Sedimentologische und Petrologische Untersuchungen an mittelsilurischen
Gesteinen der dänischen Ostseeinsel Bornholm

Antje Böhnke1 & Gerhard Katzung2

1 Universität Leipzig, Institut für Geophysik und Geologie

2 Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald, Institut für Geologische Wissenschaften
 
 
 

Hintergrund
 
Bei den untersuchten Ablagerungen handelt es sich um Sedimentgesteine und diesen zwischengeschaltete Tuffe. Sie gehören stratigraphisch in das Mittlere Silur (Oberes Wenlock) und bilden die jüngsten paläozoischen Ablagerungen auf Bornholm. Die Existenz dieser ausschließlich am Meeresboden an der Südostküste Bornholms aufgeschlossenen Sedimentite und Pyroklastika ist seit mehreren Jahren bekannt, jedoch fehlten bislang genauere Untersuchungen. Ziel der vorliegenden Arbeit war eine detaillierte sedimentologische und petrologische Aufnahme der mittelsilurischen Gesteine und deren genetische Interpretation. Im Zusammenhang mit der Kaledonischen Orogenese wird die geologische Entwicklung am SW-Rand von Baltica diskutiert und deren Einfluß auf Sedimentationsprozesse, Paläoenvironment und Herkunft der mittelsilurischen Ablagerungen erörtert. Geochemische, röntgenradiometrische und röntgendiffraktometrische Analysen ergänzen die Untersuchungen.
Ergebnisse
 
Unter den mittelsilurischen Ablagerungen (Oberes Wenlock) von Bornholm können folgende sechs Lithotypen unterschieden werden:
  Lithotyp Merkmale Interpretation
A
Laminierte Siltsteine Wechsellagerung heller und dunkler Laminen; sedimentär-diagenetische Strukturen wie Wulstschichtung, Belastungsmarken und Flammenstrukturen; Graptolithen als vorherrschende Fossilien; keine Bioturbation Ablagerungen aus Bodenströmungen
B
Tonsteine homogen; mit Einschaltungen von sandig-siltigen Laminen; zwei charakteristische grobkörnigere Lagen aus Belastungs- bzw. Strömungsmarken; Graptolithen als vorherrschende Fossilien; keine Bioturbation Background- Ablagerung (Tonstein), gelegentlich unterbrochen durch plötzlichen Zustrom gröberen Materials (Silt, Feinsand)
C
Mikrodimensional flaser- bis linsenschichtige Silttonsteine kleinmaßstäbliche Wechsellagerung von siltigen bis siltig-tonigen Linsen und Flasern mit Tonstein; keine Bioturbation Background- Ablagerungen (Tonstein) und Ablagerungen aus Bodenströmungen (Siltsteine)
D
kalkig-pelitische Lagen
(Mergel)
 

Kalksteine
 

Calcitkonkretionen
 

feinstkörnig; homogen; massiv; gelegentlich mit Siltlaminen; keine Bioturbation


Folgen bestimmten Schichtflächen; kugelig bis elliptisch; oft schichtparallel abgeflacht; vereinzelt Fossilien im Kern; keine Anzeichen für Bioturbation oder die Aktivität bohrender Organismen
Ablagerungen aus Strömungen von einer nördlich gelegenen Karbonatplattform


Synsedimentäre Zementation, wahrscheinlich gesteigert durch Aktivität von Bodenströmungen
 

 

E
Gradierte Sandsteine Fein- bis mittelkörnig; deutlich gradiert; calcitisch; horizontal- bis schräglaminiert; mit Fossilfragmenten von Echinodermen und Brachiopoden; keine Bioturbation Ablagerungen aus Turbiditströmen
F
Tuffe Kolkmarken an Schichtunterseiten; massiv bis horizontal geschichtet; mit invers gradierten Tonklasten-Horizonten; strömungsorientierte Rhabdosome von Graptolithen; reich an Pyrit, Zirkon und Titanmineralen, die lagig konzentriert sind; keine Bioturbation Ablagerungen aus Aschewolken; durch Debris Flows umge-lagert

 
 
Zu den dominierenden Gesteinstypen gehören die Laminierten Siltsteine (Lithotyp A) und die Tonsteine (Lithotyp B). Die Lithotypen C (Mikrodimensional flaser- bis linsenschichtige Silttonsteine), D (Kalksteine) und F (Tuffe) sind weniger häufig, während die Gradierten Sandsteine (Lithotyp E) nur untergeordnet auftreten. Als Ablagerungsgebiet wird ein anoxisches Becken angenommen, in dem die vorherrschende, hemipelagische Background-Sedimentation der Tonsteine gelegentlich durch gravitativeStrömungsereignisse und Sedimentumlagerungs-Prozesse unterbrochen wird.

Als Herkunftsgebiete für die mittelsilurischen Gesteine kommen verschiedene Areale in Betracht. Die klastischen Bestandteilestammen vermutlich überwiegend von einem Erosionsgebiet (Akkretionskeil) im Süden. Die Karbonate und zumindest ein Teil der Sandsteine (Fossilfragmente) jedoch können von einer nördlich gelegenen Karbonatplattform hergeleitet werden, deren Existenz durch die Bildung von Riffen und deren begleitender Fazies auf Gotland und im nordöstlichen Baltikum im Silur belegt ist.

Die geologische Entwicklung Bornholms wie auch des heutigen Fennoskandischen Schildes während des Silurs ist zweifellos eng mit den plattentektonischen Prozessen im Zuge der Kaledonischen Orogenese verbunden. Die heute aus dem Baltikum bekannten silurischen Gesteine sind Reste einer ursprünglich viel weiter ausgedehnten Sedimentdecke, die sich im sogenannten Baltoskandischen Becken bildete. Dieses Baltoskandische Becken war auf der schwach nach Süden einfallenden, präkambrischen, kristallinen Kruste entwickelt. Entscheidenden Einfluß auf die frühpaläozoische Entwicklung am Südrand von Baltica hatte die Kollision des Terranes East-Avalonia mit Baltica, infolge derer es zur Anlage eines peripheren Vorlandbeckens auf der kontinentalen Kruste kam. Nach Cant & Stockmal (1993) gewährleistet der tektonische Rahmen von Vorlandbecken, daß sich die Entwicklung des mit ihnen verbundenen Orogens auf die Stratigraphie und Sedimentologie der Beckenfüllung primär auswirkt, indem sowohl die Subsidenz als auch die Quelle und Rate des Sedimenteintrages beeinflußt werden. Nach lithologischen, paläogeographischen und regionalgeologischen Aspekten lassen sich verschiedene Entwicklungsstadien unterscheiden (Beier et al. 1997). Danach wurden die untersuchten silurischen Gesteine von Bornholm während des Tief- bis Flachwasser-Stadiums abgelagert. Bei diesem Stadium steigt die Sedimentationsrate über die Subsidenzrate, was sich in einer Verflachung und Auffüllung des Vorlandbeckens innerhalb einer kurzen Zeitperiode widerspiegelt. Sedimentärer Ausdruck dieser Prozesse sind der zunehmende Gehalt an Karbonat und Arenit in den silurischen Abfolgen Bornholms und den Nachbarregionen.

Die Einschaltungen intermediärer Tuffe in die sedimentäre Abfolge bezeugen einen Vulkanismus, der mit großer Wahrscheinlichkeit auf Subduktionsprozesse zurüchzuführen ist, die aus der Kollision von East-Avalonia mit Baltica resultieren. Bis heute gibt es keinerlei Hinweise auf Vulkanbauten oder Inselbogen-Systeme, die sich über der Subduktionszone der Kaledonischen Geosynklinale gebildet haben könnten. Aber sowohl die untersuchten Tuffe des Oberen Wenlock als auch die zahlreichen, aus dem gesamtem Baltoskandischen Raum bekannten Bentonitlagen sind Beweise für einen Vulkanismus an einem aktiven Kontinentalrand, wie er am Südrand Balticas während der Kaledonischen Orogenese erwartet werden darf.

Aufgrund der folgenden Überlegungen vermuten wir als Quelle der untersuchten Tuffe Vulkane auf dem südlich von Baltica gelegenen Terrane East-Avalonia:

1. Pb/Pb-Datierungen an alten Zirkonen aus dem Tuff belegen cadomische Alter. Cadomische Alter aber sind aus dem Baltoskandischen Raum nicht bekannt, jedoch typisch für Gondwana und damit East-Avalonia, daß als von Gondwana abgespaltener und nach Norden verdrifteter Mikrokontinent angesehen wird (Katzung et al., in prep.).

2. Zahlreiche paläomagnetische und paläogeographische Daten belegen eine Position Balticas während früh- bis mittelsilurischer Zeit in südtropischen bis äquatorialen Breiten (Basset et al. 1989, Tait et al. 1997), wahrscheinlich im Gürtel der südöstlichen Passatwinde. Nimmt man vergleichend zu heute gleiche Konfigurationen des Winsystems an, so könnten die SE-Passatwinde in die Atmosphäre geschleuderte vulkanische Aschen nach Norden transportiert haben (Bjerreskov & Jørgensen 1983).

Obwohl weit verbreitet in den silurischen Abfolgen des Baltoskandischen Raumes, fehlen vulkanische Ablagerungen im jüngsten Silur (Pridoli). Dies korreliert mit einer zunehmenden Verflachung des Vorlandbeckens im jüngsten Silur und deutet auf die fortschreitende Kollision East-Avalonias mit Baltica und schließlich die Schließung des Tornquist-Ozeans im finalen Stadium der Kaledonischen Orogenese hin. Im Ergebnis dieser anhaltenden Kollision kam es zur Auffüllung des Vorlandbecken und zum Totlaufen der Suduktion, verbunden mit dem Erlöschen der vulkanischen Aktivitäten.

Ausgehend von der Korngröße der untersuchten vulkanischen Aschen kann das Eruptionszentrum in einer Entfernung von 100 bis 200 km, maximal 300 km erwartet werden und könnte demnach im nördlichen Polen oder Deutschland liegen. Bjerreskov & Jørgensen (1983) vermuten es im Bereich des Ostelbe-Massivs. Brochwicz-Lewinsky et al. (1981) nehmen an, daß die Vulkanbauten durch die weiträumigen, altpaläozoischen Strike-Slip-Bewegungen entlang der Südwestgrenze der heutigen Osteuropäischen Plattform ausgelöscht worden sind. Für beide Annahmen gibt es jedoch keine Beweise.


 

Literatur

Bassett, M. G., Kaljo, D. & Teller, L. (1989): Silurian in Baltoscandia. - In: Holland, C. H. & Bassett, M. G. [ Eds.] : A Global Standard for The Silurian System. - Amgueddfa Genedlaethol Cymru National Museum Of Wales, Geological Series, 9; Cardiff.

Beier, H., Maletz, J. & Katzung, G. (1997): Entwicklung eines kollisionsbedingten, altpaläozoischen Vorlandbeckens am SW-Rand der Osteuropäischen Plattform. - In: Büchel, G. & Lützner, H. [ Eds.] : Regionale Geologie von Mitteleuropa. - Schriftenreihe der Deutschen Geologischen Gesellschaft: p. 26.

Bjerreskov, M. & Jørgensen, K. Å. (1983): Late Wenlock graptolite-bearing tuffaceous sandstone from Bornholm, Denmark. - Bull. geol. Soc. Denmark, 31: 129-149; Copenhagen.

Brochwicz-Lewinski, W., Pozaryski,W. & Tomczyk, H. (1981): Mouvements coulissants de grande ampleur au Paléozoique inférieur le long de la marge sud-ouest de la plateforme Est-Européenne. - C. R. Acad. Sc. Paris, 293, 2: 855-858.

Cant, D. J. & Stockmal, G. S. (1993): Some controls on sedimentary sequences in foreland basins: examples from the Alberta Basin. - Spec. Publs. Int. Ass. Sediment., 20: 49-65.

Katzung, G., Böhnke, A. & Obst, K. (in prep.): Records of Cadomian basement in NE-Germany. - N. Jb. Geol. Paläont. Abh..

Tait, J. A., Bachtadse, V., Franke, W. & Soffel, H. C. (1997): Geodynamic evolution of the European Variscan fold belt: palaeomagnetic and geological constraints. - Geol. Rundschau, 86: 585-598.
 
 
 

Literaturhinweis
 
Böhnke, A. & Katzung, G. (in prep.): The Middle Silurian from Bornholm (Denmark) - Sedimentological and Petrological Studies. - N. Jb. Geol. Paläont. Abh..