GEOFORSCHUNGSZENTRUM POTSDAM STIFTUNG DES ÖFFENTLICHEN RECHTS Frauke Schäfer Krustenbi lanzieru ng eines variscischen Retrokeils im Saxothuringikum Scientific Technical Report STR97 /16 Impressum GeoF orschungsZentrum Potsdam Telegrafenberg A 17 D-144 73 Potsdam e-mail: [email protected] www: http://www.gfz-potsdam.de Gedruckt in Potsdam November 1997 A. 1. 7 ~ ~k~~. k r"Xd(""i';;J "''"" Frauke Schäfer Krusten bi lanzieru ng eines variscischen Retrokeils im Saxothuringikum Dissertation zur Erlangung der Doktorwürde eingereicht im Fachbereich Geowissenschaften der Freien Universität Berlin von Frauke Schäfer aus Ingelheim am Rhein 1997 2 7. MRZ 1998 Scientific Technical Report STR97/16 Scientific Technical Report STR 97/16 Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ DOI: 10.2312/GFZ.b103-97167 Krustenbilanzierung eines variscischen Retrokeils im Saxothuringikum Dissertation zur Erlangung der Doktorwürde Eingereicht im Fachbereich Geowissenschaften der Freien Universität Berlin von Frauke Schäfer aus Ingelheim am Rhein 1997 Scientific Technical Report STR 97/16 Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ DOI: 10.2312/GFZ.b103-97167 1. Gutachter: Prof. Dr. Onno Oncken Gutachter: Prof. Dr. Wolfgang Franke Tag der mündlichen Prüfung: 7. Juli 1997 Scientific Technical Report STR 97/16 Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ DOI: 10.2312/GFZ.b103-97167 - Man macht der Finsternis ein Ende, und bis ins Letzte erforscht man das Gestein, das Dunkel tief verborgen liegt. Man bricht einen Schacht fern von da, wo man wohnt; vergessen, ohne Halt für den Fuß, hängen und schweben sie, fern von den Menschen. Man zerwühlt wie Feuer unten die Erde, auf der doch oben das Brot wächst. (... ) Auch legt man Hand an die Felsen und gräbt die Berge von Grund aus um. (. .. ) Man wehrt dem Tröpfeln des Wassers und bringt, was verborgen ist, ans Licht. Wo will man aber die Weisheit finden? Und wo ist die Stätte der Einsicht? (... ) Die Tiefe spricht: "Bei mir ist sie nicht"; und das Meer spricht: "Bei mir ist sie auch nicht."(... ) Gott weiß den Weg zu ihr, er allein kennt ihre Stätte. Denn er sieht die Enden der Erde und schaut alles, was unter dem Himmel ist. Als er dem Wind sein Gewicht gegeben und dem Wasser sein Maß gesetzt, als er dem Regen ein Gesetz gegeben hat und dem Blitz und Donner den Weg: damals schon sah er sie und verkündigte sie, bereitete sie und ergründete sie und sprach zum Menschen: Siehe, die Furcht des Herrn, das ist die Weisheit, und meiden das Böse, das ist Einsicht. Aus: "Das Hohelied der Weisheit", Die Bibel (AT), Hiob 28, Verse 3-5, 9, 11-12, 23-28. Scientific Technical Report STR 97/16 Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ DOI: 10.2312/GFZ.b103-97167 Diese Dissertation entstand im Rahmen des Forschungsvorhabens "Geometrische und PTt-Bilanzierung der Kruste in orogenen Teilsystemen" des Prqjektbereichs 3.1 am GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam. Dem GFZ sei hiermit für die Finanzierung des Dissertationsprojekts gedankt. Mein besonderer Dank gilt Prof. Dr. Onno Oncken für die Initiierung und Betreuung des Projekts sowie zahlreiche inspirierende Diskussionen und Geländebegehungen. Ebenso danke ich Prof. Dr. Wolfgang Franke für die Übernahme des Koreferats, sein stetes Interesse und die Zeit, die er sich zur Diskussion des Saxothuringikums mit mir nahm. Prof. Dr. Peter Bankwitz, Dipl.Geol. Elfriede Bankwitz, Dr. Erich Schroeder und Prof. Dr. Wolfgang Franke danke ich für diverse Geländeeinführungen, Diskussionen und die Versorgung mit reichlich regionaler, z.T. unveröffentlichter Literatur. Besonderer Dank gebührt allen Mitstreitern des Projekts "Mitteleuropäische Varisciden" am Projektbereich 3.1, namentlich Dr. Stefan Teufel (t), Dr. Claus von Winterfeld Getzt Wintershall AG, Kassel), Dr. Helga Kemnitz und Dr. Rolf Romer, für das gute Miteinander und die Koordinierung in der Datenbeschaffung und -verarbeitung. Dr. Stefan Teufel und Dr. Rolf Romer danke ich für die Bearbeitung der geochronologischen Daten. Dr. Claus von Winterfeld danke ich auch für die Einführung in die strukturgeologische Modellierungssoftware, insbesondere das Programm Geosec2D. Den "Klügel Brothers" Dr. Thomas Klügel und Dipl.Ing. Andreas Klügel gebührt Dank für das Überlassen diverser handgestrickter tektonischer Computerprogramme samt "support". Ich danke Herrn Dr. Thomas von der TU Clausthal für die spezielle DEKORP 4 - Neuausspielung und Dr. Charlotte Krawczyk, die mich bei der Interpretation der seismischen Profile beriet. Dr. Wolfgang Seifert übernahm freundlicherweise die Navigation bei den Mikrosondenanalysen. Anschließend stellte mir Dr. Leander Franz eine ganze Palette von Berechnungsprogrammen für Mineralzusammensetzungen und Thermobarometrie zur Verfügung und leistete unschätzbare Hilfe, mich im Dschungel der metamorphen Petrologie einigermassen zurechtzufinden. Beiden sei hierfür von Herzen gedankt. Weiterhin halfen auch Dr. Eckardt Stein, Dr. David Tanner, Dr. Thomas Klügel, Dipl. Geol. Andreas Plesch, Geol. Thomas Kenkmann, Dr. Volker Heinen, Dipl.Geol. Johannes Weber, Dr. Kay Bierbrauer, Dr. Helmut ~v»u•v• Dr. Alan Gibbs und Dr. Paul Griffiths in zahlreichen Diskussionen, Klarheit in meine Argumente und Gedanken zu bringen und so erheblich zum Gelingen dieser Arbeit beizutragen. Am GFZ gilt mein Dank und mein Lob zahlreichen helfenden Händen: Birgit Schikowski und Gaby Arnold stellten in Rekordzeit gute An- und Dünnschliffe her; Wilfried Herr und Manfred Prehna leisteten bei Computerabstürzen, Netzwerkproblemen und ähnlichen Katastrophen erste Hilfe; Dr. Christina Günter führte einige ergänzende Röntgendiffraktometrie-Analysen für mich durch; Manuela Dziggel verwandelte einen Haufen Bleistiftskizzen in schöne Abbildungen und Brigitte Stöcker fotografierte sowohl kontrastarme Gesteinsbrocken als auch unhandliche seismische Profile mit besten Resultaten. Auch viele andere nicht genannte Kolleginnen und Kollegen haben mir in der einen oder anderen Art geholfen. Ihnen allen sage ich hiermit ein herzliches "Vergelt's Gott!". Last not least danke ich meiner Familie und allen Freunden am GFZ und anderswo, die mich mit Kaffee, Tee, Keksen, Abendbrot, Anteilnahme, Ablenkung, Aufmunterung, Gebet und tatkräftiger Hilfe unterstützten. Scientific Technical Report STR 97/16 Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ DOI: 10.2312/GFZ.b103-97167 ZUSAMMENFASSUNG Die vorliegende Arbeit präsentiert ein quantitatives tektonisches Modell für das NW' saxothuringische Becken, das im NW-Spom der Böhmischen Masse aufgeschlossen ist (Thüringer Wald und Frankenwald). Die Untersuchungen konzentrieren sich auf eine Profiltraverse von der Vesser-Zone im NW bis zur Frontüberschiebung des Münchberger Deckenstapels im SE, zwischen Fränkischer Linie im SW und Frankenwälder Querzone im NE. Der zugrundeliegende geologisch-geophysikalische Datensatz basiert zu großen Teilen auf publizierten Befunden, ergänzt durch eigene strukturgeologische Untersuchungen und geothermobarometrische Abschätzungen der syntektonischen Metamorphose­ bedingungen. Das saxothuringische Becken umfaßt eine nahezu vollständige paläozoische Sedimentabfolge auf ?cadomischem Basement. Die oberproterozoischen Grauwacken des Schwarzburger Sattels werden nach einer kambrischen Schichtlücke konkordant von einer mächtigen, oberkambrischen bis ordovizischen Sehelfsequenz überlagert. Darüber folgt eine kondensierte, tiefmarine Abfolge, die das Silur und Devon repräsentiert. Im SE des Arbeitsgebiets treten auch nachmarine devonische Sedimente sowie basische Laven und Tuffe auf. Die jüngsten, prädeformativen Sedimente des NW' saxothuringischen Beckens bestehen aus unterkarbonischen Grauwacken, die als synorogene Flysche zur variscischen Kollision zwischen dem Saxothuringikum und dem Tepla-Barrandium im SE interpretiert werden können. Der tektonische Baustil des NW' saxothuringischen Beckens ist durch weitspannige Sättel und Mulden mit aufgesetzten Sekundärfalten gekennzeichnet. Überschiebungen besitzen demgegenüber eine nur untergeordnete Bedeutung. An der NW-Grenze des Arbeitsgebiets deuten Bohrergebnisse, renexionsseismische Daten und strukturgeologische Geländebeobachtungen darauf hin, daß die Mitteldeutsche Kristallinzone auf die Vesser-Zone überschoben ist, die ihrerseits auf die NW-Flanke des Schwarzburger Sattels überschoben wird. Die SE-Flanke des Schwarzburger Sattel fällt treppenartig bis zum Kern der Teuschnitzer Mulde ab, so daß sich Plateaus mit nachliegendem Faltenspiegel mit steiler einfallenden Faltenstufen abwechseln. Die markanteste Faltenstufe ist die Steinacher Flexur, an der das Altpaläozoikum unter das Karbon der Teuschnitzer Mulde abtaucht. Das Karbon ist deutlich stärker verfaltet als sein altpaläozoisches Unterlager und von diesem an seiner Basis abgeschert. SE' der Teuschnitzer Mulde steigt der Faltenspiegel zum Bergaer Sattel an, der eine offene Geometrie besitzt und NE' der Frankenwälder Querzone wieder Altpaläozoikum aufschließt. Die SE-Flanke des Bergaer Sattels wird von einer lang im Streichen verfolgbaren Überschiebung, der Göttengrüner Störung, begrenzt.Die Sekundärfalten dieser übergeordneten Struktur zeigen fast ausnahmslos SE-Vergenz mit SE-Facing und sind mit einer nach bis steil NW-fallenden ersten Schieferung sl assoziiert. Sie klingen nach SE im Bereich der Göttengrüner Störung aus. Die Hauptschieferung sl liegt in der Vesser-Zone in etwa parallel zur Schichtung, im Schwarzburger Sattel dagegen parallel zu den Faltenachsentlächen offener bis enger bl-Falten. Sie ist von der NW' Aufschlußgrenze bis zur SE-Flanke des Schwarzburger Sattels durch Hellglimmemeusprossung gekennzeichnet. SE' davon hat sie