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Fluid/rock Interaction History of a Faulted Rhyolite-Granite Contact, Eastern Rhine Graben Shoulder, SW-Germany : Alteration Processes Determined by Sr- Pb-Isotopes, Th/U-Disequilibria and Elemental Distributions

Marbach, Thierry

German Title: Entwicklung der Fluid-Gesteins-Wechselwirkung am Rhyolith-Granit-Kontakt einer Störungszone, östliche Rheingrabenschulter, SW-Deutschland : Alterationsprozessen untersucht anhand von Sr- Pb-Isotopen, Th/U-Ungleichgewichten und Elementverteilungen

English Title: Fluid/rock Interaction History of a Faulted Rhyolite-Granite Contact, Eastern Rhine Graben Shoulder, SW-Germany : Alteration Processes Determined by Sr- Pb-Isotopes, Th/U-Disequilibria and Elemental Distributions

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Abstract

The alteration history of the Schauenburg fault has been investigated with isotope and element distributions across the faulted granite-rhyolite contact. The Schauenburg fault zone is situated along the eastern Rhine Graben shoulder, close to Heidelberg (SW-Germany). Major and trace element analyses allow to obtain information concerning the chemical changes induced by alteration. Differences are partly petrographic because the profile crosses the granite-rhyolite contact, but they are also due to different alteration levels induced by fluid circulation along the fault system which has drained the alteration processes. The granite-rhyolite contact constitutes the primary structure. Only the most incompatible elements (Si, Al, Zr, Hf) retain their original signatures and reflect a mixing between typical granite and rhyolite lithologies across the altered zones (cataclasite). The more mobile elements show a different composition within the altered zones (cataclasite) notably a high leaching of cations. The geochemical tracers also suggest at least one strong hydrothermal event with reducing conditions in the altered zones. The isotopic analyses delivered qualitative and temporal information. The use of several isotopic systems, Rb/Sr -, U/Pb-isotopes and Th/U disequilibria, reveals a complex history of polyphase fluid/rock interaction following the Permian volcanic extrusion, showing notable disturbances during the late Jurassic hydrothermal activities, the Tertiary rifting of the Rhine Graben and more recent Quaternary alteration. The granite zone of the sampling profile has underwent an event which set up a new Rb-Sr isotopic composition and reset the Rb/Sr system which originatly corresponded to the Carboniferous intrusion ages. The Rb-Sr data of the granite samples produce a whole rock isochron of 152 ± 5,7 Ma (2s error) in good agreement with the well-known late Jurassic hydrothermal event (135-160 Ma). The rocks evolution lines for Pb support a Tertiary hydrothermal event (54 Ma ± 16; 1s error), potentially connected with the development of the Rhine Graben. The profile samples have undergone uranium and thorium redistribution processes which have occurred within the last ~ 106 years. The samples of the altered zones record a more complex history of uranium exchange with the aqueous phase. This uranium exchange is proportional to the porosity. The best approximation is reached for an exchange coefficient (lE) for uranium ranging from 2,5 E-06 [a-1] in the middle of the altered zones to 2,5 E-05 [a-1] on the sides of the altered zones.

Translation of abstract (German)

Die Verwitterungsgeschichte der Schauenburg Störung, ist anhand des gestörte Granit-Rhyolith Kontaktes, mit Isotopen- und Elementverteilungen erforscht worden. Die Schauenburg Störungszone befindet sich entlang der östlichen Rheingrabenschulter, in der Nähe von Heidelberg (SW-Deutschland). Haupt- und Spurenelementanalysen geben Informationen über die chemischen Umwandlungen, die durch Verwitterungen verursacht werden. Es bestehen petrografische Unterschiede, weil das Profil den Granit-Rhyolith Kontakt kreuzt. Die Unterschiede werden aber auch durch den unterschiedlichen Verwitterungsgrad durch die Fluid-Zirkulation entlang der Störung verursacht. Der Granit-Rhyolith Kontakt setzt die Primärstruktur fest. Nur die inkompatibelsten Elemente (Si, Al, Zr, Hf) behalten ihre ursprünglichen Signatur und zeugen von einer Mischung zwischen typischen Granit- und Rhyolith- Lithologie über den verwitterten Zonen (cataclasite). Die beweglicheren Elemente zeigen einen anderen Aufbau innerhalb der verwitterten Zonen (cataclasite), vornehmlich ein starkes Auslaugen der Kationen. Die geochemischen Indikatoren deuten auf mindestens ein starkes hydrothermales Ereignis hin, mit reduzierenden Bedingungen in den verwitterten Zonen. Die isotopischen Analysen ergaben die qualitativen und zeitlichen Informationen. Die verschiedenen isotopischen Systeme (Rb/Sr -, U/Pb-Isotope und Th/U-Ungleichgewicht) zeigen eine komplizierte Geschichte der mehrphasigen Fluid/Rock Verwitterung im Laufe der Permischen Extrusion, bemerkenswerte Störungen während des hydrothermalen Ereignisses im späten Jura, das tertiäre Rifting des Rheingrabens und die rezente quartäre Verwitterung. Die Granitzone zeigt eine neue, zurückgestellte Rb-Sr Isotopen Signatur, die das ursprüngliche Karbon Alter ersetzt hat. Die Rb-Sr Daten der Granitproben produzieren ein Isochronenalter des Gesamtaufschlusses von ± 152 5,7 Ma (2s Fehler) im Einklang mit dem weithin bekannten hydrothermalen Ereignis im späten Jura (135-160 Ma). Die Felsenentwicklungslinien für Pb stützen ein tertiäres hydrothermales Ereignis (54 Ma ± 16; 1s Fehler), möglicherweise in Anschluss an die Entwicklung des Rheingrabens. Die Profilproben haben Uran- und Thorium- Wiederverteilungprozesse erfahren, die innerhalb der letzten ~ 106 Jahre aufgetreten sind. Die Proben der verwitterten Zonen deuten auf eine kompliziertere Geschichte des Uran Austausches mit der wäßrigen Phase hin. Dieser Uran- Austausch ist proportional zur Porosität. Der beste Näherungswert wird für einen Uran- Austauschkoeffizienten (le) erreicht, der von 2,5 E-06 [a-1] in der Mitte der verwitterten Zonen bis 2,5 E-05 [a-1] auf den Seiten der verwitterten Zonen reicht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Augusto (Prof. Dr.), Mangini
Date of thesis defense: 3 December 2002
Date Deposited: 04 Feb 2003 14:38
Date: 2002
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Fluid-Fels-System
Uncontrolled Keywords: Alteration , Störung , Strontium(Sr)- Blei(Pb)-Isotopen , Thorium(Th)/Uran(U)-Ungleichgewichten , ElementverteilungAlteration , Fault , Strontium(Sr)- Lead(Pb)-Isotopes , Thorium(Th)/Uranium(U) Disequilibria , Elemental Distribution
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