English Title: Clay mineral growth an palaeosalinity in the Lower Muschelkalk (Trias), southern Germanic Basin

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Abstract

Die Nichtkarbonatfraktion des Unteren Muschelkalks (Mittlere Trias) wurde anhand von sechs Bohrprofilen aus dem südlichen Germanischen Becken mittels konventioneller und isotopen-geochemischer Methoden analysiert. Die Tonfraktion besteht im wesentlichen aus der Mineralphase Illit, daneben kommen Illit-Smektit, Kaolinit und Chlorit vor. In der Tonfraktion wurden Borkonzentrationen zwischen 150 und 275 ppm gemessen. Innerhalb der Muschelkalk-Abfolge lassen sich charakteristische Verteilungsmuster identifizieren, die in allen analysierten Profilen wiederkehren. Die hohe Korrelation der Wertegruppen weist darauf hin, daß über den wechselnden Borgehalt der Tonfraktion Paläosalinitäts-Schwankungen abgebildet wurden. Die höhere Streuung der Gehalte an der Grenze zum Mittleren Muschelkalk weist auf die zunehmende Einschnürung des südlichen Germanischen Beckens hin. Die isotopische 40 K/40 Ar-Datierung der Illite ergibt Alterswerte von 196 - 236 Ma (Fraktion 2 - 1 µm) sowie 175 - 208 Ma (Fraktion < 1 µm). Die Altersdifferenz der Fraktionen 2 - 1 µm und < 1 µm deutet auf eine Mischung von authigenen und detritischen Illiten hin. In der feineren Fraktion wurden stets jüngere Alterswerte ermittelt. Die mittels Rasterelektronenmikroskopie untersuchte Morphologie der Illite und Illit-Smektite sowie die Verteilung der Halbwertsbreiten belegen eine teufenabhängige Smektit-Illit-Transformation im zentralen Teil des Germanischen Beckens. Darüber hinaus impliziert die Analyse der Illit-Wachstumsmechanismen ein spezifisches Korngrößenwachstum durch Ostwald-Reifung. Im Verlauf dieses selektiven Lösungs-Fällungsprozesses wird in einem geschlossenen Reaktionssystem durch Verminderung der freien Grenzflächenenergie ein energetisch günstigerer Zustand angestrebt. Da während des Reifungsprozesses kein externer Stoffaustausch erfolgte, blieb die chemische Zusammensetzung der Illite weitgehend erhalten.

Translation of abstract (English)

Non-carbonate minerals of the Lower Muschelkalk limestones (middle Trias) were analyzed by X-ray diffraction and isotopic-geochemical methods in six drill cores from the southern Germanic Basin. The mineral composition of the clay fraction is characterized by high contents of illite and minor amounts of illite-smectite, kaolinite and chlorite. The boron content of the clay fraction varies between 150 and 275 ppm. The Lower Muschelkalk sections show characteristic patterns, which can be recognized in all profiles. The high correlation of the varying boron content in cores from different facies points to a geochemical dependency on palaeosalinity cycles. The higher concentration and variation of boron in the upper part of the sequence is interpreted as a reduced seawater exchange and an increase in seawater salinity, that leads also to enhancement of the magnesium concentration in chlorites. Isotopic K/Ar-dating of Lower Muschelkalk illite yields ages between 196 and 236 Ma for the 2-1 µm fraction, and 175 to 208 Ma for the < 1 µm fraction. Therefore the crystallisation age differs clearly from the sedimentation age of the Triassic carbonate rocks. The difference in age between the finer and coarser clay fractions points to a mixture of authigenic and detrital illite. This result is in contrast to the opinion of many authors that the non-carbonates of the Lower Muschelkalk consist mainly of detrital material, and were not significantly altered during sediment diagenesis. In the central part of the Germanic Basin, depth dependent smectite to illite transformations were recognized from changes in illite-smectite crystal morphology and decreasing half-peak-widths (FWHM) of X-ray diffraction patterns. In addition, the analysis of mineral growth mechanisms implies a specific crystallite-size-growth of illite through Ostwald-ripening. Due to the absence of external ion exchange, the geochemical composition of illite remained largely unmodified.