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Exploring first-order hiatal surfaces: mineralogical, geochemical and petrological characteristics of the post-Variscan nonconformity in Central Europe

Liang, Fei (2023)
Exploring first-order hiatal surfaces: mineralogical, geochemical and petrological characteristics of the post-Variscan nonconformity in Central Europe.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024084
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Exploring first-order hiatal surfaces: mineralogical, geochemical and petrological characteristics of the post-Variscan nonconformity in Central Europe
Language: English
Referees: Henk, Prof. Dr. Andreas ; Schmalz, Prof. Dr. Britta
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XXIII, 242 Seiten
Date of oral examination: 31 May 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024084

The post-Variscan nonconformity was formed during Permo-Carboniferous and widely distributed in Central Europe. While the tectonic evolution of the Variscan Orogeny has been well studied, research about the subsequent weathering and burial diagenesis is fairly scarce. The basement of the post-Variscan nonconformity in southwestern Germany contains different types of plutonic rock, which is partly covered by volcanic rock. The weathering profiles of both are well preserved. Compare to the modern weathering profiles, the paleo-weathering profile was overprinted by hypogene diagenesis. If it would be possible to compare quantitatively the weathering conditions with respect to the exposure time of different rocks, it would be possible to construct regional palaeoclimate and alteration models. Based on these quantitative models, predictions of rock alteration and its resulting properties are possible, which may help to assess reservoir and fluid flow characteristics. To achieve these goals the following scientific questions arise: (i) how to distinguish the supergene and hypogene alteration and minimize the errors of the weathering degree evaluation. In addition, for the weathering research about both the modern and paleo-weathering profiles, the physical weathering characteristics were less mentioned compared to the chemical weathering. Among these research, the physical weathering characteristics were only qualitatively described, which surely leads to inconvenience for the weathering research. Therefore, (ii) it is necessary to develop a method to quantify the physical weathering degrees. However, as the susceptibilities of different types of rock to both physical and chemical weathering are varied, (iii) the weathering indices need to be normalized by the susceptibility to reflect the weathering intensity, which also enables the comparison of weathering characteristics among different types of rock. (iv) Finally, previous studies focus mainly on one aspect of the weathering characteristics, a systemically model among macro/mesoscale, microscale, and mineralogical and geochemical data never accrues, therefore, a systemically model for weathering evaluation is urgently needed. To figure out the questions above, in total four drill cores with different basement lithologies and overlaid volcanic rock (gabbroic diorite and basaltic andesite, granodiorite, tonalite, and granite) from southern Germany (Sprendlinger Horst and Langenthal) were selected. In total 69 samples were collected and prepared into powder and thin section groups. The collected samples were measured by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS), X-ray fluorescence (XRF), and X-Ray Diffraction (XRD) for trace elements, major elements, and mineral compositions, the thin sections were also made, which are for the analysis by scanning electron microscope (SEM), backscattering electron microscope (BSE) and polarizing microscope. The proportion of primary minerals overall increases from the top to the bottom while the secondary minerals have an opposite trend. The XRD results indicate the clay minerals are dominated by illite and a mix-layer of illite and smectite (I/S) accompanied by a minority of kaolinite, vermiculite, and chlorite. Other secondary minerals are mainly composite of calcite and dolomite with a minority of metallic oxide. The depletion or enrichment degree of the elements is quantified by the τ value model, which is based on the relationship between the mobile elements and the immobile elements, such as Ti and Zr. The chemical weathering degree is quantified by the chemical index of alteration (CIA). To distinguish the supergene weathering and hypogene diagenesis for a paleo-nonconformity, a new workflow is established. The secondary clay mineral aspect is distinguished with the anhedral and euhedral forms observed under the SEM, the clay minerals with anhedral forms are attributed to supergene alteration while the euhedral forms are attributed to hypogene diagenesis. For the aspect of mineral compositions, the composition of the parent rock is considered, To compare both physical and chemical weathering intensity among different rock types, the physical weathering degree should be first quantified. To quantify the physical weathering, a method based on the ratio between the fracture area and the total area of the thin section under the polarizing microscope was developed. This method establishes a new index of physical weathering (IPW). To apply it regionally, normalization of the relevant rock strength along the weathering profile is crucial and enables the comparison of the physical intensity among different lithologies. For the normalization of chemical weathering indices, two new conceptions, the total weathering mess (TWM) and chemical weathering ability (CWA) were proposed based on the weathering rate among different mineral types. Similar to the normalization of IPW, the chemical index of alteration (CIA) is normalized by CWA to reflect chemical weathering intensity. With the results of both physical and chemical weathering intensity, the climate condition can be evaluated. With the optimized workflow for the evaluation of both physical and chemical weathering degrees along the paleo-weathering profile, the weathering characteristics among macro/mesoscale, microscale, mineralogical and geochemical characteristics along the basement of post-Variscan nonconformity are described. Based on this, a comprehensive workflow for the evaluation of weathering degree can be developed. This workflow integrated the weathering characteristics under different scales and set up relationships among different scales of these characteristics. The physical weathering was qualitatively classified at the macro/mesoscale and quantitatively at the microscale. The chemical weathering was quantified by the mineralogical and geochemical characteristics. Compare to previous studies, the physical and chemical weathering intensity are also compared among different lithologies which can be applied to evaluate the paleoclimate directly. The model and methods developed in the thesis are applied to the nonconformity in Sprendlinger Horst and Langenthal in southwestern Germany. The results show that the weathering products were overprinted by hypogene diagenesis. The hypogene diagenesis led enrichment of K, Cs Rb, and Ca. The input of K caused the transformation of smectite to illite and/or I/S. Both the inputs of K and Ca affect the evaluation of the chemical weathering degree. After correction of these two elements’ concentration, the CIA values along the surface of the nonconformity yield between 66 and 97. After being normalized by CWA, the chemical weathering intensity is between 70 and 83. The maximum physical weathering degree is between 1.5 and 18 while the physical weathering intensity is between 0.02 and 4. The higher the weathering degree the more depletion of the mobile elements will be. In addition, the transformation among clay minerals and the precipitation of minerals such as dolomite point to a temperature interval of 100 to 300 °C for the circulating fluids during burial. By the combination of the data from both fieldwork and laboratory analysis, an integrated model for the weathering evaluation is set up. In this model, the quantified chemical versus physical weathering intensity may shed a light on the research of palaeoclimate under which the nonconformity formed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die postvariszische Nonkonformität entstand im Permokarbon und war in Mitteleuropa weit verbreitet. Während die tektonische Entwicklung der variszischen Orogenese gut untersucht wurde, gibt es nur wenige Untersuchungen zur anschließenden Verwitterung und Bestattungsdiagenese. Das Grundgebirge der postvariszischen Nonkonformität im Südwesten Deutschlands enthält verschiedene Tiefengesteinsarten, die teilweise von Vulkangestein überdeckt sind. Die Verwitterungsprofile beider sind gut erhalten. Im Vergleich zu den modernen Verwitterungsprofilen wurde das Paläoverwitterungsprofil durch hypogene Diagenese überprägt. Wenn es möglich wäre, die Verwitterungsbedingungen in Bezug auf die Expositionszeit verschiedener Gesteine ​​quantitativ zu vergleichen, wäre es möglich, regionale Paläoklima- und Alterationsmodelle zu erstellen. Basierend auf diesen quantitativen Modellen sind Vorhersagen über Gesteinsveränderungen und die daraus resultierenden Eigenschaften möglich, die bei der Beurteilung der Lagerstätten- und Flüssigkeitsströmungseigenschaften hilfreich sein können. Um diese Ziele zu erreichen, stellen sich folgende wissenschaftliche Fragen: (i) Wie kann man die Supergen- und Hypogenveränderung unterscheiden und die Fehler bei der Bewertung des Verwitterungsgrads minimieren? Darüber hinaus wurden bei der Verwitterungsforschung sowohl zu den modernen als auch zu den Paläoverwitterungsprofilen die physikalischen Verwitterungseigenschaften im Vergleich zur chemischen Verwitterung weniger erwähnt. Bei diesen Untersuchungen wurden die physikalischen Verwitterungseigenschaften nur qualitativ beschrieben, was sicherlich zu Unannehmlichkeiten für die Verwitterungsforschung führt. Daher (ii) ist es notwendig, eine Methode zur Quantifizierung der physikalischen Verwitterungsgrade zu entwickeln. Da jedoch die Anfälligkeit verschiedener Gesteinsarten gegenüber physikalischer und chemischer Verwitterung unterschiedlich ist, (iii) müssen die Verwitterungsindizes durch die Anfälligkeit normalisiert werden, um die Verwitterungsintensität widerzuspiegeln, was auch den Vergleich der Verwitterungseigenschaften zwischen verschiedenen Arten ermöglicht Felsen. (iv) Schließlich konzentrieren sich frühere Studien hauptsächlich auf einen Aspekt der Verwitterungseigenschaften: Ein systemisches Modell aus makro-/mesoskaligen, mikroskaligen sowie mineralogischen und geochemischen Daten ergibt sich nie, daher ist ein systemisches Modell zur Verwitterungsbewertung dringend erforderlich. Um die obigen Fragen zu klären, wurden insgesamt vier Bohrkerne mit unterschiedlichen Grundgesteinslithologien und überlagertem Vulkangestein (gabbroischer Diorit und basaltischer Andesit, Granodiorit, Tonalit und Granit) aus Süddeutschland (Sprendlinger Horst und Langenthal) ausgewählt. Insgesamt wurden 69 Proben gesammelt und in Pulver- und Dünnschnittgruppen aufgeteilt. Die gesammelten Proben wurden mittels Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS), Röntgenfluoreszenz (XRF) und Röntgenbeugung (XRD) auf Spurenelemente, Hauptelemente und Mineralzusammensetzungen untersucht, außerdem wurden Dünnschnitte angefertigt , die für die Analyse mittels Rasterelektronenmikroskop (REM), Rückstreuelektronenmikroskop (BSE) und Polarisationsmikroskop vorgesehen sind. Der Anteil der Primärmineralien nimmt insgesamt von oben nach unten zu, während der Anteil der Sekundärmineralien einen gegenläufigen Trend aufweist. Die XRD-Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Tonmineralien überwiegend aus Illit und einer Mischschicht aus Illit und Smektit (I/S) bestehen, begleitet von einer Minderheit aus Kaolinit, Vermiculit und Chlorit. Andere Sekundärmineralien bestehen hauptsächlich aus Calcit und Dolomit mit einem geringen Anteil an Metalloxiden. Der Abreicherungs- oder Anreicherungsgrad der Elemente wird durch das τ-Wert-Modell quantifiziert, das auf der Beziehung zwischen den mobilen Elementen und den immobilen Elementen wie Ti und Zr basiert. Der chemische Verwitterungsgrad wird durch den Chemical Index of Alteration (CIA) quantifiziert. Um die supergene Verwitterung und die hypogene Diagenese für eine Paläo-Nichtkonformität zu unterscheiden, wird ein neuer Arbeitsablauf eingerichtet. Der sekundäre Tonmineralaspekt wird durch die im SEM beobachteten anedrischen und euhedralen Formen unterschieden. Die Tonminerale mit anedrischen Formen werden der Supergenveränderung zugeschrieben, während die euhedralen Formen der hypogenen Diagenese zugeschrieben werden. Für den Aspekt der Mineralzusammensetzung wird die Zusammensetzung des Ausgangsgesteins berücksichtigt. Um sowohl die physikalische als auch die chemische Verwitterungsintensität verschiedener Gesteinsarten zu vergleichen, sollte zunächst der physikalische Verwitterungsgrad quantifiziert werden. Um die physikalische Verwitterung zu quantifizieren, wurde eine Methode entwickelt, die auf dem Verhältnis zwischen der Bruchfläche und der Gesamtfläche des Dünnschliffs unter dem Polarisationsmikroskop basiert. Diese Methode erstellt einen neuen Index der physikalischen Verwitterung (IPW). Für die regionale Anwendung ist die Normalisierung der relevanten Gesteinsfestigkeit entlang des Verwitterungsprofils von entscheidender Bedeutung und ermöglicht den Vergleich der physikalischen Intensität zwischen verschiedenen Lithologien. Für die Normalisierung chemischer Verwitterungsindizes wurden zwei neue Konzepte vorgeschlagen, das Gesamtverwitterungsmaß (TWM) und die chemische Verwitterungsfähigkeit (CWA), basierend auf der Verwitterungsrate verschiedener Mineraltypen. Ähnlich wie bei der Normalisierung von IPW wird der chemische Veränderungsindex (CIA) durch CWA normalisiert, um die Intensität der chemischen Verwitterung widerzuspiegeln. Mit den Ergebnissen sowohl der physikalischen als auch der chemischen Verwitterungsintensität kann der Klimazustand beurteilt werden. Mit dem optimierten Arbeitsablauf für die Bewertung sowohl physikalischer als auch chemischer Verwitterungsgrade entlang des Paläoverwitterungsprofils werden die Verwitterungseigenschaften zwischen makro-/mesoskaligen, mikroskaligen, mineralogischen und geochemischen Eigenschaften entlang des Grundgebirges der postvariscanischen Nichtkonformität beschrieben. Darauf aufbauend kann ein umfassender Workflow zur Bewertung des Verwitterungsgrades entwickelt werden. Dieser Arbeitsablauf integrierte die Verwitterungsmerkmale in verschiedenen Maßstäben und stellte Beziehungen zwischen verschiedenen Maßstäben dieser Merkmale her. Die physikalische Verwitterung wurde qualitativ auf der Makro-/Mesoskala und quantitativ auf der Mikroskala klassifiziert. Die chemische Verwitterung wurde anhand der mineralogischen und geochemischen Eigenschaften quantifiziert. Im Vergleich zu früheren Studien wird auch die physikalische und chemische Verwitterungsintensität zwischen verschiedenen Lithologien verglichen, die zur direkten Bewertung des Paläoklimas herangezogen werden können. Das in der Arbeit entwickelte Modell und die Methoden werden auf die Nichtkonformität in Sprendlinger Horst und Langenthal im Südwesten Deutschlands angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwitterungsprodukte durch Hypogendiagenese überprägt wurden. Die hypogene Diagenese führte zu einer Anreicherung von K, Cs, Rb und Ca. Der Eintrag von K führte zur Umwandlung von Smektit in Illit und/oder I/S. Sowohl die Einträge von K als auch Ca beeinflussen die Bewertung des chemischen Verwitterungsgrades. Nach Korrektur der Konzentration dieser beiden Elemente liegen die CIA-Werte entlang der Oberfläche der Nichtkonformität zwischen 66 und 97. Nach Normalisierung durch CWA liegt die chemische Verwitterungsintensität zwischen 70 und 83. Der maximale physikalische Verwitterungsgrad liegt zwischen 1,5 und 18 während die physikalische Verwitterungsintensität zwischen 0,02 und 4 liegt. Je höher der Verwitterungsgrad, desto stärker ist die Erschöpfung der mobilen Elemente. Darüber hinaus deuten die Umwandlung von Tonmineralien und die Ausfällung von Mineralien wie Dolomit auf ein Temperaturintervall von 100 bis 300 °C für die zirkulierenden Flüssigkeiten während der Vergrabung hin. Durch die Kombination der Daten aus Feldarbeit und Laboranalyse wird ein integriertes Modell zur Bewitterungsbewertung erstellt. In diesem Modell kann die quantifizierte chemische und physikalische Verwitterungsintensität Aufschluss über die Erforschung des Paläoklimas geben, unter dem sich die Abweichung gebildet hat.

Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-240845
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 550 Earth sciences and geology
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Applied Sedimentary Geology
Date Deposited: 16 Jun 2023 12:05
Last Modified: 19 Jun 2023 06:08
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/24084
PPN: 508740231
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