Petrogenese der Alkalimagmatite der südlichen Zentraleuropäischen Vulkanprovinz

Abstract

Der südliche Teil der oberkretazischen bis holozänen Zentraleuropäischen Vulkanprovinz (ZEVP) in SW-Deutschland und Ostfrankreich umfasst überwiegend primitive, seltener entwickelte alkalische, SiO2-untersättigte Gesteine, deren Entstehung bislang nur unzureichend verstanden wird, da zuverlässige Altersdaten sowie umfangreiche und flächendeckende geo- und mineralchemische Untersuchungen fehlten. In dieser Arbeit wird ein petrogenetisches, geochronologisch unterstütztes Modell präsentiert, das zur Entschlüsselung der Ursachen des Vulkanismus beiträgt und auf neuen Daten aus zehn Vulkangebieten basiert. Damit konnten erstmals zwei kompositionell, räumlich und zeitlich unterscheidbare Gesteinsserien mit jeweils einem primitiven und einem entwickelten Magmatyp in der südlichen ZEVP nachgewiesen werden: 1) Eine ältere oberkretazische bis eozäne Gruppe (~73–47 Ma) umfasst überwiegend (A) primitive Olivin-Nephelinite, basanitische Nephelinite und Nephelinbasanite sowie (B) wenig verbreitete, stärker entwickelte (phonolithische) Haüynite/Noseanite und Haüyn-Nephelinite (~68–62 Ma), die durch Differentiation und begrenzte krustale Kontamination aus Typ A hervorgingen. 2) Eine jüngere oligozäne bis miozäne Gruppe (~27–9 Ma) ist durch (C) Olivin-Melilithite und Melilith-führende Olivin-Nephelinite dominiert, die im Hegau gemeinsam mit (D) stark entwickelten Nosean-Phonolithen (~14–11 Ma) auftreten, womit diese Region als einzige mit ausgeprägt bimodalem Vulkanismus im Untersuchungsgebiet eine Besonderheit darstellt. Die unterschiedlichen geo- und mineralchemischen Zusammensetzungen, Paragenesen, Kristallisationstrends und Xenokristalle der beiden primitiven Gesteinsserien weisen auf verschiedene Magmaquellen, ein variables Ausmaß von Anreicherung, Rückhaltevermögen und Abgabe von volatilen Elementen sowie begrenzte Nebengesteinsinteraktion hin. Gelegentlich auftretende partiell resorbierte, Forsterit-verarmte Olivin-Kerne in den jüngeren Gesteinen und Grünkernpyroxene in den älteren deuten außerdem in beiden Fällen frühe, quantitativ limitierte Magmamischungsprozesse an. Die nephelinitischen bis basanitischen Magmen (A) entstanden durch partielles Aufschmelzen (<6 %) Amphibol-führenden Granat/Spinell-Lherzoliths an der Basis der Lithosphäre, welche zuvor überwiegend durch wasserhaltige Schmelzen oder wässrige Fluide metasomatisch verändert wurde. Im Gegensatz dazu stammen die Melilith-führenden Gesteine (C) vermutlich aus der oberen Asthenosphäre, gekennzeichnet durch geringere Aufschmelzgrade (<3,5 %) eines Amphibol- ± Phlogopit-führenden Granat-Wehrlits. Diese Lithologie war einer Metasomatose ausgesetzt, die im Zusammenhang mit variszischen Subduktionsprozessen steht und deren Schmelzen/Fluide durch hohe CaO-MgO- und CO2 (CO2+H2O)-Verhältnisse charakterisiert sind. Ihre Infiltration und Speicherung erfolgten im Zuge des kontinuierlichen partiellen Recyclings ozeanischer Kruste, was die Abgabe von Ca, CO2, H2O sowie weiteren volatilen und inkompatiblen Elementen an die untere Lithosphäre umfasste, welche spätestens mit Beginn des jüngeren Magmatismus durch Aufwölbung der Asthenosphäre partiell von dieser inkorporiert wurde. Thermodynamische Modellierung sowie mineralogische und geochemische Entwicklungstrends in den bimodal zusammengesetzten und jüngsten Vulkaniten der südlichen ZEVP im Hegau zeigen, dass sich die primitiven Schmelzen (C) unter oberkrustalen Drücken durch fraktionierte Kristallisation zu Nosean-Phonolithen (D) entwickeln können, ohne dass es zwingend signifikanter Assimilation kontinentaler Kruste bedarf. Die ausgeprägte Differenzierung primitiver Schmelzen in einem Fall und der schnelle Aufstieg im anderen lassen sich durch lokale rheologische und strukturelle Inhomogenitäten im Grundgebirge sowie zeitliche Veränderungen des Spannungsfelds während der Entwicklung des Hegau-Grabens erklären. Beide vulkanischen Episoden in der südlichen ZEVP decken sich zeitlich mit topografischer Hebung, Erosion, Rifting und der Reaktivierung tiefgreifender Störungszonen und stehen sehr wahrscheinlich im Zusammenhang mit Phasen starker mechanischer Verschränkung des Alpenbogens mit seinem Vorland. Die ältere Periode überschnitt sich mit einer Ära anhaltender, nach Norden gerichteter kompressiver Intraplattenspannungen infolge der Kollision der Adriatischen mit der Eurasischen Platte, was zu großräumiger Deformation, isostatischem Ausgleich, Erosion und daraus resultierender Ausdünnung der Lithosphäre in der künftigen ZEVP führte. Die jüngere Periode geht mit der Hauptphase der Entwicklung des Europäischen Känozoischen Rift-Systems einher. Der Beginn der vulkanischen Tätigkeit wurde von einer Änderung der Deformation im Oberrheingraben von WNW-Extension zu ONO-Extension und Transtension als Folge eines komplexen Zusammenspiels von Ausweichbewegungen in Reaktion auf die Krusteneinengung in den Alpen und im Französischen und Schweizer Jura flankiert. Die Magmazusammensetzungen, nur schwach magmatisch geprägte Grabenstrukturen, vulkanische Aktivität außerhalb von Gräben und die beträchtliche topografische Hebung deuten an, dass als Reaktion auf das Rifting auch Konvektion und Aufwölbung der Asthenosphäre zum Magmatismus beigetragen haben.