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Ardennen - Exkursion: Exkursionsbericht Tag 8

Datum der Exkursion: 11. - 19. April 2011

Leitung: Prof. John C. Tipper und PD Dr. Eckardt Stein

Abb. 1: Untersuchung der Steinbruchwand im Aufschluss 2 bei Senzeilles

Protokollant: Timm Reisinger

Matrikelnummer: 2710185

Studiengang und Semester: Geowissenschaften 5. Semester

Universität: Albert- Ludwigs- Universität Freiburg

Einleitung

Das Hauptthema des achten Exkursionstags waren Mud Mounds (engl. „Schlammhügel“). Mud Mounds sind biologische Strukturen, die überwiegend aus feinkörnigem Kalk bestehen. Die meisten Mud Mounds dürften auf Kieselschwamm-Mikroben-Biokonstruktionen zurückgehen. Vielfach verwesen die Schwämme unter mikrobieller Beteiligung vollständig und es bleiben agglutiniert-peloidale Gefüge zurück.

Besonders auffällig sind steilflankige Mud Mounds im Unterkarbon Belgiens.

Die letzten beiden Aufschlüsse an diesem Tag beschäftigten sich überwiegend mit tektonischen Strukturen. Thema waren Falten und deren Entstehung.

Abb. 2: Übersicht über die Lage der Aufschlüsse (Exkursionstag 8)
Abb. 3: Vereinfachte geologische Karte von Süd-Belgien (Boulvain, 1997)

Aufschluss 1

Steinbruch Les Wayons im Frasne (Valisettes Formation, Petit-Mont Member), Mud Mound

Abb. 4: Lage des Aufschlusses 1

Nach einer Fahrt durch das Maas-Tal erreichten wir den südlichen Teil von Belgien. Auffällig an dieser Gegend sind lange gerade Straßen, die vom Militär genutzt werden. Die weitläufigen Landschaftsflächen werden hauptsächlich agrarwirtschaftlich genutzt.

‘Les Wayons’ ist ein auflässiger Steinbruch, direkt nordwestlich von Merlemont (Abb. 4). Der Zugang zum Aufschluss wird vom Dorfzentrum über einen schmalen Weg Richtung Westen erreicht.

Abb. 5: Blick vom Eingang auf die Steinbruchwand

Im Norden liegt das Brabant-Massiv, darunter folgen die Namur- und die Dinant-Synkline und weitere Faltenstrukturen (Abb. 3). Die meisten Bereiche sind dem Devon zuzuordnen. Das Stavelot-Massiv, das Rocroi-Massiv und das Brabant-Massiv sind älter, Silur bis Kambrium. Aufschluss 1 befindet sich in der Dinant-Synklinale, am N-Rand des Philippeville-Massivs westlich der Maas und von Dinant.

Das anstehende und hier abgebaute Gestein trägt die Bezeichnung „Belgischer Marmor“. Das Gestein ist sehr homogen und hart. Es kommt aus dem späten Devon, genauer aus dem Frasne. Die Aufschlusswand als Ganzes ist ca. 20-30 m hoch und ca. 40 m breit (Abb. 5).

Viele Strukturen, die in der Abbauwand zu sehen sind, entstanden beim Sägen durch das Säge-Seil und dürfen nicht mit sedimentären oder tektonischen Phänomenen verwechselt werden. Im Eingangsbereich des Steinbruchs und über der glatt gesägten Wand wurde das Gestein nicht abgebaut, was daran liegt, dass das Gestein an diesen Stellen nicht abbauwürdig ist, weil es sich um ein anderes Material handelt. In dem verbliebenen Gestein sind Schichten zu erkennen, die im oberen Bereich ± horizontal liegen (Abb. 6).

Abb. 6: Linker oberer Teil des Steinbruchs mit Schichtung im oberen Bereich

In der Mitte des Steinbruchs ist das Gestein massig und es ist keine Schichtung zu erkennen. In diesem Aufschluss steht Massenkalk an, umgeben von geschichtetem Kalkstein.

Aus diesen Phänomenen kann man schließen, dass das massige, homogene und harte Gestein von einem ehemaligen Riff stammt, das ca. 25 m hoch war. Bei dem Riff handelte es sich ein Pinnacle-Riff. Der Aufschluss 1 stellt die Mitte einer solchen Riff-Struktur dar.

Zur Bildung eines Riffs sind viele Faktoren ausschlaggebend, wie zum Beispiel Licht, Wassertemperatur usw. Auch die Art der Organismen spielt eine Rolle, sie benötigen meist besondere Skelette, so dass eine zur Wasseroberfläche aufbauende Struktur gebildet werden kann. Heutzutage bestehen Riffe hauptsächlich aus Korallen. Sie konnten aber auch aus Stromatoporen, Schwämmen und weiteren Tieren entstehen. Anzeichen von Korallen sind im Aufschluss nicht zu erkennen.

Abb. 7: Stromatactis

Im Steinbruch sieht man weiße Strukturen, bei denen es sich um so genannte Stromatactis handelt. Stromatactis sind Bereiche roter, pinker und orange-brauner Färbung. Die Bereiche sind nicht kontinuierlich geschichtet und es gibt keine Verbindungen der unterschiedlichen Farben, zum Beispiel sind die weißen Bereiche nicht verbunden (Abb. 7). Es handelt sich um unregelmäßige Strukturen. Aufgrund der nicht vorhandenen Verbindungen und der Unregelmäßigkeit sehen die Strukturen nicht nach Korallen aus.

Bei dem roten Material handelt es sich um roten Schlamm, bei den weißen Bereichen um mit Kalzit verheilte Räume und die braunen Bereiche bestehen aus verfestigtem Schlamm und weiterem Material, es handelt sich also um ein Gemisch mehrerer Materialien. Im anstehenden massiven Kalk wurden Spicula (stabilisierende Skelettnadeln der Schwämme) gefunden. Daraus konnte geschlossen werden, dass es sich ursprünglich um ein Schwamm-Riff gehandelt hat.

Abb. 8: Harnisch-Fläche mit Abbruchkanten

Dieses Schwamm-Riff wurde jedoch in sich durch Algen, Bakterien usw. zerstört. Die bei der Zerstörung entstandenen Strukturen sind die Stromatactis. Es herrschte ein anoxisches Milieu, in dem die zerstörenden Algen und Bakterien (Mikroorganismen) lebten. Während der Zerstörung von innen haben die Schwämme das Riff weiter aufgebaut. Der Schlamm in den Stromatactis-Strukturen ist z.T. infiltriert worden, ist also von außen in die Struktur eingedrungen und hat sich im Inneren mit vorhandenem Material vermischt.

Das geschichtete Gestein um den Massenkalk gehört nicht mehr zum Riff. Das Riff ist abgestorben und von Kalkschichten überlagert worden. Eine Möglichkeit für das Absterben könnte ein Meeresspiegelanstieg gewesen sein. Ein Meeresspiegelanstieg kann relativ schnell erfolgen: Das Wasser wird weniger von Licht durchflutet und weil die Schwämme Algen aus dem Wasser filtern, die Licht benötigen, kommt es zu einem Absterben des Riffs. Das Resultat wäre dann ein „Ertrunkenes Riff“.

Das Absterben des Riffes könnte auch an den Organismen gelegen haben. Die Grenze vom Frasne zum Famenne ist durch ein Massenaussterben gekennzeichnet, das zu den Big Five gehört.

Tektonik macht sich in diesem Aufschluss nur relativ wenig bemerkbar, es ist jedoch eine tektonische Struktur vorhanden. Im linken Teil des Steinbruchs gibt es eine gelbe Wand, in der eine Lineation zu erkennen ist (Abb. 8). Die vorhandenen Harnische verau-fen von rechts oben nach links unten. Weiterhin sieht man in diesem Bereich Abbruchkanten, die senkrecht zu den Linearen stehen. Aus dieser Konstellation ist eine Transportrichtung auszumachen: dextrale Seitenverschiebung mit abschiebender bzw. aufschiebender Komponente.

Aufschluss 2

Steinbruch ‘Beauchateau’ im Frasne (Valisettes-Formation, Petit-Mont Member), Mud Mound. Auflässiger Steinbruch 2.5 km südöstlich von Senzeilles (Abb. 9).

Abb. 9: Lage des Aufschlusses 2

Auch bei Aufschluss 2 handelt es sich um einen Mud Mound. Wie im ersten Aufschluss gibt es auch hier massiven Kalkstein mit Stromatactis, über dem sich geschichteter Kalkstein befindet. Die Abbauwand ist ca. 20-30 m hoch und die Steinbruchsohle ist ca. 50 m breit (Abb. 1). Aufschlussreich an diesem Steinbruch ist, dass hier Fossilien zu finden sind, die an einem Riff gelebt haben.

Auf der linken Seite des Aufschlusses steht geschichteter Kalk mit fossilen Schalen an. Die Schichten weisen ein relativ steiles Einfallen von ca. 40° auf (Flank-Deposits, Abb. 10). Rechts neben dem geschichteten Kalk gibt es in einem massiven Kalk Strukturen, die der Schichtlagerung ähnlich sind.

Abb. 10: Flank Deposits

An den Flanken von Mud Mounds sind große Einfallswinkel zu erwarten. Durch vom Riff herabgleitendes Material können Winkel von bis zu 60° erreicht werden (reiner Sand bildet üblicherweise Hänge mit 30-35°).

In den Flanken-Ablagerungen gibt es viele Fossilien: Seelilien, Brachiopoden, Nautiloideen-Teile, Muschelfragmente, Korallen und Kalkschwämme. Hauptsächlich haben wir jedoch Seelilienstängel (Abb. 11) und Brachiopoden gefunden. Diese Fossilien sind typisch für Flachwasser-Bereiche im Paläozoikum.

Abb. 11: Seelilienstängel (Trochit) im linken Teil des Steinbruchs

Im Riff gibt es eine Schichtung, das ist bereits am Rand zu erkennen. Doch auch im Inneren des Riffs ist eine Schichtung auszumachen.

In diesem Aufschluss gibt es Hinweise, dass die Schichtung ± horizontal liegt. Diese Strukturen sind nicht tektonisch, sondern durch Ablagerung entstanden.

Indikator für eine Schichtung sind Fossilien, so genannte „Paläohorizontalparameter“ oder Geopetal-Strukturen (Abb.12). Es sind fossile Schalen, in denen sich Schlamm abgesetzt hat. Später ist über dem Schlamm Kalzit ausgefallen.

Abb. 12: Paläohorizontalparameter und Skizze zur Entstehung

Indikator für eine Schichtung sind Fossilien, so genannte „Paläohorizontalparameter“ oder Geopetal-Strukturen (Abb.12). Es sind fossile Schalen, in denen sich Schlamm abgesetzt hat. Später ist über dem Schlamm Kalzit ausgefallen.

Etwa in der Mitte des Steinbruchs kann man zwei solche nebeneinander liegende Kalkschalen erkennen, bei denen die Trennlinie zwischen Schlamm und Kalzit denselben Winkel bildet (Abb. 12). Aufgrund dieser Situation ist eine Bestimmung der Schichtlagerung möglich.

Abb. 13: Fossile rugose Korallen

Im Steinbruch sind weiterhin fossile rugose Korallen, oft in größerer Form, als Schar von weißen Punkten zu sehen (Abb. 13).

Aufschluss 3

Steinbruch im Frasne (Steinbruch in Grands Breux Formation, Lion Member) Mud Mound. Der Aufschluss ‘Le Lion’ ist ein leerstehender Steinbruch 2.5 km nordöstlich von Couvin

Abb. 14: Lage des Aufschlusses 3

Waren wir in den Aufschlüssen 1 und 2 im dritten Level der Mud Mounds, so befinden wir uns in Aufschluss 3 im 2. Level. Die Mud Mounds des ersten Levels liegen stratigrafisch unter uns (Abb. 17).

Im Steinbruch steht ein grauer, homogener und massiver Kalkstein an. Im Ausgangsbereich steht ein anderes Material an, eine Art kalkiger (Abb. 16) Mergelschiefer mit Konglomerat-ähnlichen Schichten. Die Grenze bzw. eine deutliche Änderung des Materials ist sehr gut zu erkennen (Abb. 15).

Im Mergelschiefer sind häufig runde bzw. kugelige Einschlüsse zu erkennen. Es gibt Bereiche mit und ohne diese „Kiesel oder Gerölle“. Schieferung ist schwer bis gar nicht zu messen. Auffällig ist, dass das Gestein leicht in relativ feinen Schutt zerbricht. Daraus kann geschlossen werden, dass Schichtung und Schieferung ähnliche Winkel aufweisen.

Abb. 15: Scharfe Material-Grenze
Abb. 16: Positiver Salzsäuretest des mergeligen Materials

Weiter in Richtung Ausgang ist die Schichtung gut zu erkennen. In den Schichten befinden sich wieder kugelige Gebilde. Die Schichten sind hier zu Blöcken gebrochen, was auf die Klüfte, die fast senkrecht zur Schichtung stehen, zurück zuführen ist. Die geblockten Schichten entstanden, nachdem sich die Klüfte in der varistischen Gebirgsbildung gebildet hatten und darauf in den Klüften Material gelöst wurde (Abb. 18).

Abb. 17: Verschiedene Level von Mud Mounds in Südbelgien (Sandberg et al.)
Abb. 18: Durch Lösung zersetzte Schicht
Abb.19: Übrig gebliebene Teile einer Kalkstein-Schicht

Bei den „Kugeln“ handelt es sich um Kalkstein-Kugeln, die ehemals durchgehende Bänke gewesen sein könnten. Die Kiesel und Gerölle im Mergel könnten ein Produkt von Lösungsvorgängen sein (Abb. 20).

Näher am Ausgang stehen mächtige Schichten mit elongierten Steinen an. Man erkennt einen Rest von relativ massigem Kalkstein in der Schicht (Abb. 19, unter der Hand von Prof. Tipper), der ca. 8-9 cm mächtig ist.

Weiter unten ist ein weiterer Rest des massigen Kalksteins im Schichtenverlauf zu sehen (in Abb. 19 nicht zu sehen). Diese beiden Teile gehörten ursprünglich zur selben Schicht, die jedoch stark gelöst wurde, so dass nur noch wenige Teile vorhanden sind.

Am Ausgang des Steinbruchs stehen Schichten an, die wie Konglomerate aussehen. Die Matrix und die „Pebbels“ haben jedoch die gleiche chemische Zusammensetzung. Vielleicht ist das Material gebrochen worden und darauf wurde es gelöst. Dafür spricht auch, dass es hier keine physikalische Bewegung gibt. Für die chemischen Abläufe müsste Grundwasser in 100en Metern Tiefe verantwortlich gewesen sein. Durch die Lösung bei diesen Bedingungen ist der Kalkstein nicht mehr stabil. Vermutlich gab es im Ausgangsgestein tonige Bestandteile, die zur Entstehung dieser Struktur beigetragen haben. Ähnliche Phänomene sind auch in Kansas/USA untersucht worden.

Abb. 20: Spirifer (Brachiopode)
Abb. 21: Kiese/Gerölle und ihre zurück gebliebenen Löcher im Gestein

Im Kalkstein gibt es Schichten mit vielen Fossilien. Folgende Fossilien können im Aufschluss gefunden werden: Korallen, Spirifer (Brachiopoden, Abb. 21) und Teile von Trilobiten.

Die Anstiege des Meeresspiegels wurden durch den Alamo-Impakt und spätere Kometeneinschläge verursacht, führten zu den 3 Ebenen von Mud Mounds und dezimierten die Lebensgemeinschaft der Riffe (Abb. 17).

Wir sind stratigrafisch direkt unter dem Horizont des Massenaussterbens. Das Massenaussterben an der Frasne- Famenne-Grenze wird „Death by 1000 Cuts“ genannt. Aus dieser Bezeichnung geht hervor, dass es viele Gründe für das Massenaussterben zu dieser Zeit gegeben haben muss. Die einzelnen Ereignisse geschahen nacheinander, z. B. Ausdehnung von Gletschern, Impakte von extraterrestrischen Körpern, usw.

Neue Ergebnisse der Plattentektonik zeigen anhand von 380 Ma altem Detritus, dass sich die Plattenkonfiguration verändert hatte. Der Südkontinent-Detritus gelangte in dieser Zeit auf den Nordkontinent. Es gab also nur noch einen sehr schmalen Meeresbereich, der die Kontinente trennte. Der Südkontinent Amorika lieferte zu dieser Zeit den Schutt.

Zur Kollision der Platten kam es ca. 40 Ma später (vor 340 Ma). Die Folgen des Aufeinanderbewegens sehen wir in diesem Aufschluss. Es entstanden Strukturen wie zum Beispiel Klüfte. Durch die Kollision kam es zu einer Veränderung vieler Bedingungen.

Aufschluss 4

Straßenrand ‘Porte de France’ (large-scale structure), 500 m südwestlich von Givet (Abb. 22)

Die Schichtlagerung in der Gesteinswand ist vor allem oberhalb der Porte de France gut zu erkennen, dort gibt es helle und dunklere Schichten (Abb. 23).

Zuvor hatten wir auf der Anfahrt eine Gesteinswand links der Straße gesehen, die eine andere Schichtung zeigte. Als logische Folge muss es hier Faltung geben.

Abb. 22: Lage des Aufschlusses 4
Abb. 23: Aufschluss am Straßenrand
Abb. 24: Von Waterlot et al. 1973 entwickeltes Faltenmodel

1973 wurde von Waterlot et al. versucht, die Faltenstruktur in einem Modell zu erklären (Abb. 24). Die von ihm entwickelte Faltenstruktur ist in sich tordiert.

Eine Falte, wie in Abb. 24 dargestellt, kann so nicht vorkommen, es sind keine Spannungsfelder bekannt, die eine solche Struktur zulassen. Um eine solche Struktur zu erklären, ist eine Störung notwendig oder es muss eine vorangegangene Faltung gegeben haben. Es muss also zwei Deformationsphasen gegeben haben. Zwei Falten-Generationen wären möglich, die Erklärung würde sich aber nicht aufdrängen.

Eine Erklärung für die Schichtlagerung in diesem Gebiet könnte eine Falte mit einer ENE einfallenden Faltenachse sein, also eine abtauchende Falte mit einer ENE-WSW verlaufenden Faltenachse.

Aufschluss 5

Auflässiger Steinbruch auf dem östlichen Ufer der Maas, 10 km südlich von Dinant. Large-scale structure and Tournais-Vise boundary (Abb. 25).

Abb. 25: Lage des Aufschlusses 5

Das Gestein entstammt dem unteren Karbon. Im inneren Bereich, dort wo die Bäume im Gestein wachsen (Abb. 27), stehen Gesteine des Vise an, darunter lagert Tournais.

Die hier zu sehende große Synklinale ist in Folge von Biege-Gleit-Faltung entstanden. Die verbogenen Flachwasser-Kalkstein-Schichten sind zum Teil ein bis mehrere Meter mächtig (Abb. 26).

Auffällig am Faltenscharnier ist, dass die Schichten unten gleich mächtig sind und das Scharnier nach oben hin kleiner wird. Wir befinden in einer Muldenstruktur, in der das Scharnier oben schon relativ flach ist. Aufgrund des Faltungs-Mechanismus und des Materials ist darauf zu schließen, dass wir oben eine Störung erwarten müssen.

Abb. 26: Der äußere Bereich der Falte
Abb. 27: Das Falteninnere (Scharnier)

In diesem Fall haben wir kompetente Bänke, die überall gleiche Mächtigkeit aufweisen. Im oberen Bereich der Falte muss es Ausgleichstrukturen geben, weil durch die Einengung nicht weiter gestapelt werden kann.

Schieferung ist in den Schichten nicht auszumachen, was daran liegt, dass das Material nahezu keine Schieferung zulässt. Zur Faltung kam es relativ nahe der Oberfläche.

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