Sedimentary Provenance Analysis from Methods to Application: Grain-Size Inheritance and the Miocene Geological Evolution of Northern Calabria

Die Sedimentprovenienzanalyse umfasst alle Aspekte der Sedimentbildung, die mit der Zusammensetzung des Muttergesteins, der Topografie, dem Klima sowie den Sedimenttransportwegen zusammenhängen. Durch die Rekonstruktion des Systems von der Quelle bis zur Senke, von der Erosion über den Transport bis zur endgültigen Ablagerung, ermöglicht sie die Interpretation der geologischen Geschichte eines bestimmten Sediments aus jedem Zeitpunkt der Erdgeschichte. Provenienzstudien können vergangene Landschaften rekonstruieren und gleichzeitig den geodynamischen Kontext und die tektonischen Gegebenheiten eingrenzen, unter denen Sedimente entstanden sind und transportiert wurden. Da Sedimente jedoch im Sedimenttransport-System verändert, vermischt und recycelt werden können, erlaubt der Detritus keine einfache Eins-zu-Eins-Aufzeichnung der ursprünglichen Quelle. Zuverlässige Provenienzinterpretationen beruhen daher auf der Unterscheidung zwischen quellbezogenen Signalen und solchen, die durch weitere geologische Prozesse und Umwelteinflüsse wie Verwitterung, Abrieb, Auflösung, Sortierung und Diagenese verändert wurden. Bei Sedimenttransport und dazugehöriger Korngrößensortierung ist die Korngrößenvererbung ein wichtiger Punkt, bei der das Vorhandensein oder Fehlen von Mineralen in bestimmten Korngrößenfraktionen deren ursprüngliche Korngrößenverteilung in der Quelle widerspiegelt, selbst nach hydrodynamischer Sortierung. Die Vererbung der Korngröße kann dazu führen, dass ganze Mineralarten in der analysierten Korngröße entweder angereichert oder verarmt sind oder vollständig fehlen, was die Herkunftsinterpretationen möglicherweise verzerrt. Es gibt eine Vielzahl von Provenienzmethoden, darunter die Petrographie und Geochemie des Gesamtgesteins, die Analyse von Schwermineralen sowie chemische und geochronologische Methoden für einzelne Minerlkörner. Jede Methode liefert unterschiedliche Erkenntnisse über die Eigenschaften des Herkunftsgesteins. So können beispielsweise chemische Methoden für einzelne Körner zwischen metamorphen und magmatischen Quellen sowie deren Zusammensetzung und Metamorphosegrad unterscheiden, während die Altersdatierung Informationen über Kristallisation, Metamorphose und Abkühlungsgeschichte liefert. Angesichts der inhärenten Grenzen einzelner Techniken bieten Multi-Proxy-Ansätze eine umfangreiche Datenbasis, der eine Kreuzvalidierung zwischen Herkunftsindikatoren ermöglicht und zu einem umfassenderen Verständnis der Lithologie des Muttergesteins und der Prozesse zwischen Quelle und Senke führt. Diese Arbeit befasst sich sowohl mit den (i) methodischen Grundlagen als auch mit den (ii) angewandten Aspekten der sedimentären Herkunftsanalyse: (i) untersucht die Grenzen der Schwermineralanalyse und deckt insbesondere auf, inwieweit die Korngrößenvererbung aus der Quelle die relative Mineralhäufigkeit innerhalb einzelner Korngrößenfraktionen verändern kann; (ii) wendet eine Multi-Proxy-Herkunftsstudie an, um die Hebungsgeschichte und daraus resultierenden Sedimenttransportwege und die in einer relativ kleinen, aber tektonisch komplexen, aktiven Forearc-Umgebung zu rekonstruieren. Das erste Manuskript (Kapitel 2) vergleicht modellierte hydrodynamisch sortierte Schwermineralverteilungen mit natürlichen Beispielen für zwei stark kontrastierende Fälle. Rezente hochenergetische Seifenlagerstätten, von denen erwartet wird, dass sie hydrodynamischen Kontrollen folgen, zeigen Anzeichen für eine Korngrößenvererbung aus der Quelle, wobei vor allem feinkörniger Granat fehlt. Tertiäre Turbiditablagerungen aus den Alpen zeigen ein noch stärkeres Signal der Vererbung, einschließlich einer Anreicherung von feinkörnigem Epidot, einem Mangel an grobkörnigem Turmalin und/oder einem Mangel an feinkörnigem Rutil. Unterschiede in der Zusammensetzung der Schwerminerale wurden auch zwischen Proben beobachtet, die aus verschiedenen Lagen desselben Turbidits entnommen wurden. Dieser Befund führt zu einer Diskussion über die Auswirkungen von Diagenese und dem komplexen Sedimentationsverhalten in einem Trübestrom (hindered settling). Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Einflüsse von Korngrößenvererbung eher die Regel als die Ausnahme sind und deren Einfluss bei der Erhebung und Interpretation der Schwermineralanalyse in Provenienzstudien stärker als bisher berücksichtigt werden muss. Das zweite Manuskript (Kapitel 3) integriert die Schwermineralanalyse, die Hauptelement¬chemie von Granat, die Spurenelementzusammensetzung von Apatit und die U-Pb-Geochronologie von Apatit aus vier syntektonischen Becken entlang des östlichen, ionischen Randes Nordkalabriens, um die fortschreitende Überschiebung, Erosion und Freilegung tieferer Krusteneinheiten während des Miozäns zu dokumentieren. Die Provenienz entwickelte sich von einer Dominanz des nordwestlich gelegenen Liguride-Complex im frühen Miozän, möglicherweise mit Beiträgen aus dem Korsika-Sardinien-Block, über einen zunehmenden Beitrag aus plutonischen Quellen während des Serravalliums und Tortoniums bis hin zu einem zunehmenden Beitrag aus metamorphen Einheiten wie Sila und Mandatoriccio-Bocchigliero. Diese Verschiebung der Sedimentquellen und -wege wird als Ausdruck einer Phase relativer tektonischer Ruhe interpretiert, auf die eine Überschiebung und Hebung folgte, die in einer maximalen Hebung und Erosion im Serravallium und anschließender allmählichen Rückkehr zu einer wiederum flacheren Topographie führt. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen integriert das dritte Manuskript (Kapitel 4) zusätzliche Schwermineral-Assemblagen von der westlichen, Tyrrhenischen Küste Nord-Kalabriens mit Zirkon-U-Pb-He-Doppeldatierungen von Sandsteinen aus dem Miozän, rezenten Flusssanden aus kleinen Einzugsgebieten und Geröll-Populationen aus dem Miozän und der Gegenwart aus ganz Nordkalabrien. Der Datensatz schränkt die Herkunftssignale mehrerer Quelleneinheiten (z. B. hochgradige vs. niedriggradige metamorphe und granitoide Einheiten) stärker ein und kontrastiert die Zeitunterschiede zwischen dem östlichen und westlichen Rand. Im Westen deuten kurze Zeiten zwischen Gesteinsabkühlung und Erosion/Sedimentation (lag time) auf eine schnelle Hebung im frühen bis mittleren Miozän hin, während eine Verlagerung von granitoiden zu metamorphen Quellen während des Serravalliums-Tortoniums auf eine Erosion tieferer Krusteneinheiten hindeutet. Im Osten weisen die Proben ältere Abkühlungsalter und damit längere lag time auf, was eine langsamere Exhumierung widerspiegelt. Zusammengenommen dokumentieren diese Ergebnisse eine asymmetrische Hebungsgeschichte, die durch die Rückbogenausdehnung im Westen und die Vorbogenkompression im Osten gesteuert wird.