Evolution of a Devonian carbonate shelf at the northern margin of Gondwana (Jebel Rheris, eastern Anti-Atlas, Morocco)

Abstract

Part 1: ToC, Introduction, Setting, Emsian and Eifelian, Givetian Part 2: Frasnian and Famennian, Eustatic Sea Level Changes, Tectonics Part 3: Givenian Biostromes, Famennian phosphatic black pebbles, Conclusion, References, Appendix Part 4: Plates

During the Devonian, a carbonate shelf was established at the northern rim of the West-African craton. In the eastern Anti-Atlas remnants of this shelf are preserved in the Mader area, where a basin started subsiding in the Eifelian. The Jebel Rheris is situated in a transitional zone between this basin (Mader Basin) in the south and the emerged Ougnate High in the north. Emsian deposits consist of two pelagic nodular limestone successions, separated by 70 m thick shales. During this interval homogeneous thickness and facies pattern exist. Asymmetric shallowing-upward cycles can be correlated throughout the investigated area. The Eifelian succession, consisting of pelagic nodular limestones with slumping structures, is considerably condensed (8 – 20 m thick) with respect to successions farther south. In the Givetian, stacked or amalgamated coral-stromatoporoid biostromes in the N evolved into an alternating biostrome – crinoidal grainstone succession, which passed over a low-angle slope setting towards the south to a pure crinoidal grainstone facies with abundant slumping structures. In the south, distal tempestites occur. This is first evidence of a carbonate ramp in the northern Mader. Considerable thickness changes within short lateral distances of the Givetian succession are attributed to differential subsidence. According to a sequence stratigraphic interpretation of an accommodation plot, the lower Givetian consists of a transgressive systems tract (TST), a highstand systems tract (HST), and again a TST. The mid-Givetian succession represents a thick HST, the uppermost Givetian deposits a TST. In the Upper Devonian, nine different facies types can be distinguished. They were deposited on the inner ramp (e.g. stromatolite limestones, crinoid shoals) and on the mid-ramp (e.g. quartz-rich crinoidal-bryozoan packstones). Synsedimentary faulting, angular unconformities, and neptunian dikes are observed, which indicate an increasing tectonic activity from Middle into the Late Devonian. Stratigraphic gaps generally increase towards the NW. Lower Frasnian deposits represent a HST, separated from the uppermost Givetian rocks by a maximum flooding surface. A sequence boundary (SB) occurs in the mid-Frasnian, followed by a TST. Slightly above the Frasnian / Famennian – boundary, a maximum flooding zone can be noticed. The lower Famennian deposits consist of a HST. A SB occurs again in upper Famennian rocks. The uppermost Famennian succession is interpreted as a TST. This systems tract was probably caused by a eustatic sea-level rise, whereas the other Middle and Late Devonian sea-level oscillations are interpreted as tectonically induced. A large-scale seaward-stepping of facies belts, i.e. a long-term relative sea-level fall, occurred from the Eifelian to the Famennian. This relative sea-level fall during a time-span of approximately 30 Ma is related to a second order stratigraphic cycle, it is probably the result of an uplift of the hinterland.

At the eastern edge of the Jebel Rheris, Givetian deposits consist of a ca. 200 m thick biostrome – crinoidal grainstone succession. Biostromes probably developed due to the lack of a ‘binder guild’ in the fossil community, which hampered the establishment of mound-like structures, stable enough to resist high-energy storm events. During favourable conditions, colonisation of the sea floor proceeded in three phases: a) cluster settlement; b) lateral dispersion; c) vertical accretion. A significant difference of this biostrome–crinoidal grainstone succession compared to continuously growing reefs is the fact that communities repeatedly had to start with the colonisation stage, and therefore could not reach a mature or climax stage.

In some horizons in the upper Famennian rocks of the Jebel Rheris, black pebbles and nodules occur, which can be traced over several kilometres. Two types of these components can be distinguished: (1) black pebbles with quartz grains and (2) less common black nodules, containing carbonate bioclasts. Type 1 black pebbles consist of quartz, calcite, and apatite (35.4 wt.% to 53.6 wt.%). The average content of total organic carbon is 0.12 wt.%. Phosphorous is an important constituent of type 2 black nodules, though it has not been found in the embedding rocks. Therefore the black colour must be the result of phosphatisation, which occurred during two different periods: (1) black pebbles were phosphatised during the Ordovician. (2) Black nodules were formed during the Famennian. It is argued that the late Famennian transgression was responsible for the accumulation of type 1 black pebbles. They were reworked by the progressing coastal erosion and shed onto the shelf.

Teil 1: ToC, Introduction, Setting, Emsian and Eifelian, Givetian Teil 2: Frasnian and Famennian, Eustatic Sea Level Changes, Tectonics Teil 3: Givenian Biostromes, Famennian phosphatic black pebbles, Conclusion, References, Appendix Teil 4: Plates

Während des Devons existierte am Nordrand des Westafrikanischen Kratons ein Karbonatschelf, dessen Überreste im östlichen Anti-Atlas erhalten sind. Dort entstand während des Eifels das Mader-Becken. In einer Übergangszone zwischen diesem Becken und einem nördlich gelegenen Landgebiet befand sich der Ablagerungsraum des Jebel Rheris. Sedimentgesteine des Ems bestehen aus zwei pelagischen Knollenkalk-Abfolgen, die von ca. 70 m mächtigen Tonen getrennt werden. Sowohl das Fazies-Muster als auch die Mächtigkeiten sind sehr homogen, asymmetrische Shallowing-upward Zyklen lassen sich über das gesamte Arbeitsgebiet korrelieren. Die Abfolge des Eifel ist am Jebel Rheris im Vergleich zu südlicher gelegenen Abfolgen stark kondensiert (8 – 20 m Mächtigkeit). Die Fazies besteht weiterhin aus pelagischen Knollenkalken. Im Givet entwickelte sich ein Fazies-Muster von gestapelten oder amalgamierten Korallen-Stromatoporen Biostromen im Norden des Jebel Rheris zu einer Biostrom – Crinoiden-Grainstone Wechsellagerung im Zentrum des Berges. Südlich davon wurde auf einem schwach geneigten Hang eine reine Crinoiden-Grainstone Fazies mit häufigen Slumping-Strukturen abgelagert, weiter südlich sind distale Tempestite mit Convolute-bedding Strukturen erhalten. Diese lateralen Fazies-Beziehungen in Ablagerungen des Givets sind der erste Nachweis einer Karbonatrampe im nördlichsten Mader. Erhebliche Mächtigkeitsschwankungen innerhalb kurzer lateraler Entfernungen werden auf differentielle Subsidenz zurückgeführt. Die Auswertung eines Akkommodations-Plots läßt folgende sequenzstratigraphische Interpretation zu: Das untere Drittel der Givet-Abfolge besteht aus einem Transgressive Systems Tract (TST), einem Highstand Systems Tract (HST) und erneut einem TST. Darauf folgt ein mächtiger HST, der oberste Teil der Givet-Abfolge ist wieder ein TST. Sedimente des Oberdevons bestehen aus neun verschiedenen Fazies-Typen. Diese wurden auf der inneren Rampe (z.B. Stromatolith-Kalke, Crinoiden-Shoals) und der mittleren Rampe (z.B. quarz-reiche Crinoiden-Bryozoen Packstones) abgelagert. Synsedimentäre Störungen, Winkeldiskordanzen und Neptunian Dikes lassen auf erhöhte tektonische Aktivität schließen. Ablagerungen des unteren Frasne bestehen aus einem HST, der durch eine Maximum Flooding Surface von Schichten des obersten Givets getrennt ist. Eine Sequenzgrenze (SG) existiert im mittleren Frasne, gefolgt von einem TST. Knapp oberhalb der Frasne / Famenne – Grenze liegt eine Maximum Flooding Zone, Schichten des unteren Famenne bestehen aus einem HST. Eine SG liegt in Ablagerungen des oberen Famenne, Schichten des obersten Famenne werden als TST interpretiert. Dieser Systems Tract wurde von einem eustatischen Meeresspiegelanstieg verursacht, die restlichen Meeresspiegelschwankungen des Mittel- und Oberdevons werden als tektonisch induziert angesehen. Die beckenwärtige Verlagerung der Fazies-Gürtel vom Eifel bis zum Famenne ist auf einen übergeordneten, relativen Meeresspiegelrückgang zurückzuführen. Ursache dafür war wohl eine Hebung des Hinterlandes.

Am Ostrand des Jebel Rheris ist eine ca. 200 m mächtige Biostrom – Crinoiden-Grainstone Abfolge des Givets erhalten. Biostrome bildeten sich wahrscheinlich wegen der Abwesenheit einer ‚Binder Gilde‘ in der Fossilgemeinschaft. Hügelförmige Strukturen waren daher nicht stabil genug, um Sturm-Ereignissen widerstehen zu können. Während geeignete Bedingungen herrschten, wurde der Meeresboden in drei Phasen besiedelt: a) cluster settlement; b) lateral dispersion; c) vertical accretion. Ein wichtiger Unterschied zwischen Biostrom-Abfolgen und kontinuierlich gewachsenen Riffen ist, daß Fossilgemeinschaften wiederholt mit der Kolonisationsphase beginnen mußten und daher keine ‚reife‘ Gemeinschaft wurden.

In Ablagerungen des obersten Famennes kommen am Jebel Rheris schwarze Komponenten vor, die über mehrere Kilometer zu verfolgen sind. Es werden zwei Typen dieser Komponenten unterschieden: (1) ‚Black Pebbles‘, hauptsächlich bestehend aus Quarz –Körnern und (2) seltener vorkommend ‚Black Nodules‘, bestehend aus Karbonat-Bioklasten. Typ I ‚Black Pebbles‘ bestehen aus Quarz, Kalzit und Apatit (35,4 Gew.% bis 53,6 Gew.%). Der Mittelwert des Gehalts an organischem Kohlenstoff beträgt 0,12 Gew.%. Phosphor ist ein wichtiger Bestandteil in Typ II ‚Black Nodules‘, kommt jedoch nicht im Nebengestein vor. Die Schwarzfärbung ist daher Resultat von Phosphatisierung, die während zwei unterschiedlichen Zeiten stattfand: ‚Black Pebbles‘ stammen aus Ordovizischen Schichten nördlich des Jebel Rheris und wurden zu dieser Zeit phosphatisiert. ‚Black Nodules‘ bildeten sich dagegen während des obersten Famennes. Eine Transgression wird für die Anhäufung von Typ I ‚Black Pebbles‘ verantwortlich gemacht. Sie wurden während der fortschreitenden Küstenerosion aufgearbeitet und auf das Schelf transportiert.