Chemical study of tectonically controlled hydrothermal dolomitization: an example from the Lessini mountains, Italy

Zusammenfassung

In den zentralen Südalpen (Feltre, Verona — Italien) findet sich eine etwa 750 m dicke Abfolge jurassischer und kretazischer pelagischer Kalke, die nach der Ablagerung zum Teil breckziert und dolomitisiert wurde, während die darüberliegenden 500 m mächtigen tertiären Sedimente keine Dolomitisierung zeigen. Im Paläogen ist im Gebiet ein mafischer, überwiegend mariner Vulkanismus dokumentiert. Kleinmaßstäbliche listrische Brüche in Kalken am Kontakt mit der dolomitisierten Breckzie entsprechen geometrisch einem großräumigen extensiven Regime im Paläogen. Sie beweisen die Gleichzeitigkeit der vulkanischen Aktivität und der Breckzierung. Die Verteilung und petrographischen Eigenschaften der Basalte, mit der Geometrie der Extensionsstrukturen, erlauben eine paläotektonische Rekonstruktion. Diese tektonische Situation entspricht einem Back-arc-basin und stellt die östliche Verlängerung des ligurisch-balearischen Beckens dar, das Südfrankreich vom Sardisch-Korsisch-Kalabrischen-Block im späten Oligozän getrennt hat.

Dieδ ¹³C Werte der Dolomite sind weniger als 1%. negativer als die entsprechender nicht dolomitisierter Kalke. Dieδ ¹⁸O-Werte (relativ zum PDB Standard) variieren zwischen −5%. und −13%., das ist 2 bis 11%. negativer als die nicht dolomitisierter Kalke. Dies wird auf erhöhte Bildungstemperaturen zurückgeführt. Ein Anstieg der⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-Signaturen im Mittel von 0.7077 in den nicht dolomitisierten Kalken auf 0.7085 in den dolomitisierten Kalken schließt eine Herkunft der dolomitisierenden Fluide von den vulkanischen Gesteinen aus. Beim Vergleich der Isotopensignaturen mit der phanerozoischen Meerwasser-Isotopenkurve, könnte aber das radiogene Strontium von spät oligozänem — früh miozänem Meerwasser kommen. Mikrothermometrische Analysen flüssiger Einschlüsse in Dolomitkristallen im Gestein und in Adern deutet auf eine Einschlußtemperatur von 70°C (Dolomitgestein) bzw. 120°C (Dolomit in Adern) hin. Die Lösung in den Einschlüssen ist Wasser mit NaCl und MgCl₂, mit einer Salinität von 46%. (Dolomitgestein) bzw. 17%. (Adern). Die aus den Einschlüssen berechnete Druckkorrektur ist etwa 250 bar. Dies entspricht ungefähr der früh miozänen Gesteinssäule über den mesozoischen Kalken.

Aufgrund dieser Daten wird eine hydrothermale Bildung der Dolomite im späten Oligozän - frühen Miozän postuliert. Es wird ein hydrodynamisches Modell vorgeschlagen, in dem aufgeheiztes Meerwasser konvektiv durch die breckzierte mesozoische Abfolge zirkuliert. Als Motor wirkt ein vulkanischer geothermischer Gradient. Dieses Modell läßt sich mit hydrologischen Betrachtungen testen und stützen.

Abstract

In the Central Southern Alps (Feltre, Verona — Italy), a 750 m thick interval of Jurassic and Cretaceous pelagic limestones shows post-depositional partial brecciation and dolomitization. The overlying 500 m thick Tertiary sedimentary sequence is unaffected. Through the Paleogene, mostly submarine, mafic volcanism has been documented in the area. Small-scale extensional features were observed in the limestone near the contact with the dolomitized breccias. Their orientations measured in the field correspond to the tectonic framework of the area and give evidence for the contemporaneousness of the volcanic activity and the brecciation. The distribution and petrologic characteristics of the basalts, combined with the orientation of the extensional features observed in the field, allow a paleotectonic reconstruction. This tectonic scenario can be viewed as a back-arc extension, an eastward prolongation of the spreading that divided Southern France from the Sardinia-Corsica-Calabria block, generating the Ligurian-balearic basin in the Late Oligocene.

The dolomite is fine-grained to sucrosic, with a microamygdaloidal porosity, partially filled with ankerite and calcite. The matrix shows a homogeneous, orange-red cathodoluminescence, indicating a single phase of iron-poor dolomite. The carbonate fraction consists of more than 90% dolomite. The dolomite is almost stoichiometric (Ca_0.6Mg_0.4 to Ca_0.5Mg_0.5). Theδ ¹³C values of the dolomite are less than 1%. more negative than the unaffected limestone. Theδ ¹⁸O values are between −5%. to −13%., with a depletion of 2–11%. relative to the undolomitized limestone. The depleted oxygen isotope ratios in the dolomitized rock can be derived either from fluids impoverished in the heavy isotopes (e.g. meteoric water) or high temperatures. The unvaried carbon isotopic ratios make the second interpretation the most acceptable. As the⁸⁷Sr/⁸⁶Sr values increase from a mean of 0.7077 in the unaffected limestones to 0.7085 in the dolomitized limestones, a derivation of the dolomitizing fluids from the volcanic rocks can be excluded. Comparing the obtained data with the Phanerozoic seawater isotope curve, however, the radiogenic Sr may be derived from marine waters of Late Oligocene-Early Miocene age. Microthermometric analyses of the fluid inclusions in the dolomite crystals from the bulk rocks and from the veins suggest a trapping temperature ranging from a minimum of 70°C (dolomite rock) to a maximum of 120°C (dolomite in veins). The solution contained in the inclusions is water with NaCl and MgCl₂ with salinities of 46%. (dolomite bulk rock) and 17%. (dolomite in veins). The pressure correction calculated from the fluid inclusion data is about 250 bars, which roughly correspond to the lithostatic pressure over the Mesozoic limestones in the Early Miocene.

These results point to a hydrothermal origin of the dolomitization during the Late Oligocene-Early Miocene, as ascertained from the strontium isotope and fluid inclusion data. The circulation of hot marine water through the brecciated limestones in convective cells, triggered by the geothermal gradient related to the volcanic activity, is the proposed hydrodynamic model. Hydrologie considerations demonstrate that the proposed model is feasible.

Résumé

Dans la partie sud des Alpes Centrales (Feltre, Verone: Italie) il existe une succession, épaisse de 750 m, de calcaires pélagiques jurassiques et crétacés, qui ont subi après leur sédimentation une bréchification et une dolomitisation partielles. Les sédiments tertiaires surincombants, épais de 500 m, ne sont pas affectés par ces phénomènes. Un volcanisme paléogène mafique, essentiellement sousmarin, a été reconnu dans la région. Dans les calcaires, au contact de la brèche dolomitisée, existent des cassures listriques de petite échelle dont la géométrie témoigne d'un régime extensif général au Paléogène. Leurs orientations, mesurées sur le terrain, indiquent la contemporanéité de l'activité volcanique et de la bréchification. La distribution et les caractères pétrologiques des basaltes, combinés à la géometrie des structures extensives, permet une reconstitution paléotectonique. Celle-ci montre une extension dans un bassin d'arrière-arc, prolongement oriental de l'expansion qui, à l'Oligocène supérieur, a séparé du sud de la France le bloc corsico-sardo-calabrais en créant le bassin liguro-baléare.

La dolomie, finement grenue à saccharoïde, possède une porosité à vides micro-amygdaloïdes, partiellement occupés par de l'ankérite et de la calcite. La matrice présente une cathodoluminescence homogène rouge-orange, indiquant la présence d'une seule phase constituée de dolomite pauvre en Fe. La fraction carbonatée consiste en dolomite pour plus de 90%. Cette dolomite est à peu près stoechiométrique (Ca_0,6Mg_0,4 à Ca_0,5Mg_0,5). Les rapportsδ ¹³C de la dolomie sont inférieurs de moins de 1%. à ceux du calcaire intact. Les rapportsδ ¹⁸O sont compris entre −5%. et −13%., soit 2 à 11%. inférieurs à ceux du calcaire non dolomitisé. Cette baisse du rapport isotopique peut provenir soit de fluides appauvris en isotopes lourds (p. ex. l'eau météorique), soit d'une température élevée; la constance des rapports isotopiques du C rend cette deuxième explication la plus plausible. Le rapport⁸⁷Sr/⁸⁶Sr passe d'une valeur moyenne de 0,7077 dans les calcaires non affectés à 0,7085 dans les calcaires dolomitisés; cet accroissement exclut une origine volcanique pour les fluides dolomitisants. En comparant ces valeurs à la courbe isotopique du Sr de l'eau de mer au Phanérozoïque, on peut déduire que le Sr radiogénique est dérivé d'eaux marines d'âge oligocène tardif à miocène inférieur. L'analyse microthermométrique des inclusions fluides contenues dans les cristaux de dolomite suggère une température de formation qui va de 70°C (dans la roche) à 120° (dans les veines). Le contenu de ces inclusions est une solution aqueuse de NaCl et MgCl₂ avec une salinité de 44%. (dans la roche) et de 17%. (dans les veines). La correction de pression calculée à partir des inclusions fluides est d'environ 250 bars, ce qui correspond grosso modo à la pression lithostatique qui s'exerçait au Miocène inférieur sur les calcaires mésozoïques.

Sur la base de ces données, on conclut à une origine hydrothermale de la dolomie au cours de l'Oligocène supérieur - Miocène inférieur. Le modèle hydrodynamique proposé fait appel à la circulation convective, à travers le calcaire bréchié, d'eau marine échauffée grâce au gradient géothermique élevé dû à l'activité volcanique. Ce modèle est en accord avec des considérations hydrologiques.

Краткое содержание

В центральных южных А льпах (Фельтрере, Верона — Италия)наход ят свиты юрских и мело вых пелагических извест няков, мощностью примерно в 750 м, которые после отложения частично превратили сь в брекчии и доломитизировались, в то время, как покрыва ющие их третичные седименты, мощностью в 500 м, не проявляют черт долом итизации. В этой облас ти отмечен преимуществ енно морской вулкани зм, проявившийся в палео гене. Мелкомасштабны е листровые разломы в и звестняке на местах контакта их с д оломитизированными брекчиями геометрич ески соответствуют крупномасштабному режиму, господствова вшему в палеогене. Они указыв ают на то, что вулканич еская активность и процесс брекчевания протекали одновреме нно. Распределение и петрографические ха рактеристики базаль тов с геометрией структур расширения разрешаю т провести палеотекто нические реконструк ции. Такая тектоническая ситуация соответств ует бассейну тыловой дуг и и представляет собо й восточное продолжен ие лигурийско-балеар ского бассейна, отделившег о в позднем олигоцене южную Францию от сард ино-корсиканскокала брийского бассейна. Значения δ¹³С доломит ов отрицательней таковых у соответств ующих недоломитизир ованных известняков на менее, чем 1%. А значения δ¹⁸О, относительно ста ндарта PDB колеблются от −5 до −13%, т.е. от 2 до 11% отри цательней таковых недоломитиз ированных известняков. Это было вызвано, вероятно, повышением температ уры их образования. Повышение значений с оотношения изотопов стронция⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в среднем от 0.7077 в недоломитизированн ых известняках до 0,7085 в дол омитизированных известняках исключа ет происхождение доломитизирующих фл юидов из вулканических пород. Но при сравнении знач ений соотношения этих изо топов с таковыми в морской воде фанероз оя можно предположит ь, что радиогенный стро нций проник сюда с мор ской водой в позднем олиго цене-раннем миоцене. Микротермический ан ализ жидких включени й в кристаллах доломит а в породах и жилах указывает на темпера туру включений в 70°С у доломитов в породах, и ли 120°С в доломите жил. Растворы во включ ениях состоят из воды с повареной солью, или с хлоридом магния, причем соленость сос тавляет в доломитах пород 44%, а в доломитах ж ил 17%. Давление, пересчитанное по вкл ючениям с корректуро й, составляет 250 бар. Это с оответствует пример но мощности ранне-миоце новому столбу пород над мезозойскими изв естняками. На основании приведе нных данных считают, что доломиты образов ались в позднем олиго цене-раннем миоцене гидротермал ьно. Предложена гидродинамическая м одель, по которой теплая морская вода с оздала конвекционны е потоки через мезозой ские свиты. Механизмо м этого процесса явилс я геотермический гра диент, вызванный вулканиче скими процессами. Гидрогеологические соображения подтвер ждают эту модель.