Vergleichende Faziesanalyse, Paläoökologie und paläogeographisches Umfeld tertiärer Süßwasserkarbonate auf der westlichen Schwäbischen Alb und im Hegau (Baden-Württemberg
Profil 9: 1-100, Stuttgart 1996
This study focuses on the genesis of nonmarine carbonates of Tertiary age from the western Swabian Alb and the Hegau area. Major emphasis is put on the famous algal tufas of Engelswies near Meßkirch (Lower Miocene) and the less known travertine of Riedöschingen near Blumberg (Middle Miocene). Macro- and microfabrics, stratigraphic position, morphology, and the environment of the carbonates were analyzed in order to evaluate the potential of climatic control and to develop sedimentary models. When comparing the carbonate rocks with other ones, especially with the Quaternary travertines of Stuttgart (Koban 1993a, b) it became necessary to create a practicable classification for all nonmarine carbonates. Besides the end members of a trinary classification system, many transitional types occur in the studied area and a clear succession of biotically induced carbonate precipitation can be recognized. The carbonates range from pure abiotic calcareous sinters (spring fissure of Riedöschingen travertine) via travertines exhibiting a small but characteristic inventory of microbial structures (Riedöschingen travertine, Weiterdingen) to cold water calcareous tufas (e. g. Wannenberg near Tengen), and lacustrine limestones in which biotically induced precipitation predominates abiotic processes (Wannenberg, Engelswies).
Calcareous sinters normally occur within harsh settings such as thermal and/or mineral springs, dark spring fissures and cavities. Another possibility is that a rapid abiotic precipitation exceeds biotic processes at steep slopes. Mostly, pure sinters are restricted to volcanic areas, but they may also occur occasionally within travertines or tufas, or as cements as a late diagenetic product within all other categories. Although pure sinters are devoid of any traces of biotic activity, microbial fabrics may develop rapidly as soon as limiting factors improve. They are very similar to those of shallow marine carbonates known from the the late Precambrian. Characteristic fabrics are the "Renalcis"-morphotype in spring fissures and the "Polybessurus"-morphotype in very shallow alkaline and probably thermal water ponds.
Travertines develop in the surroundings of moderately warm springs rich in dissolved ions. They are restricted to volcanic areas and exhibit a characteristic inventory of fabrics formed by distinct microbial associations. Bushy layers of the "Dichothrix"-morphotype, laminar crusts, and gas bubble layers are very abundant. The cyclic bedding of the travertines is mainly caused by seasonal climatic fluctuations. It seems that the formation of travertines is facilitated in warm temperate climates because of the reduced cooling of the thermal water. Moreover, the heat during summer may additionally warm up the water in shallow ponds, and the spring water is not diluted by rain but rather concentrated by evaporation. In contrast, calcareous tufas are precipitated from cool water which is supersaturated in carbonate. Because of an extensive plant growth, tufas exhibit macroscopic highly porous fabrics. Depending on the plants, a large variety of facies types may develop, e. g. leaf tufas, reed tufas, moss tufas, characean tufas, Vaucheria tufas, Cladophorites tufas, and others. Microbial activity is also extensive and of great importance for precipitation, but of minor importance for the designation of fabrics.
Lacustrine limestones are mainly characterized by their content of limnic faunal and floral elements. In the shore zone of lakes calcareous tufas may occur, whereas in more distant areas laminites are the most typical facies type because of minor bioturbation in the poisoned bottom water. Most of these lacustrine carbonates have a detrital origin. Another way to produce calcareous mud is by the compaction of an older peloidal fabric which derives from the accumulation of pellets of aquatic animals (e. g. Hohenkrähen dolomitic limestones).
Additionally, all nonmarine carbonates may be overprinted by pedogenesis or karstification. Hence, in vadose settings where tufas or travertines occur, pedogenesis is very abundant, and fabrics like tepee structures or breccias are the result. In the studied area, pedogenetically overprinted lacustrine limestones occur besides pure calcretes which have been misinterpreted as lacustrine limestones in the past ("algal conglomerate" of Hoppetenzell, "Albstein"). Calcretes also exhibit fabrics of a biotic origin, as there are stromatolitic structures, Microcodium, and bioturbation. Specimens of Microcodium elegans Glück from the type area favour the view that Microcodium is a calcification of plant rootlets, probably of palms.
In der vorliegenden Arbeit wird die Genese nichtmariner Karbonate tertiären Alters am Südrand der westlichen Schwäbischen Alb und im Hegau untersucht. Schwerpunkte sind der untermiozäne Algenkalk von Engelswies bei Meßkirch und der mittelmiozäne Travertin von Riedöschingen bei Blumberg. Begleitend zu den mikrofaziellen Analysen wird die Altersstellung, die Geometrie und das paläogeographische Umfeld der Vorkommen untersucht, um mögliche klimatische Kontrollen erkennen und Ablagerungsmodelle entwerfen zu können. Im Zusammenhang mit dieser Untersuchung und Vergleichen insbesondere mit quartären "Sauerwasserkalken" in Stuttgart (Koban & Schweigert 1993a, 1993b) wurde es nötig, eine neue Klassifizierung für nichtmarine Karbonate zu entwickeln. Im Untersuchungsgebiet sind sämtliche darin unterschiedene Kategorien sowohl in typischen Beispielen als auch in Übergängen entwickelt. Man kann deswegen eine Abfolge in der Karbonatpräzipitation erkennen, die von rein abiotischen Sintern (Riedöschingen) über Travertine (Riedöschingen, Weiterdingen) zu Kalktuffen (Wannenberg bei Tengen) und Seekalken mit überwiegend biotischer Beteiligung an der Präzipitation und vor allem am Aufbau der Gefüge reichen (Wannenberg bei Tengen, Engelswies).
Sinterbildungen treten stets in extrem restriktiven Milieus auf, wobei neben thermalen und/oder stark mineralisierten Wässern auch Lichtmangel in Spalten oder eine Dominanz rasch ablaufender abiotischer Präzipitation gegenüber biotischen Prozessen an steilen Reliefs zu nennen sind. Reine Sinterbildungen sind deswegen an ein vulkanisches Umfeld gebunden, während sie als untergeordneter Faziestyp auch innerhalb von Travertin- oder Kalktuffvorkommen auftreten können, sowie außerdem in Gestalt von Zementen bei der Diagenese unterschiedlichster karbonatischer oder siliziklastischer Sedimente. Sinterbildungen unterliegen im Prinzip keiner klimatischen Kontrolle und sind auch zeitlich unter Umständen wesentlich später entstanden als die Gesteinskomponenten. Während reine Sinterbildungen völlig frei von Spuren biotischer Aktivität sind, treten bei vermindertem Einfluß der restriktiven Faktoren selten auch mikrobielle Faziestypen auf, die in ähnlicher Form bereits aus dem späten Präkambrium bekannt sind. Als bezeichnend sind der "Renalcis-Morphotyp" in lichtbeeinflußten Spalten und der "Polybessurus-Morphotyp" in flachen alkalischen Thermalgewässern zu nennen.
Travertine sind Bildungen mäßig thermaler und mineralisierter Quellen. Sie sind an ein vulkanisches Umfeld gebunden und umfassen ein charakteristisches Gefügeinventar, das auf spezielle mikrobielle Assoziationen hinweist. Bezeichnend sind in erster Linie büschelige ("Dichothrix-Morphotyp"), laminare und daneben auch Gasblasenporen-Lagen. Ein mehr oder weniger ausgeprägter rhythmischer Aufbau der untersuchten Travertine hat seine Ursache vorwiegend in saisonalen Klimaschwankungen. Es hat den Anschein, daß die Bildung von Travertinen in warmen Klimaten begünstigt ist, da dort die Temperaturen des Quellwassers über einen längeren Zeitraum in einem für höhere Organismen nicht erträglichen Maß erhalten bleiben, und die sommerliche Sonneneinstrahlung das Wasser in den flachen Pfannen der Präzipitationsareale noch zusätzlich aufheizt und durch Eindampfen der Lösungsinhalt erhöht wird.
Kalktuffe sind dagegen Präzipitate karbonatübersättigter, nichtthermaler Wässer, die aufgrund starken Pflanzenwachstums primär ein makroskopisch hochporöses Gefüge aufweisen. Je nach Art der beteiligten Pflanzen können eine Vielzahl von Faziestypen entstehen (Blättertuffe, Stengeltuffe, Moostuffe, Characeentuffe, Vaucheria-Tuffe, Cladophora-Tuffe). Mikrobielle Aktivität ist in hohem Maße vorhanden und spielt bei der Präzipitation sicher auch eine Rolle, ist jedoch nicht gefügebestimmend.
Seekalke sind in erster Linie durch eine limnische Fauna und Flora gekennzeichnet. In der Uferzone können Kalktuffe ausgebildet sein, während in distaleren Bereichen wegen der dort mangelnden Durchlüftung und als deren Folge fehlenden Bioturbation meist Laminite auftreten. Die Karbonate sind in den meisten Fällen keine primären Präzipitate, sondern entstehen auf detritischem Weg beim Zerfall oder dem mechanischen Abrieb von Kalktuffen und anderen damit assoziierten mikrobiell präzipitierten Bildungen (z.B. Onkolithe) in der Uferzone. Gelegentlich entsteht Seekreide auch durch Kompaktion eines primär peloidalen Gefüges, das durch Akkumulation von Pellets (Koprolithen) aquatisch lebender Tiere entstanden ist.
Alle nichtmarinen Karbonattypen können zusätzlich pedogen überprägt sein, wobei naturgemäß Karbonate aus primär vadosen Milieus davon stärker betroffen sind. Deswegen ist eine Pedogenese bei Kalktuffen und Travertinen fast immer nachzuweisen und führt bei letzteren sogar zu faziesbestimmenden Texturen (Tepeebildung, Brekzisierung, Karsterscheinungen). Im Untersuchungsgebiet treten neben pedogen überprägten Seekalken auch reine Caliche-Karbonate auf, die in der Vergangenheit als Seekalke fehlinterpretiert wurden (Hoppetenzell bei Stockach, Albstein-Bildungen), was zu falschen paläogeographischen Vorstellungen Anlaß gab. Caliche-Karbonate weisen ebenfalls Gefügemerkmale biotischer Natur auf. Hier sind manche stromatolithische Strukturen, Microcodium und Bioturbationsgefüge kennzeichnend. Beispiele aus der Typusregion von Microcodium elegans Glück stützen eine Deutung im Zusammenhang mit Durchwurzelungen, vermutlich von Palmen.