabelle 2.1 aufgeführt. Aus dieser Gegend stammen ebenfalls drei Ediacara Proben (Wuhe-Yanjiahe Sektion; siehe Tab. 2.1), welche ca. 40 Ma nach der Gaskiers Vereisung abgelagert wurden. Zwei weitere Proben stammen aus der südwestlich gelegenen Beidoushan Sektion, in der Guizhou Provinz nahe der Stadt Weng'an (vgl. Abb. 2.1). Bei dem Hauptteil der Proben handelt es sich um postglaziale Ablagerungen (Cap Karbonate) der Marinoan-Vereisung.
Abbildung 2.1: Lage der Arbeitsgebiete in China (gekennzeichnet durch rote Punkte bzw. Ellipsen (verändert nach URL2)).
Tabelle 2.1: Provinz und Formation sowie Sektion/ bzw. Profil aus denen die Proben stammen.
Die post-Marinoan Karbonate aus der Hubei-Provinz wurden bereits in der Dissertation von Lu (2011) intensiv auf Kohlenstoff-Isotope (δ13C) analysiert. Dabei wurden in bestimmten Höhen der Profile (jeweils in den C3-SG) auffällig negative δ13C-Anomalien beobachtet (Abb. 2.2). Aus diesen Teilen (C3-SG) wurden im Rahmen dieser Arbeit Proben entnommen und isotopengeochemisch untersucht. Zum Vergleich wurden während zwei weiteren Analysen-Reihen Proben aus den C1- und C2-SG entnommen und ebenfalls isotopengeochemisch untersucht.
Abbildung 2.2: δ13C-Anomalien im Bereich des C3-SG am Beispiel der Jiulongwan Sektion (rotes Rechteck;
Profil verändert nach Lu (2011)).
Provinz/Fm. Sektion/Profil
Hubei Provinz
Dengying-Fm. Wuhe-Yanjiahe
Guizhou-Provinz
Doushantuo-Fm. Beidoushan
Hubei Provinz Doushantuo-Fm.
Huajipo Jiulongwan Huangniuya
Meizuoxia Nantuocun Tianjiayuanzi
Cap- Karbonate
2.2 Namibia
Die Proben aus Namibia stammen aus dem nordöstlichen sowie aus dem südlichen Teil Namibias. In Abbildung 2.3 werden die Lagen der Arbeitsgebiete durch farbige Symbole markiert.
Im Gegensatz zu der chinesischen Probenserie, welche hauptsächlich post-Marinoan Karbonate umfasst, repräsentieren die Proben aus Namibia Ablagerungen aus drei erdzeitlichen Phasen. Zum einen handelt es sich um postglaziale Karbonate der Sturt- und Marinoan-Vereisung, zum anderen um Karbonate aus dem Ediacarium, welche auf die Gaskiers Vereisung folgen (Tab. 2.2). Ähnlich wie die Ediacara Proben der Wuhe-Yanjiahe Sektion wurden auch diese Karbonate ca. ~40 Ma nach der glazialen Phase abgelagert. Die post-Sturt und post-Marinoan Proben wurden im nordwestlichen Teil Namibias in der Kunene-Region am südlichen bzw. südwestlichen Rand des „Kamanjab-inliers" entnommen (rotes Rechteck in Abb. 2.3).
Abbildung 2.3: Lage der Arbeitsgebiete in Namibia (post-Sturt und post-Marinoan gekennzeichnet durch rotes Rechteck, Ediacara durch blaue Punkte; verändert nach URL3 und URL4).
Die Ediacara Proben wurden im südlichen Teil Namibias entnommen (blaue Punkte in Abb. 2.3). Im Gegensatz zu den Ediacara Karbonaten aus der Wuhe-Yanjiahe Sektion stammen die namibischen Karbonate dieser Zeit aus zwei verschiedenen Ablagerungsmilieus bzw. Formationen: dem Omkyk-Schichtglied (SG) und dem etwas jüngeren Mooifontein-SG, welche beide der Nama Gruppe zugeordnet werden. Die Proben aus dem Mooifontein-SG entsprechen im Alter denen der Wuhe-Yanjiahe Sektion.
Tabelle 2.2: Informationen über (Unter-) Gruppe bzw. Formation aus denen Proben entnommen wurden sowie Informationen über die jeweilige glaziale Periode, nach denen die Formationen abgelagert wurden.
.
Schon im Voraus wurden von Eisenhauer (unveröff.) isotopengeochemische Analysen an post-Marinoan Proben aus der Fransfontein Region durchgeführt. Diese Ergebnisse zeigen geringere Variationen und weniger negative Werte in den δ13C-Isotopen. Da sich die post-Marinoan Karbonate aus China nicht nur in der Ausbildung der Kohlenstoff-Isotope sondern auch deutlich im Gefüge von den post-Marinoan und post-Sturt Karbonaten aus Namibia unterscheiden (pers. Komm. J. Reitner), wurden die Proben entnommen um einen geochemischen Vergleich zwischen den postglazialen Karbonaten zu erstellen. Außerdem gilt es, die Ablagerungen der verschiedenen postglazialen Phasen (Sturt und Marinoan) in Namibia miteinander zu vergleichen. In dem Ediacara Mooifontein-SG wurden starke Brekziierungen beobachtet (pers. Komm. J. Reitner). Anhand geochemischer Untersuchungen soll ermittelt werden, ob sich diese Proben von denen aus dem Omkyk-SG geochemisch unterscheiden. Die Proben aus dem Mooifontein-SG stellen die namibischen Pendants zu den drei Proben aus dem Ediacara Shibantan-SG aus China dar (Wuhe-Yanjiahe Sektion, Dengying-Fm.; siehe Tab. 2.1; pers. Komm. J. Reitner). Diese Proben sollen ebenfalls geochemisch verglichen werden.
(Unter-) Gruppe Schichtglied/Formation Post-…
Nama Mooifontein-SG
Omkyk-SG …Gaskiers
Tsumeb Keilberg-SG/ Maieberg-Fm. …Marinoan
Abenab Rasthof-Fm. …Sturt