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Geochemical characteristics of Archaean and Late Proterozoic to Palaeozoic fine-grained sediments from Southern Africa and significance for the evolution of the continental crust

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit werden zwei Plattformsedimente (marine Flachwasserablagerungen) verschiedenen Alters (Pongola ∼2.9 Mrd. Jahre, Südafrika, Nama 550–700 Mio. Jahre, Südwest Afrika/Namibia) chemisch analysiert und miteinander verglichen. Analysen der Tonmineralfraktion μ sollten zusätzliche Informationen bereitstellen.

Die Pelite der Pongola und Nama Gruppen lassen sich statistisch und nach geochemischen Parametern in Cluster unterteilen. Diese Cluster unterscheiden sich nur gering auf Grund ihrer Hauptelementanalysen, die Spurenelemente hingegen weisen einen altersabhängigen Trend auf. Ganz deutlich kommt dies bei den Cr-Werten zum Ausdruck. Von 545 ppm in dem ersten Cluster der ältesten Gesteine fällt er auf etwa 55 ppm in dem zweiten Nama Cluster der jüngsten Gesteine ab. Um die Entwicklungstendenzen darstellen zu können, wurden X/Y-Diagramme erstellt. Es stellte sich heraus, daß für Proben aus dem südlichen Afrika der Chromgehalt mit jünger werdendem Alter abnimmt. Zn und Ni zeigen deutlich, wie sehr diese Elementkonzentrationen in Sedimenten durch einen langen Transportweg und eine intensive Aufarbeitung beeinflußt werden können. Ein Vergleich der Pongola und Nama Daten läßt den Schluß zu, daß die Seltenen Erden nicht unbedingt zur Unterscheidung archaischer von post-archaischen Sedimente geeignet sind.

Die Abnahme der Cr/TiO2- und der Cr/Zn-Verhältnisse sowei der absoluten Cr- und Ni-Konzentrationen mit abnehmendem geologischen Alter der Sedimente deuten auf eine rasche Entwicklung (von ca. 3.3 Mrd. J. bis ca. 2.3 Mrd. J.) von einer zunächst vorwiegend mafischen oberen Erdkruste zu einer zunehmend felsischen (d. h. stärker differenzierten) Kruste hin. Die relativ geringen Veränderungen in späterer Zeit (d. h. < 2.3 Mrd. J.) lassen auf den Beginn einer Aufarbeitung schon vorhandener Sedimente (recycling) und eine nur untergeordnete Bildung neuer kontinentaler Erdkruste schließen.

Abstract

Chemical data for pelitic rocks (shallow-marine platform sediments) of the ∼ 2.9 Ga old Pongola Supergroup, South Africa, and the 550–700 Ma old Nama Group, Namibia, revealed clearly different compositions in both groups. A comparison of the Pongola and Nama data with literature values for sedimentary rocks shows a trend for Cr/TiO2 and Cr/Zn ratios as well as the absolute Cr and Ni concentrations to lower values with decreasing age, whereas the Cr/Ni ratios seem to remain broadly constant through time. REE patterns of Pongola and Nama sediments show no significant difference, thus giving the impression of a post-Archaean origin for the demonstrably Archaean Pongola sediments. However, a plot of the trace element data for these sediments, normalized to the average shale of TuRekian &Wedepohl (1961) shows the Pongola shales to have a clear Archaean pattern whereas the Nama pelites display a typical post-Archaean signature. The results of this investigation confirm a model of rapid evolution of the Earth's upper continental crust from a predominantly mafic composition in the early Archaean to a more felsic character with increasing differentiation. The geochemistry of post-Archaean sediments may reflect the onset of cannibalistic recycling of older crust as proposed byVeizer (1973) and the end of major crustal growth.

Résumé

L'objet de ce travail est de comparer les compositions chimiques de la fraction pélitique (< 2μ) dans des sédiments de plate-forme, déposés en mer peu profonde, et appartenant respectivement au supergroupe de Pongola (± 2.9 G.a., Afrique du S) et au groupe de Nama (550–700 M.a., Namibie).

Cette comparaison, menée par la méthode statistique des «clusters analysis», ne révèle pas de différence entre les deux groupes, en ce qui concerne les éléments majeurs. Pour les éléments en traces, par contre, on constate avec l'âge décroissant des roches une diminution des rapports Cr/TiO2, Cr/Zn ainsi que des teneurs en Cr et en Ni, tandis que le rapport Cr/Ni reste sensiblement constant.

Les distributions des terres rares des deux groupes ne présentent pas de différence significative, donnant l'impression d'un âge post-archéen pour les sédiments du groupe de Pongola (2.9 G.a.). Toutefois, le report de données des éléments en traces, normalisées par rapport au shale moyen deTurekian etWedepohl (1961) montre nettement des distributions archéennes pour le groupe de Pongola et post-archéennes pour le groupe de Nama.

Ces investigations confirment le modèle d'une évolution rapide de la croûte continentale supérieure depuis une composition mafique à l'Archéen ancien (3.3 G.a.) vers un caractère plus felsique, c'est-à-dire plus différencié vers 2.3 G.a., le peu de changement au cours des périodes ultérieures (< 2.3 G.a.) indiquant un recyclage continuel des mêmes matériaux sans intervention notable d'un accroissement de la croûte continentale.

Краткое содержание

Приведены результат ы химического исслед ования двух групп мелководн ых седиментов различ ного возрасти (Понгола при мерно 2,9 миллиардов лет, а Нама — 550–700 миллион ов лет), а также данные анализа глини стых минералов в них, и проводится сравнени е этих двух групп. Пелиты седиментов По нгола и Нама можно подразделить, как с по мощью статистически х, так и геохимических м етодов на группы. Эти последние мало разли чаются друг от друга п о содержанию

основных элементов, о днако распределение микроэлементов в них проявляет зависимос ть от возраста. Особенно ясно видно это в случае хрома. От 545 ррт в первой группе наибол ее древних пород он сниж ается до 55 ррт в группе наиболее молодых отл ожений. Эту тенденцию представили на диагр амме, причем установи ли, что в более молодых по родах его содержание всегда уменьшается. Н а распределение цинк а и никеля влияют гидро динамические услови я. Сравнение полученны х данных разрешает сд елать вывод, что Редкие Земл и не всегда удобны для разграничивания архейских и после-арх ейских седиментов.

Понижение значения с оотношения хрома к окиси титана и хрома к цинку, а также абсолют ного содержания хрома и ци нка в седиментах с бол ее молодым геологическ им возрастом говорит о быстром перходе (прим ерно с 3,3 миллиардов ле т до 2.3 миллиардув лет) пр еимущественно мафич еской верхней коры Земли в б олее фельзическую, т. е. в более дифференци рованную. Сравнитель но незначительные изме нения в более позднее время т. е. за последние 2.3 миллиарда лет, заставляют предпола гать переотложение у же имевшегося седимент а, т. е. recycling, и только незначительное обра зование новой матери ковой коры.

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References

  1. Abbey S. (1977): Studies in »Standard Samples« for use in the general analysis of silicate rocks and minerals. Part 5: 1977 Edition of «USABLE» Values. - Geol. Surv. Canada, Paper 77–34.

  2. Allsopp, H. L., Köstlin, E. O., Welke, H., Burger, A. J., Kröner, A. &Blignault, H. J. (1979): Rb-Sr and U-PB geochronology of late Precambrian-early Palaeozoic igneous activity in the Richtersveld and southern South West Africa. - Trans. Geol. Soc. S. Africa,82, 185–204.

  3. Anhaeusser, C. R. &Robb, L. J. (1981): Magmatic cycles and the evolution of the Archaean granitic crust in the eastern Transvaal and Swaziland. - In: J. E.Glover &Groves, D. I. (eds.), Archaean Geology, Spec. Publ. Geol. Soc. Australia,7, 457–468.

  4. Cameron, E. M. &Garrels, R. M. (1980): Geochemical composition of some Precambrian shales from the Canadian shield. - Chem. Geol.,28, 181–197.

  5. Condie, K. J. (1980): Origin and early development of the Earth's crust. - Precambrian Research,11, 183–197.

  6. —,Viljoen, M. J. &Kable, E. J. D. (1977): Effects of alteration on element distributions in Archaean tholeiites from the Barberton Greenstone Belt, South Africa. - Contrib. Mineral. Petrol.,64, 75–89.

  7. Collerson, K. D. &Bridgwater, D. (1979): Metamorphic development of early Archaean tonalitic and trondhjemitic gneisses: Saglek area, Labrador. - In:F. Barker (ed.), Trondhjemites, dacites, and related rocks, Elsevier, Amsterdam, 205–273.

  8. Eade, R. E. &Fahrig, W. G. (1971): Geochemical evolutionary trends of continental plates - a preliminary study of the Canadian Shield.- Geol. Surv. Canada Bull.,179, 51 p.

  9. Fuller, A. O., Camden-Smith, P., Sprague, A. R. G., Waters, D. J. &Willis, J. P. (1981): Geochemical signature of shales from the Witwatersrand Supergroup. - S. Afr.-J. Sci.,77, 379–381.

  10. Germs, G. J. B. (1972): The stratigraphy and paleontology of the lower Nama Group, South West Africa. - Precambrian Res. Unit, University of Cape Town, Bull.12, 250 p.

  11. Gilluly, J., Reed, J. C. &Cady, W. M. (1970): Sedimentary volumes and their significance.- Geol. Soc. Amer. Bull.,81, 353–375.

  12. Glaessner, M. F. (1971): Geographic distribution and time range of the Ediacara Precambrian fauna. - Geol. Soc. Amer. Bull.,82, 509–514.

  13. Hegner E.,Hafmann, A. W.,Kröner, A. (1984): Age and isotope geochemistry of the Archaean Pongola and Usushwana suites, Swaziland, southern Africa: a case for crustal contamination of mantle derived magma. - Earth Planet. Sci. Lett. (in press).

  14. Heinrichs, H., Schulz-Dobrick, B. &Wedepohl, K. H. (1980): Terrestrial geochemistry of Cd, Bi, Tl, Pb, Zn and Rb. - Geochim. Cosmochim. Acta,44, 1519–1533.

  15. Hofmeyr, P. K. (1971): The abundance and distribution of some trace elements in some selected South African shales. - Unpubl. Ph. D. thesis, Univ. of Cape Town, South Africa, 218 p.

  16. Hunter, D. R. (1974): Crustal development in the Kaapvaal Craton, I. The Archaean - Precambrian Res.,1, 259–294.

  17. Jennrich, R. &Sampson, P. (1981): 7M, stepwise discriminant analysis. - In:W. J. Dixon (chief ed.), BMDP statistical software, University of California Press, Berkeley, 519–537.

  18. Kröner, A., McWilliams, M. O., Germs, G. J. B., Reid, A. B. &Schalk, K. E. L. (1980): Paleomagnetism of late Precambrian to early Proterozoic mixtite bearing formations in Namibia (South West Africa): The Nama Group and Blaubeker Formation. - Amer. J. Sci.,280, 942–968.

  19. Laskowski, N. (1982): Vergleichende Geochemie an früh- und spätpräkambrischen Sedimenten aus dem südlichen Afrika und ihre Bedeutung für die Entwicklung der kontinentalen Erdkruste. -Unpubl. Ph. D. thesis, Univ. of Mainz, 174 p.

  20. Nicollet, C. &Andriambololona, D. R. (1980): Distribution of transition elements in crustal metabasic igneous rocks. - Chem. Geol.,28, 79–90.

  21. Matthews, P. E. (1967): The pre-Karroo formations of the White Umfolozi Inlier, northern Natal. - Trans. Geol. Soc. S. Africa,70, 39–63.

  22. —, &Scharrer, R. H. (1968): A graded unconformity at the base of the early Precambrian Pongola System. - Trans. Geol. Soc. S. Africa,71, 257–272.

  23. McLennan, S. M., Fryer, B. J. &Young, G. M. (1979): Rare earth elements in Huronian (Lower Proterozoic) sedimentary rocks: Composition and evolution of the post-Kenoran upper crust. - Geochim. Cosmochim. Acta,43, 375–388.

  24. —,Taylor, S. R. &Eriksson, K. A. (1983): Geochemistry of Archaean shales from the Pilbara Supergroup, Western Australia. - Geochim. Cosmochim. Acta,47, 1211–1222.

  25. —, &Kröner, A. (1983): Geochemical evolution of Archaean sedimentary rocks from South Africa. - Precambrian Res.,22, 93–124.

  26. Potter, P. E., Shimp, N. F. &Witters, J. (1963): Trace elements in marine and fresh-water argillaceous sediments. - Geochim. Cosmochim. Acta,27, 669–694.

  27. Ronov, A. B. (1968): Probable changes in the composition of sea water during the course of geological time.- Sedimentology,10, 25–43.

  28. Schwab, F. L. (1968): Secular trends in the composition of sedimentary rock assemblages - Archaean through Phanerozoic time.- Geology,6, 532–536.

  29. Smith, H. S., Erlank, A. J. &Duncan, A. R. (1980): Geochemistry of some ultramafic komatiitic lava flows from the Barberton Mountain Land, South Africa. - Precambrian Res.,11, 399–415.

  30. Taylor, S. R. &McLennan, S. M. (1981): The rare element evidence in Precambrian sedimentary rocks. Implication for crustal evolution. - In:A. Kröner (ed.), Precambrian plate tectonics, Elsevier, Amsterdam, 527–548.

  31. - & - (1983): Geochemistry of early Proterozoic sedimentary rocks and the Archaean - Proterozoic boundary. - In: L. G.Medaris, Jr., C. W.Byers, D. M.Mickelson & W. C.Shanks (eds.), Proterozoic Geology, Geol. Soc. Amer. Mem.161, 119–132.

  32. Turekian, K. K. &Wedepohl, K. H. (1961): Distribution of the elements in some major units of the Earth's crust. - Geol. Soc. Amer. Bull.,72, 175–192.

  33. Veizer, J. (1973): Sedimentation in geologic history: Recycling versus evolution or recycling with evolution. - Contrib. Mineral. Petrol.,38, 261–278.

  34. —, (1979): Secular variations in chemical composition of sediments: A review. - In:L. H. Ahrens (ed.), The origin and evolution of the elements, Pergamon Press, London,11, 269–278.

  35. —, &Jansen, S. L. (1979): Basement and sedimentary recycling and continental evolution.- J. Geol.,87, 341–370.

  36. Viljoen, M. J. &Viljoen, R. P. (1969): Evidence for the existence of a mobile extrusive peridotitic magma from the Komati Formation of the Onverwacht Group. - Geol. Soc. S. Africa, Spec. Paper,2, 87–112.

  37. vonBrunn, V. &Hobday, D. K. (1976): Early Precambrian tidal sedimentation in the Pongola Supergroup of South Africa. - J. Sed. Petrol.,46, 670–679.

  38. —, &Mason, T. R. (1977): Siliciclastic-carbonate tidal deposits from the 3000 m.y. Pongola Supergroup, South Africa. - Sed. Geol.,18, 245–255.

  39. Watchorn, M. B. &Armstrong, N. V. (1980): Contemporaneous sedimentation and valcanism at the base of the early Precambrian Nsuze Group, South Africa. - Econ. Geol. Res. Unit, Univ. Witwatersrand, Johannesburg, Inform. Circular142, 10 p.

  40. Willis, J. P., Ahrens, L. H., Danchin, R. V., Erlank, A. J., Gurney, J. J., Hofmeyr, P. K., McCarthy, T. S. &Orren, M. J. (1971): Some interelement relationships between lunar rocks and fines, and stony meteorites. - Proc. Second Lunar Sci. Conf.,2, 1123–1138.

  41. —,Erlank, A. J., Gurney, J. J., Theil, R. H., Ahrens, L. H. (1972): Major, minor and trace element data for some Appllo 11, 12, 14 and 15 samples.- Proc. Third Lunar Sci. Conf.,2, 1269–1273.

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Laskowski, N., Kröner, A. Geochemical characteristics of Archaean and Late Proterozoic to Palaeozoic fine-grained sediments from Southern Africa and significance for the evolution of the continental crust. Geol Rundsch 74, 1–9 (1985). https://doi.org/10.1007/BF01764566

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Keywords

  • Shale
  • Continental Crust
  • Trace Element Data
  • Average Shale
  • Pelitic Rock