Diagenese der känozoischen Sedimente des Oberrheingrabens als Hinweis der tertiären Fluidentwicklung
Untersuchungen der Diagenese der tertiären Sedimente des Oberrheingrabens mit speziellem Augenmerk auf Karbonatzementation in Klüften und Porenraum geben Auskunft über Fluidzirkulation innerhalb des Grabens und der randlichen Vorbergzonen während des Känozoikums. Hierfür wurden Bohrungen des Grabeninneren und Aufschlüsse des Grabenrandbereiches beprobt. Diagenetische Alteration der Kalk- und Mergelsteine ist durch Karbonatzementation und Lösung dominiert, in Sandsteinen tritt die Bildung von Quarzanwachssäumen und Tonmineralen hinzu. Wurden die Sandsteine nicht bereits frühdiagenetisch stark durch Karbonat- oder Sulfatminerale zementiert, tritt bei zunehmender Versenkung die Kaolinit- und bei entsprechend hoher Temperatur auch Chlorit- und Illitbildung auf. Episodischer Fluidfluss fällte Kalzit- oder Dolomitzemente im freien Poren- und Kluftraum aus. Neben Kalzitzementen sind als Kluftfüllung Pyrit, Eisenoxide, Anhydrit und Gips häufig anzutreffen. Die Mineralneubildungen verweisen auf vielfältige Diageneseprozesse in den Sedimenten des Beckens, z.B. Sulfatreduktion, Methanogenese, Überdruckzonen, Hydrothermalwässer, Verkarstung. Bei den mit Hilfe herkömmlicher petrographischer Methoden und der Kathodenlumineszenz unterschiedenen Karbonatzementphasen überwiegen Kalzitzemente (Phasen A, Ao, B, C, E1, E2, E3, E4, D, K, T). Daneben tritt eisenreicher Satteldolomit (Phase U) auf. Die Spurenelement armen Kalzitzemente der Phase E2 enthalten Flüssigkeitseinschlüsse sehr geringer Salinität (0 bis 0,5 äq. Gew. % NaCl). Die gegenüber denjenigen des Gesamtgesteins erniedrigten Kohlenstoffisotopenwerte (d 13C = –5,9 bis –10,7 ‰ PDB) kennzeichnen sie als Produkte meteorischer Wässer. Auch das Signal der Strontiumisotope (87Sr/86Sr = 0,7089 bis 0,7097) liegt im Bereich des Oberflächenwassers der Rheinebene. Es ist gegenüber marinem Kalkstein (0,7075) bzw. Meerwasser zur Zeit der Ablagerung erhöht. Die drei weiteren Kalzitzemente (A, B und C) stehen in einer zeitlichen Reihenfolge. Ihre Deutung als Fluidprodukte der Versenkungsdiagenese und die des Satteldolomits geht auf gegenüber dem Gesamtgestein erniedrigte Sauerstoffisotopenwerte (d 18O = –6,0 bis –14,3 ‰ PDB) zurück. Die Strontiumsignale (0,7091 bis 0,7126) liegen teils im Bereich der meteorischen Wässer des Oberrheingrabens, teils zeigen sie Werte (> 0,71), wie sie von tief hinabsteigenden Fluiden zu erwarten sind, die durch Granit und Gneis des Grundgebirges zirkulieren. Flüssigkeitseinschlüsse der Zementphasen A und U sind durch Salinitäten von maximal 17 äq. Gew. % NaCl gekennzeichnet, wogegen Zement B und C überwiegend Einschlüsse mit geringen Salinitäten enthalten (0 bis 5 äq. Gew. % NaCl). Es handelt sich vermutlich um Mischungen von meteorischen Wässern, Formationswässern des Grabens und einer Beimischung von Tiefenwässern des Grundgebirges. Die geringe Salinität der Fluideinschlüsse der Zemente B und C verweist auf einen hohen Anteil salzarmer meteorischer Wässer, die hohe Salinität von A und U dagegen auf eine große Beteiligung salinarer Formationswässer. Flüssigkeitseinschlüsse in Quarzanwachssäumen in Sandsteinen zeigen salinare Formationswässer (5 bis 12 äq. Gew. % NaCl) und Bildungstemperaturen von 80 bis 120 °C auf. Je nach Mischungsverhältnis der beteiligten Fluide ändert sich die Geochemie der ausgeschiedenen Zemente. Auch das jeweilige Wirtsgestein beeinflusst den Spurenelement- und Isotopengehalt. Zemente im Sand- und Tonstein zeigen größere Anteile an Spurenelementen wie Eisen und Magnesium. Die Entwicklung der Kalzitphasen von A nach C zeigt eine Abnahme des Spurenelementgehaltes und der Salinität. Der Einfluss meteorischer Wässer nahm, besonders im Grabenrandbereich, allmählich zu. Die Fluide, die zur Ausscheidung der spätdiagenetischen Zemente führten, entsprechen isotopen- und elementgeochemisch in ihren Verteilungsmustern nicht den rezenten Formationswässern des Grabens. Abschätzungen der Hydrochemie der beteiligten Fluide lässt eine stärkere marine Komponente der Formationswässer als rezent vermuten. Die Zementationsphasen können durch relativen Zeitvergleich des Wirtsgesteins und der Hebungsphasen des Grabens und der Randbereiche auf einen Zeitraum von oberem Miozän bis oberes Pliozän eingegrenzt werden. Scher- und Hebungstektonik von Graben und Schultern wird für die Öffnung der Klüfte und somit der Schaffung von Wegsamkeit für großregionale und tiefgründige Zirkulation von Fluiden verantwortlich gemacht. Eine Einflussnahme des Fluidflusses durch den obermiozänen Kaiserstuhlvulkanismus und begleitender magmatischer Fluide konnte geochemisch nicht beobachtet werden. Nur die Vulkanite enthalten Zemente der postvulkanen hydrothermalen Phase, aber auch jüngere meteorische Zemente.
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