Triassic to early Jurassic sandstones in North Victoria Land, Antarctica [Elektronische Ressource] : composition, provenance, and diagenesis / Martin Elsner. Gutachter: Reinhard Gaupp ; Hilmar von Eynatten

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• Publié le: 01 janvier 2011
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Extrait

Triassic to Early Jurassic sandstones
in North Victoria Land, Antarctica:
Composition, provenance, and diagenesis




Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)



Vorgelegt dem Rat der Chemisch-geowissenschaftlichen Fakultät
der Friedrich-Schiller-Universität, Jena







von Dipl.-Geol. Martin Elsner
geboren am 27.02.1978 in München




































1. Gutachter: Prof. Dr. Reinhard Gaupp (Jena)
2. Gutachter: Prof. Dr. Hilmar von Eynatten (Göttingen)

Tag der öffentlichen Verteidigung: 4. Februar 2011











Triassic to Early Jurassic sandstones
in North Victoria Land, Antarctica:
Composition, provenance, and diagenesis
















Martin Elsner


2010





Zusammenfassung
Diese Arbeit befasst sich mit mesozoischen kontinentalen Siliziklastika der Victoria Group (Beacon
Supergroup) in Nord Viktorialand, Antarktis. Diese Ablagerungen sind triassischen bis jurassischen Alters
und wurden im Transantarktischen Becken abgelagert, das weite Teile des antarktischen Sektors von
Gondwana umfasste. Sie werden in zwei Formationen unterteilt: Die Section Peak Formation (SPF) im
Liegenden wird etwa 200 bis 250 m mächtig und besteht hauptsächlich aus Sandsteinen. Lokal sind auch
Konglomeraten vorhanden. Untergeordnet kommen Pelite und Kohlen vor. Im obersten Teil der SPF sind
felsische Tuffite eingeschaltet. Die überlagernde Shafer Peak Formation (SHF) erreicht etwa 50 m und
besteht vorwiegend aus felsischen, tuffitischen Sandsteinen. Die gesamte Abfolge ist von jurassischen
Lagergängen intrudiert (Ferrar dolerites) und wird von bis zu 1000 m mächtigen Flutbasalten (Kirkpatrick
basalts, Ferrar Group) überlagert. Das absolute Alter sowohl der Lagergänge als auch der Flutbasalte
beträgt etwa 184 Ma. Geländearbeit und Beprobung erfolgte im Rahmen der neunten German Antarctic
North Victoria Land Expedition (GANOVEX IX) im Winter 2005/06.

Die Arbeit behandelt verschiedene Aspekte der Geologie Nord Victorialands. Für eine strukturgeologische
Analyse wurde die erosive Sandstein-Basis (Top Basement) durch Inter- und Extrapolation sowohl
veröffentlichter Höhendaten (z.B. aus Karten) als auch Geländemessungen modelliert. Das Modell stützt
frühere Interpretationen, die Nord Victorialand als Teil eines dextralen Blattverschiebungsbereichs
betrachteten. Ein tektonischer Einfluss während der triassischen bis jurassischen Sedimentation konnte
ausgeschlossen werden.
Der umfänglichste Abschnitt dieser Arbeit befasst sich mit einer Liefergebietsanalyse der SPF.
Dazu wurden petrographische (Leicht- und Schwerminerale), chemische (Gesamtgesteinschemie,
Mineralchemie diagnostischer Minerale) und mineralogische Daten (Tonmineralogie von Siltsteinen) sowie
Isotopendaten (Sm, Nd, Sr an Siltsteinen, U-Pb LA-ICPMS Altersdaten detritischer Zirkone) erfasst und
interpretiert. So können sechs Sandstein-Typen mit unterschiedlichen Liefergebieten nachgewiesen werden.
Fünf dieser Sandstein-Typen sind auf unterschiedliche lokale Quellen in Nord Victorialand und
benachbarte Regionen zurückzuführen. Der sechste Sandstein-Typ repräsentiert ein axiales Abflusssystem
entlang des Transantarktischen Beckens. In einigen der Sandstein-Typen lokaler Herkunft manifestiert sich
der Einfluss eines magmatischen Bogens entlang der aktiven Plattengrenze von Gondwana. Im axialen
Abflusssystem ist dieser Einfluss zunächst sehr gering, wird aber mit der Zeit bedeutend. Aufgrund der
Beckengeometrie (Breite, Sedimentmächtigkeit, Winkel der Sedimentationsbasis), der petrographischen
Zusammensetzung (z.B. der räumlichen Verteilung der Sandstein-Typen) und sedimentologischer
Indikatoren (z.B. Sedimentationsrate) kann dieser Teil des Transantarktischen Beckens einer
epikratonischen Lage zugeordnet werden. Dies ist möglicherweise auf einen relativ steilen
Subduktionswinkel der Proto-Pazifischen (Panthalassa-) Platte unter Gondwana im Bereich von Nord
Victorialand zurückzuführen. Im Gegensatz dazu war die Subduktion in anderen Teilen des
Transantarktischen Beckens (z.B. im zentralen Transantarktischen Gebirge) wohl zumindest zeitweise
relativ flach, wodurch sich dort ein Vorland-Becken entwickeln konnte.
Für die tuffitischen Ablagerungen der SHF werden anhand petrographischer und chemischer Daten
Aussagen zu Herkunft und Genese gemacht. Dabei erfolgt stets auch ein Vergleich mit den im obersten
Teil der Section Peak Formation eingeschalteten Tuffiten, die schon bei der Beprobung im Gelände
lithologische Ähnlichkeiten zeigten. Eine (soda?)rhyodacitische Quelle für den juvenilen magmatischen
Anteil der Tuffite ist sehr wahrscheinlich. Die zahlreichen felsischen Shards deuten auf distale, ultra-
plinianische, Caldera-formende Ausbrüche hin, die höchstwahrscheinlich im Bereich des oben bereits
angesprochenen magmatischen Bogens an der aktiven Plattengrenze von Gondwana stattfanden. Es können
lithologische und stratigraphische Parallelen zur Hanson Formation im zentralen Transantarktischen
Gebirge gezogen werden. Der zugemischte epiklastische Anteil der Tuffite ist mit den Ablagerungen der
jüngsten SPF vergleichbar. Eine tuffitische Einschaltung in der obersten SPF ergab ein U-Pb (SHRIMP)
Alter von 188,2 ± 2,2 Ma, was erstmals ein eindeutig jurassisches Alter (Pliensbach) der obersten SPF und
der gesamten SHF beweist.
Letzter Abschnitt der Arbeit ist die diagenetische Entwicklung der Ablagerungen. Eine
Versenkungstemperatur zwischen weniger als 90°C und maximal etwa 120°C wird auf die Platznahme der
Ferrar-Laven zurückgeführt. Das gleiche trifft auf ein starkes Kompaktions-Ereignis zu, das nicht mit der
Kompaktion durch sedimentäre Überlagerung zusammenhängt. Es wurden keine Hinweise auf
Temperaturen über 120°C gefunden, und die Existenz eines kretazischen Beckens kann anhand der
ermittelten Diagenese-Geschichte für das südliche Nord Victorialand ausgeschlossen werden.


III Abstract
Triassic to early Jurassic sediments (Victoria Group, Beacon Supergroup) in North Victoria Land,
Antarctica, can be subdivided into two formations. The Section Peak Formation (SPF) directly covers a
magmatic and metamorphic basement and consists predominately of sandstones of about 200-250 m
thickness. Locally, conglomerates are present, and pelites and thin coal seams may be intercalated. In
higher parts of the formation, felsic tuffaceous layers occur. The overlying Shafer Peak Formation (SHF)
reaches about 50 m thickness and consists predominantly of tuffaceous sandstones.
The entire succession was deposited in the Transantarctic Basin, occupying large parts of the
Antarctic sector of Gondwana. It is intruded by mafic sills (Ferrar dolerites) and overlain by an up to
1000 m succession of flood basalts (Kirkpatrick basalts, Ferrar Group). The absolute age of both, intrusive
and effusive parts, is about 184 Ma. Field work and sampling took place during the ninth German Antarctic
North Victoria Land expedition (GANOVEX IX) in the austral summer 2005/06.

This thesis deals with several different aspects of the geology in North Victoria Land. For a structural
analysis, the erosive sedimentary base of the Beacon sediments (top basement) was modelled by inter- and
extrapolation of published elevation data (e.g. from maps), and of field data. The model supports previous
interpretations of North Victoria Land lying in a dextral strike-slip regime. As a main result, a tectonic
influence on sedimentation during the Triassic and Early Jurassic can be excluded.
The most extensive part of this thesis treats with a provenance analysis for the SPF. This analysis
includes petrographic (light and heavy mineralogy), chemical (whole rock geochemistry, mineral chemistry
of diagnostic minerals), and mineralogical data (clay mineralogy of pelites) as well as isotope data (Sm,
Nd, and Sr of pelites, U-Pb LA-ICPMS age data of detrital zircons), and their comprehensive interpretation.
Six different sandstone types with distinct source areas can be distinguished. Five of them can be related to
different local sources in North Victoria Land and adjoining regions. The sixth sandstone type represents an
axial drainage system following the Transantarctic Basin. In some of the locally originating sandstone types
the influence of contemporaneous magmatic activity was proved, that may be related to the magmatic arc
along the active plate margin of Gondwana. In the axial drainage system, this influence is very minor at the
start of sedimentation, but increases strongly through time. Due to the basin geometry (e.g. basin width,
thickness of s