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Eiszeitalter

u.

Gegenwart

Band 25

Seite

141-156

Öhringen/W

ürtt., 31. Oktober

1974

Kryoturbationsartige Sedimentstrukturen im Pliozän und Altquartär der südlichen Niederrheinischen Bucht Ein Beitrag zur Unterscheidung kryogener und nichtkryogener Sedimentstrukturen Von

GOTTHARD KOWALCZYK,

Frankfurt/Main

Mit 12 Abbildungen und 1 Tabelle

Z u s a m m e n f a s s u n g . Aus fluviatilen Ablagerungen des Jungpliozäns und Altquartärs der südlichen Niederrheinischen Bucht werden Sedimentstrukturen beschrieben, deren Deutung als Kryoturbationen oder Bildungen, die nicht klimabedingt sind, unsicher ist. Genese und Unter­ scheidungsmöglichkeiten beider Formen werden diskutiert. S u m m a r y . Involution-like sedimentary structures o f uncertain origin are described from late Pliocene and early Pleistocene fluviatile deposits in the southern "Niederrheinische Bucht" (NW-Germany). Their genesis and the possibility to differenciate between convolute bedding and cryoturbations are discussed. 1. Einleitung D i e K l i m a b e d i n g u n g e n w ä h r e n d der A b l a g e r u n g q u a r t ä r e r S c h o t t e r und S a n d e lassen sich meist n u r a n h a n d sedimentologischer K l i m a i n d i k a t o r e n erschließen, weil die E r h a l ­ tungsbedingungen für Fossilien in solchen S e d i m e n t e n fast stets sehr schlecht sind. Ü b e r d i e s sind aussagekräftige Fossilien o h n e h i n selten. Als K e n n z e i c h e n kalten K l i m a s gelten d a b e i : E i s k e i l e (eigtl. P s e u d o m o r p h o s e n nach E i s k e i l e n ) , F r o s t s p a l t e n , F r o s t m u s t e r b ö d e n , K r y o t u r b a t i o n e n , D r i f t b l ö c k e , gelegentlich auch Schluffgerölle, die G e r ö l l m o r p h o l o g i e u n d d e r G e r ö l l b e s t a n d . Besonders a u s s a g e ­ kräftige I n d i k a t o r e n für P e r i g l a z i a l b e d i n g u n g e n s i n d E i s k e i l e u n d K r y o t u r b a t i o n e n . D a ­ her sind genaue I d e n t i f i k a t i o n s m e r k m a l e dieser F o r m e n wünschenswert, u m V e r w e c h s l u n ­ gen m i t P s e u d o f o r m e n zu v e r m e i d e n . D i e D i s k u s s i o n über die G e n e s e k r y o t u r b a t i o n s a r t i g e r S e d i m e n t s t r u k t u r e n , d i e seit l a n g e m im G a n g e ist, h a t in j ü n g s t e r Zeit d u r c h e x p e r i m e n t e l l e A r b e i t e n eine B e l e b u n g e r f a h r e n . E s h a n d e l t sich d a b e i u m E x p e r i m e n t e , d i e auch z u m S t u d i u m n i c h t k r o y g e n e r S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n durchgeführt werden. S o v e r s u c h t e n B U T R Y M et a l . ( 1 9 6 4 ) — aus­ gehend v o n d e r e x p e r i m e n t e l l e n E r z e u g u n g v o n S e d i m e n t s t r u k t u r e n — zu zeigen, d a ß n a h e z u alle S e d i m e n t s t r u k t u r e n des P e r i g l a z i a l r a u m e s w i e K r y o t u r b a t i o n e n , E i s k e i l e (fossil) u n d P o l y g o n b ö d e n i h r e E n t s t e h u n g nicht d e m K l i m a v e r d a n k e n u n d d a ß sie a u ß e r ­ d e m ihre A n a l o g a in älteren nichteiszeitlichen F o r m a t i o n e n finden ) . J

Diese A n s i c h t b l i e b nicht unwidersprochen, z . B . durch D Y L I K ( 1 9 6 5 ) , der a u f die G r e n ­ z e n und F e h l e r q u e l l e n von E x p e r i m e n t e n in d e r G e o l o g i e hinwies. V o n Interesse a n der A r b e i t v o n B U T R Y M et a l . ( 1 9 6 4 ) a b e r b l e i b t die f o r m a l e Ä h n l i c h ­ k e i t oder g a r I d e n t i t ä t v o n K r y o t u r b a t i o n e n u n d S e d i m e n t s t r u k t u r e n n i c h t k r y o g e n e r E n t ­ stehung (wie c o n v o l u t e b e d d i n g i. w . S. und l o a d c a s t s ) . D a s b e d e u t e t , d a ß K r y o t u r b a t i o ­ n e n nicht o d e r n i c h t i m m e r v o n n i c h t k r y o g e n e n S e d i m e n t s t r u k t u r e n unterschieden w e r d e n k ö n n e n . D a m i t w ü r d e der W e r t v o n „ K r y o t u r b a t i o n e n " als K l i m a i n d i k a t o r e n h i n f ä l l i g . 1) BUTRYM et al. sind ausführlich auf Autoren, die die kryogene Entstehung von Schichtverfältelungen in quartären Sedimenten anzweifeln, eingegangen, so daß hier darauf verzichtet werden kann.


142

Gotthard K o w a l c z y k

Bei der B e a r b e i t u n g des A l t q u a r t ä r s in der N i e d e r r h e i n i s c h e n B u c h t ( B O E N I G K 1 9 7 0 , K O W A L C Z Y K 1 9 7 1 ) w u r d e n in S a n d e n u n d K i e s e n S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n , die v o n d e r F o r m h e r K r y o t u r b a t i o n e n entsprechen, häufig b e o b a c h t e t . Auch in der ä l t e r e n L i t e r a t u r finden sich dafür A n g a b e n . A u f g r u n d v o n E i s k e i l e n , D r i f t b l ö c k e n und d e r S c h o t t e r m o r p h o l o g i e i m j ü n g e r e n T e i l der

1971)

werden

A b f o l g e (s. K A I S E R

die a l t q u a r t ä r e n

1958, AHORNER & KAISER

1964, KOWALCZYK

S c h o t t e r als k a l t z e i t l i c h e B i l d u n g e n angesehen u n d

die

S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n d e m e n t s p r e c h e n d als K r y o t u r b a t i o n e n gedeutet. I m u n t e r l a g e r n d e n P l i o z ä n ( u n d auch M i o z ä n ) findet m a n a b e r g a n z ä h n l i c h e S e d i ­ mentstrukturen,

die wegen d e r in diesen S c h i c h t e n e n t h a l t e n e n

wärmeliebenden

Flora

natürlich nicht durch die W i r k u n g e n p e r i g l a z i a l e n K l i m a s verursacht sein k ö n n e n . D a h e r schien es s i n n v o l l , e i n g e h e n d e r zu untersuchen, ob die S c h i c h t v e r f ä l t e l u n g e n i m A l t q u a r t ä r d e r N i e d e r r h e i n i s c h e n B u c h t sicher als K r y o t u r b a t i o n e n — u n d d a m i t als K a l t ­ k l i m a i n d i k a t o r e n — identifiziert w e r d e n k ö n n e n o d e r ob andere E n t s t e h u n g s w e i s e n m ö g ­ lich oder g a r wahrscheinlich sind. Z u d e m k o n n t e b i s h e r nicht sicher g e k l ä r t w e r d e n , o b die S c h o t t e r im Ä l t e s t p l e i s t o z ä n d e r N i e d e r r h e i n i s c h e n B u c h t k a l t z e i t l i c h e A b l a g e r u n g e n sind o d e r nicht. Im

f o l g e n d e n w e r d e n s c h i c h t i n t e r n e V e r f ä l t e l u n g e n aus dem P l i o z ä n und d e m

Alt­

q u a r t ä r der südlichen N i e d e r r h e i n i s c h e n B u c h t beschrieben, g e g e n ü b e r g e s t e l l t und i h r e G e ­ 2

nese und U n t e r s c h e i d u n g s m ö g l i c h k e i t e n d i s k u t i e r t ) . D i e Beispiele s t a m m e n

überwiegend

aus dem T a g e b a u e n Frechen u n d F o r t u n a ( - G a r s d o r f ) der R h e i n i s c h e n B r a u n k o h l e n w e r k e A G , K ö l n , a u f g e n o m m e n in den J a h r e n 1 9 6 8 — 7 2 . In der F o l g e w e r d e n hier n u r die S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n , die u n t e r die S a m m e l b e z e i c h ­ nung „convolute bedding" und

„load casts" und

„Kryoturbationen"

fallen, b e t r a c h t e t ;

unter Kryoturbationen werden dabei „kryoturbate Bildungen" im Sinne von FLORSCHÜTZ

EDELMAN,

& J E S W I E T ( 1 9 3 6 ) v e r s t a n d e n . N i c h t in die D i s k u s s i o n e i n b e z o g e n

werden

F o r m e n , die m i t ehemaligen L a n d o b e r f l ä c h e n in genetischem Z u s a m m e n h a n g stehen ( F r o s t ­ m u s t e r b ö d e n ) o d e r S e d i m e n t s t r u k t u r e n , bei d e n e n es zu einer M a t e r i a l s o r t i e r u n g g e k o m ­ m e n ist. E b e n s o w e r d e n nur „ s y n c h r o n e " S t r u k t u r e n im A l t q u a r t ä r u n d P l i o z ä n b e h a n d e l t u n d nicht die epigenetischen S t r u k t u r e n n a h e d e r heutigen O b e r f l ä c h e der

2. 1.

Hauptterrasse.

Die Sedimentstrukturen

Ausbildung N a c h der D e f o r m a t i o n s i n t e n s i t ä t lassen sich f o l g e n d e S e d i m e n t s t r u k t u r e n

unterscheiden:

a. S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n g e r i n g s t e r I n t e n s i t ä t sind wellige V e r b i e g u n g e n e h e m a l s h o r i ­ z o n t a l o d e r schräggeschichteter B ä n k e . D a b e i ist d i e A m p l i t u d e der „ F a l t e n " im V e r h ä l t n i s z u r „ F a l t e n l ä n g e " klein. E i n w e i t e r e r T y p ist durch die V e r g r ö ß e r u n g der A m p l i t u d e g e ­ k e n n z e i c h n e t , so d a ß das B i l d e i n e r i n t e n s i v e r e n V e r f a l t u n g e n t s t e h t . D i e M u l d e n

und

S ä t t e l sind h i e r a n n ä h e r n d gleich g r o ß und s y m m e t r i s c h gebaut. F l a c h w e l l i g e F a l t u n g u n d F a l t u n g m i t g r ö ß e r e r A m p l i t u d e t r e t e n nicht n u r g e t r e n n t v o n e i n a n d e r auf, s o n d e r n k ö n 2) Dieses Vorgehen hat den Vorteil, daß grundsätzliche Fehlerquellen beim Übertragen der E r ­ gebnisse von Laborexperimenten auf die natürlichen Gegebenheiten wegfallen; sichtbar werden dabei die Gemeinsamkeiten oder Unterschiede von sicher nichtkryogenen Sedimentstrukturen im Pliozän und den als Kryoturbationen gedeuteten Strukturen im Altquartär. Die Beispiele aus dem Pliozän wurden bewußt dem Oberen Pliozän entnommen, da hier sedimentologisch die größte Ähnlichkeit zum Altquartär besteht. Die Grenze Pliozän/Pleistozän wurde nach den Ergebnissen von Untersuchungen der Makro-Flora und -Fauna, der G e r ö l l - und Schwermineralanalyse sowie paläomagnetischen Messungen gezogen (s. BOENIGK, KOWALCZYK & BRUNNACKER 1 9 7 2 ) . Unter Altquartär wird im folgenden die jüngere Hauptterrasse ( j H T ) und die sie unterlagernden quartären Schichten verstanden.


Kryoturbationsartige Sedimentstrukturen im Pliozän und Altquartär

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b. N e b e n diesen r e l a t i v r u h i g e n F a l t e n f o r m e n treten V e r f ä l t e l u n g e n auf, bei denen M u l d e n u n d S ä t t e l nicht g l e i c h a r t i g gebaut s i n d : F o r m e n mit b r e i t e n M u l d e n u n d engen S ä t t e l n . D a b e i k ö n n e n die S ä t t e l auch p i l z f ö r m i g e G e s t a l t a n n e h m e n ( A b b . 2 ) . D i e Schich­ ten in den M u l d e n sind g e g e n ü b e r denen in den S ä t t e l n v e r d i c k t ; diese S t r u k t u r e n e r r e i ­ chen A u s m a ß e bis 1 m.

Abb. 2. Pilzförmige Schicht verfältelungen. Pliozän; T g b . Fortuna-Garsdorf, 1. Sohle, E Peringshofsprung. Diese Formen verhalten sich umgekehrt wie diejenigen, die bei periglazialen Tropfenböden zu beobachten sind: Bei Tropfenböden sind die Mulden durch das einsinkende Sediment enger oder tropfenförmig gestaltet (GRIPP 1 9 7 1 ) — bei den oben beschriebenen Formen sind dagegen die Sättel aufgestiegen bei relativer Lagerungskonstanz der Sedimente in den Mulden.


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Gotthard Kowalczyk

Während für die Bildung der regelmäßigen Faltenformen ein periglaziales Klima nicht an­ genommen werden muß, stellt sich bei den pilzförmigen Verfältelungen — sobald man sie in für kaltzeitlich erachteten Schichten findet — die Frage, ob es sich um klimabedingte Lagerungsstörun­ gen handelt oder nicht. c. A u ß e r d e m k o m m e n im P l i o z ä n wie im A l t q u a r t ä r sehr häufig F o r m e n m i t w e i t ­ geschwungenen M u l d e n (bis m e h r e r e M e t e r ) und steil oder gar saiger stehenden M u l d e n ­ flanken v o r ( A b b . 3 ) . Oft ist zu b e o b a c h t e n , d a ß die oberen T e i l e der S ä t t e l e r o d i e r t s i n d ; A n s c h n i t t e zeigen d a n n das B i l d v o n a n e i n a n d e r g e r e i h t e n halben K e t t e n g l i e d e r n ( A b b . 4 ) . A u c h diese F o r m e n erreichen v e r t i k a l e A u s m a ß e v o n einigen dm.

Abb. 3. Schichtverfältelungen mit wannenförmigen Mulden im Pliozän; Tgb. Fortuna-Garsdorf, 2. Sohle, F. Peringshofsprung.

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.jv-t.fte

^pi/mil

_

iiiiJlH Abb. 4. Schichtverfältelungen mit wannenförmigen Mulden im Altquartär ( j H T ) ; Tgb. FortunaGarsdorf, 1. Sohle, E Peringshofsprung. Der obere Teil der verfältelten Schicht ist erodiert.


Kryoturbationsartige Sedimentstrukturen im Pliozän und Altquartär

145,

d. W e i t e r h i n t r e t e n S e d i m e n t s t r u k t u r e n v o n kissen- o d e r b a l l f ö r m i g e r G e s t a l t auf. D i e Schichtung ist d a b e i e r h a l t e n ; e h e m a l i g e H o r i z o n t a l s c h i c h t u n g ist k o n z e n t r i s c h u m einen K e r n gelagert, Schrägschichtung s p i r a l i g ( A b b . 5 u n d 6 ) .

Abb. 5. Ball- und kissenförmige Sedimentstrukturen im Altquartär; Tgb. Fortuna-Garsdorf, 2. Sohle, W Peringshofsprung.

Abb. 6. Ball- und kissenförmige Sedimentstrukturen im Pliozän; Tgb. Fortuna-Garsdorf, 1. Sohle, E Peringshofsprung. e. I n t e n s i v s t e V e r f o r m u n g h a b e n Schichten e r f a h r e n , bei denen das e h e m a l i g e G e f ü g e o h n e b e v o r z u g t e R i c h t u n g v e r f ä l t e l t u n d schlierig a u f g e l ö s t w u r d e . D a b e i k a n n der ehe­ m a l i g e Schichtungstyp noch e r k e n n b a r o d e r a b e r auch v ö l l i g u n k e n n t l i c h sein ( A b b . 7 — 1 0 ) . D i e V e r f o r m u n g der ursprünglichen S c h i c h t u n g ist j e d o c h in k e i n e m F a l l so w e i t g e g a n g e n , d a ß e i n e v ö l l i g e D u r c h m i s c h u n g — o d e r g a r M a t e r i a l s o r t i e r u n g — der e i n z e l n e n Schicht­ l a m e l l e n eingetreten ist. Solche i n t e n s i v e n V e r f ä l t e l u n g e n k ö n n e n B ä n k e v o n m e h r als 2 m Mächtigkeit erfaßt haben. 10

Eiszeitalter u. Gegenwart


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Gotthard Kowalczyk

Abb. 7. Intensiv verfältelte Sande im Altquartär ( j H T ) ; Tgb. Fortuna-Garsdorf, 1. Sohle, W Peringshofsprung.

Abb. 8. Intensiv verfältelte Sande im Grenzbereich Plio/Pleistozän; Tgb. Fortuna-Garsdorf, 2. Sohle, W Peringshofsprung.

G e r a d e schlierig aufgelöstes Schichtgefüge w i r d sehr häufig auch v o n K r y o t u r b a t i o n e n beschrieben. B e i i h n e n sind aber m e i s t noch V e r t i k a l b e w e g u n g e n des S e d i m e n t s r e k o n ­ struierbar, b e i den S e d i m e n t s t r u k t u r e n im b e t r a c h t e t e n G e b i e t jedoch nicht. B e i allen b i s h e r beschriebenen S t r u k t u r e n

h a n d e l t es sich räumlich gesehen u m

hut-

o d e r b l u m e n k o h l a r t i g e A u f pressungen o d e r E i n s t ü l p u n g e n in das H a n g e n d e o d e r L i e g e n d e , wie A u f g r a b u n g e n e i n z e l n e r S t r u k t u r e n z e i g t e n . f. S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n m i t g e r i c h t e t e m G e f ü g e w a r e n gelegentlich in schräggeschich­ teten S a n d e n a n z u t r e f f e n ( A b b . 1 1 ) .


Kryoturbationsartige Sedimentstrukturen im Pliozän und Altquartär

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Abb. 10. Intensiv verfältelte Sande im Pliozän; Tgb. Fortuna-Garsdorf, 1. Sohle, E Peringshof­ sprung. 2.

B e z e i c h n u n g der

Sedimentstrukturen

Die Bezeichnung für die beschriebenen Sedimentstrukturen hängt davon ab, ob man ihre kryogene oder nichtkryogene Entstehung nachweisen kann. Es werden daher zunächst die Bezeichnun­ gen für beide Möglichkeiten angegeben. Die Terminologie für kryogene wie für nichtkryogene Sedimentstrukturen ist recht uneinheit­ lich, da rein deskriptive Bezeichnungen und Begriffe mit genetischem Inhalt nebeneinander ver­ wendet werden. a. B e z e i c h n u n g e n für k r y o g e n e S e d i m e n t s t r u k t u r e n Ausgehend von dem Begriff „kryoturbate B ö d e n " (oder auch „kryoturbate Bildungen") von EDELMAN et al. (1936) werden unter dem Terminus „Kryoturbation" meist alle kryogenen Schicht­ verfältelungen zusammengefaßt. Unter Kryoturbationen sind dabei Schichtdeformationen durch 10

*


Gotthard Kowalczyk

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Abb.

1 1 . Rutschungsstrukturen in schräggeschichteten Sanden. Altquartär ( j H T ) ; Tgb. FortunaGarsdorf, 1. Sohle, W. Peringshofsprung.

Gefrier- und Auftauvorgänge zu verstehen, die in einiger Tiefe unter der ehemaligen Landober­ fläche (bis mehrere Meter) entstanden sind — ohne daß die Art der Ausbildung näher bezeichnet ist. Unter den so definierten Begriff fallen also nicht Frostmusterböden (Strukturböden) oder andere Landoberflächenbildungen (die Verwendung des Begriffs ist freilich nicht ganz einheitlich). Kryoturbationen können mehrere Schichten verschiedenartiger Sedimente umfassen oder aber nur auf eine begrenzt sein; sie treten in Dimensionen von Dezimetern bis Metern auf. Für Kryoturbationen ist auch der Begriff „Würgeboden" gebräuchlich, wobei allerdings das W o r t „Boden" irreführend ist. Als spezielle Formen der Kryoturbationen gelten: Taschen-, G i r ­ landen-, Tropfen-, Kissen- und Wickelböden (die Beiwörter beschreiben dabei die Art der Aus­ bildung). Diese Formen sind nahezu stets an Sedimentwechsel geknüpft, wie z. B . an den Wechsel von Schluff zu Sand. Als genetisch weitgehend inhaltsloser Begriff ist im englischsprachigen Raum auch der Ausdruck ..involution" gebräuchlich (ebenso der Terminus „congeliturbation"). JAHN ( 1 9 5 6 ) unterteilte Verwürgungen (involutions) weiter in faltenförmige, pfeilerförmige und amorphe (fold, pillar, amorphous involutions). b.

B e z e i c h n u n g e n für n i c h t k r y o g e n e S e d i m e n t s t r u k t u r e n

Die beschriebenen Schichtdeformationen können — falls nichtkryogener Entstehung — als „meta- oder postdepositional structures" nach der Klassifizierung von NAGTEGALL ( 1 9 6 5 ) bezeich­ net werden. Ihre Ausbildung geschah nicht während des Ablagerungsvorganges, sondern unmittel­ bar oder später danach. Wie bei den Periglazialerscheinungen werden auch hier Begriffe mit und ohne genetischem Inhalt gebraucht. Belastungsmarken (load casts) zeigen taschen- oder girlandenförmige oder nierige Einstülpun­ gen einer hangenden Schicht ins Liegende; außerdem sind alle Übergänge zu „flame structures" gegeben. Stets sind bei vollständiger Erhaltung zwei Schichten verschiedenen Sediments wie z. B . Schluff und Grobsand betroffen. Sichere Vorkommen von load casts wurden im Pliozän und im Altquartär der südlichen N i e ­ derrheinischen Bucht nicht gefunden; doch ist nicht auszuschließen, daß bei der Ausbildung einiger Schichtdeformationen Bedingungen geherrscht haben, die auch bei load casts gegeben sind ). 3

3

) SULLWOLD ( 1 9 5 9 ) deutete außerdem die Möglichkeit der Entwicklung von convolute bedding aus load casts an. Auch die Experimente von A N K E T E L L , C E G L A & DZULTOSKI ( 1 9 6 9 ) lieferten Strukturen ähnlich dem convolute bedding, die aber auf Vorgänge zurückgehen, die auch typische load casts erzeugen. Im betrachteten Gebiet fehlen außerdem Hinweise auf durch Strömung aus­ gelöste Schichtdeformationen, wie sie SANDERS ( 1 9 6 0 ) beschrieb.


Kryoturbationsartige Sedimentstrukturen im Pliozän und Altquartär

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Die beschriebenen Schichtdeformationen fallen formal unter die Sammelbezeichnungen „contorted beds, convolute bedding, convolute lamination" (weitere Synonyma finden sich bei D A V I E S 1965 und E I N S E L E 1963). Es sind dies Schichtverfältelungen mit weiten Mulden und engen Sätteln, wobei die einzelnen Schichtlagen über mehrere Mulden und Sättel hinweg verfolgt werden können. Die Sättel können unsymmetrisch oder pilzförmig gestaltet sein, Sättel und Mulden sind gelegent­ lich auch in sich verfältet (Abb. 1—4). Bei noch weitergehenden Deformationen sind keine regelmäßigen Sättel und Mulden mehr er­ kennbar, sondern das ursprüngliche Schichtgefüge ist schlierig aufgelöst. Solche Sedimentstrukturen werden als „corrugated lamination" bezeichnet (Abb. 7 — 1 0 ) . Formal ist jedoch die Grenze zwi­ schen convolute und corrugated lamination nur schwer zu ziehen; beide Formen konnten nebenein­ ander innerhalb einer Bank beobachtet werden. Anklänge an Ballen- und Kissenstrukturen zeigen die Schichtdeformationen in Abb. 5 u. 6. Sie sind nahezu identisch mit Sedimentstrukturen, die als „ball and pillow structures" aus präquartären Ablagerungen bekannt sind (doch auch in kryogen gestörtem W ü r m - L ö ß des Niederrhein­ gebietes ist dergleichen zu beobachten). Aber auch hier ist der Übergang zu convolute bedding fließend. Als Rutschung an übersteiltem H a n g (slump structure) ist schließlich die in Abb. 11 wieder­ gegebene Sedimentstruktur aufzufassen (bzw. als „überkippte" Schrägschichtung). 3.

S e d i m e n t b e s c h a f f e n h e i t

und

V o r k o m m e n

D i e beschriebenen S e d i m e n t s t r u k t u r e n k o n n t e n m i t wenigen A u s n a h m e n n u r i n f e i n ­ k ö r n i g e n S e d i m e n t e n wie Schluff en u n d F e i n s a n d e n b e o b a c h t e t w e r d e n ; T a b e l l e 1 weist d i e M d - u n d S o - W e r t e einiger v e r f ä l t e l t e r Schichten i m P l i o z ä n u n d A l t q u a r t ä r aus. B e s o n ­ d e r h e i t e n i m M i n e r a l b e s t a n d d e r v e r f ä l t e l t e n Schichten sind nicht g e g e b e n , der G l i m m e r ­ g e h a l t s c h w a n k t erheblich, ist a b e r i m m e r v o r h a n d e n . D i e K o r n f o r m i n d e r F r a k t i o n 0 , 2 — 0,63 m m 0 ist ü b e r w i e g e n d g e r u n d e t . O b w o h l K i e s l a g e n a m A u f b a u d e s P l i o z ä n s u n d A l t ­ q u a r t ä r s in d e r südlichen N i e d e r r h e i n i s c h e n B u c h t s t a r k v e r t r e t e n s i n d , w a r e n S c h i c h t v e r ­ f ä l t e l u n g e n in K i e s e n n u r a n w e n i g e n Stellen (z. B . i m T g b . V i l l e , H ü r t h b e i K ö l n ) z u b e ­ o b a c h t e n . Auch aus der übrigen N i e d e r r h e i n i s c h e n B u c h t sind n u r w e n i g e V o r k o m m e n in K i e s e n b e k a n n t (s. A H O R N E R & K A I S E R 1 9 6 4 ) ; a l l e diese V o r k o m m e n liegen j e d o c h i m jüngsten Teil der Altquartärabfolge (Jüngere Hauptterrasse). Tabelle 1. M d - und So- Werte einiger verfältelter Schichten in Pliozän und Altquartär Altquartär Md 0,325 0,37 0,39 0,36 0,32 0,35 0,32 0,26 0,31

Pliozän So 1,36 1,45 1,44 1,40 1,24 1,42 1,44 1,29 1,37

Md 0,39 0,34 0,55 0,37 0,38 0,49 0,27 0,32 0,28

So 1,47 1,23 1,62 1,39 1,95 1,44 1,18 1,32 1,37

T r e t e n a l l e r d i n g s in v e r f ä l t e t e n S a n d e n o d e r Schluffen g e r i n g m ä c h t i g e K i e s l a g e n a u f , so sind sie in die V e r f ä l t e l u n g m i t e i n b e z o g e n w o r d e n . Die

V e r f ä l t e l u n g e n scheinen d e m n a c h im b e h a n d e l t e n G e b i e t n a h e z u ausschließlich a n

f e i n k ö r n i g e S e d i m e n t e gebunden z u sein — ein i m übrigen auch b e i K r y o t u r b a t i o n e n oft festgestellter Sachverhalt ( S T E E G E R 1 9 4 4 , F L O R S C H Ü T Z & VAN S O M E R E N 1 9 4 8 , V A N S T R A A -

TEN 1956). D i e beschriebenen V e r f ä l t e l u n g e n erfassen m e i s t die gesamte B a n k , stellenweise a b e r auch n u r deren o b e r e n T e i l . S i e k ö n n e n i n n e r h a l b d e r B ä n k e w e i t durchhalten ( b e i d e n guten A u f s c h l u ß v e r h ä l t n i s s e n in d e n B r a u n k o h l e t a g e b a u e n der V i l l e l i e ß e n sich v e r f ä l t e l t e B ä n k e stellenweise mehrere 1 0 0 m w e i t v e r f o l g e n ) ; sie k ö n n e n a b e r auch nur sehr l o k a l


150

Gotthard K o w a l c z y k

b e g r e n z t sein, w a s anscheinend v o n der A r t d e r U b e r l a g e r u n g a b h ä n g i g ist. F a s t i m m e r ist a b e r n u r eine B a n k i n n e r h a l b e i n e r B a n k f o l g e v o n den V e r f ä l t e l u n g e n betroffen.

Nur

gelegentlich ist b e i der Ü b e r l a g e r u n g von S a n d d u r c h Schluff o d e r T o n der basale T e i l des hangenden

Schluffs ebenfalls v e r f ä l t e l t . D a s z e i g t a u ß e r d e m , d a ß die V e r f ä l t e l u n g e n in

Schichten a u f t r e t e n

k ö n n e n , d i e die e h e m a l i g e L a n d o b e r f l ä c h e n i c h t u n m i t t e l b a r

unter­

lagerten. Zwischen Schichtungstyp u n d V o r k o m m e n d e r V e r f ä l t e l u n g e n k o n n t e n k e i n e B e z i e ­ hungen festgestellt w e r d e n . W e n n auch die V e r f ä l t e l u n g e n in e h e m a l s h o r i z o n t a l geschich­ t e t e n — l a m i n i e r t e n — S e d i m e n t e n am häufigsten v o r z u k o m m e n scheinen, sind doch auch schräggeschichtete S e d i m e n t e v e r f ä l t e l t w o r d e n ; d a b e i scheinen b e s o n d e s B ä n k e m i t L i n ­ senschichtung ( o d e r v- und Tt-cross stratification n a c h A L L E N 1 9 6 3 ) betroffen zu sein. Das

V o r k o m m e n v e r f ä l t e l t e r B ä n k e i n n e r h a l b einer B a n k f o l g e ist nicht regellos v e r ­

teilt, s o n d e r n scheint gewissen R e g e l m ä ß i g k e i t e n u n t e r w o r f e n . I m E r f t b e c k e n , m i t der v o l l s t ä n d i g s t e n u n d m ä c h t i g s t e n P l i o z ä n - u n d

Altquartärsedi­

m e n t a t i o n , sind s o w o h l die S c h i c h t e n des J u n g p l i o z ä n s w i e die des A l t q u a r t ä r s

deutlich

r h y t h m i s c h g e g l i e d e r t (die j ü n g s t e n Abschnitte des P l i o z ä n s gleichen d a b e i sedimentologisch dem A l t q u a r t ä r w e i t g e h e n d ; K O W A L C Z Y K Die

einzelnen R h y t h m e n

1971).

im Altquartär

sind folgendermaßen

aufgebaut

(Abb.1 2 ) :

Ü b e r einer E r o s i o n s d i s k o r d a n z l a g e r t G r o b k i e s ( A ) , der zum h a n g e n d e n hin in eine W e c h ­ sellagerung v o n K i e s und S a n d ü b e r g e h t ( B ) . D a r a u f folgt S a n d ( C ) , der noch v o n Schluffund T o n l i n s e n ü b e r l a g e r t w e r d e n k a n n . I n n e r h a l b eines R h y t h m u s s i n d die V e r f ä l t e l u n g e n stets an S e d i m e n t w e c h s e l g e b u n d e n , u n d z w a r im o b e r e n T e i l des R h y t h m u s ( C ) an die G r e n z e S a n d Schluff. N u r d o r t , w o im

Abb.

12. Schematischer Aufbau eines Rhythmus und Lage der Schichtverfältelungen innerhalb der Schichtfolge im Altquartär.


Kryoturbationsartige Sedimentstrukturen im Pliozän und Altquartär

151

m i t t l e r e n T e i l eines R h y t h m u s i m Bereich d e r S a n d / K i e s - W e c h s e l l a g e r u n g ( B ) S c h l u f f l i n sen auftreten, k a n n es zu k l e i n d i m e n s i o n a l e n V e r f ä l t e l u n g e n k o m m e n . S t e l l e n w e i s e sind auch noch b a s a l e T e i l e der h a n g e n d e n Schlufflinsen v e r f ä l t e l t w o r d e n , meist sind diese Schlufflinsen j e d o c h v o n V e r f ä l t e l u n g e n nicht b e t r o f f e n . N u r w o Schlufflinsen a u s d ü n n e n , k ö n n e n sie auch i n i h r e r G e s a m t h e i t v e r f ä l t e t sein. W e r d e n K i e s l a g e n v o n Schluffen ü b e r ­ l a g e r t , k a n n es, w e n n auch selten, z u A u f p r e s s u n g e n

von Kies in den basalen T e i l der

Schlufflinsen k o m m e n . Im

P l i o z ä n herrschen

ganz

ähnliche Verhältnisse w i e im A l t q a r t ä r .

Auch d o r t

sind

S c h i c h t v e r f ä l t e l u n g e n n a h e z u ausschließlich in f e i n k ö r n i g e n S e d i m e n t e n z u b e o b a c h t e n . D i e e i n z e l n e n A b s c h n i t t e d e r R h y t h m e n , die im o b e r e n T e i l des P l i o z ä n s durchaus e r k e n n b a r sind, lagern a l l e r d i n g s m i t deutlicherer G r e n z e a u f e i n a n d e r ; a u ß e r d e m sind die R h y t h m e n m ä c h t i g e r als i m A l t q u a r t ä r . Z u s a m m e n f a s s e n d l ä ß t sich ü b e r das V o r k o m m e n v o n S c h i c h t v e r f ä l t e l u n g e n im b e t r a c h ­ t e t e n G e b i e t u n d d e r b e h a n d e l t e n Schichtfolge f o l g e n d e s feststellen: V e r f ä l t e l u n g e n k o m ­ m e n fast n u r in f e i n k ö r n i g e n S e d i m e n t e n w i e S a n d o d e r Schluff v o r , a l l e n f a l l s k ö n n e n die S a n d e g e r i n g m ä c h t i g e L a g e n v o n K i e s e n t h a l t e n . D i e V e r f ä l t e l u n g e n b e s c h r ä n k e n sich j e ­ w e i l s n u r a u f e i n e B a n k u n d sie sind fast stets a n S e d i m e n t w e c h s e l geknüpft ( m e i s t d e n W e c h s e l v o n S a n d z u Schluff o d e r a n die F o l g e S a n d - E r o s i o n s d i s k o r d a n z - K i e s . D a b e i ist die D i s k o r d a n z f l ä c h e nicht v e r f o r m t ; sie z e i g t a u ß e r d e m ein e h e m a l s abdeckendes S e ­ diment an). E n t s p r e c h e n d d e m ü b e r w i e g e n d e n V o r k o m m e n f e i n k ö r n i g e r S e d i m e n t e sind v e r f ä l t e l t e Schichten fast ausschließlich i m o b e r e n T e i l d e r e i n z e l n e n R h y t h m e n z u 3. 1.

finden.

Bildungshypothesen und Unterscheidungsmöglichkeiten v o n Schichtverfältelungen Bi1dungsh yp oth esen S t r u k t u r b ö d e n u n d K r y o t u r b a t i o n e n stehen i n ursächlichem Z u s a m m e n h a n g m i t d e n

W i r k u n g e n des K l i m a s , d. h. m i t d e m B o d e n f r o s t u n d den G e f r i e r - u n d A u f t a u v o r g ä n g e n i m B o d e n ; dabei s i n d die K l i m a w i r k u n g e n e n t w e d e r M o t o r d e r S e d i m e n t b e w e g u n g o d e r auslösende F a k t o r e n ( J A H N & C Z E R W I N S K I 1 9 6 5 ) . Ü b e r den t a t s ä c h l i c h e n W e r d e g a n g s o l ­ cher S t r u k t u r e n h e r r s c h t indessen k e i n e E i n i g k e i t . E i n e n Ü b e r b l i c k ü b e r die verschiedenen E n t s t e h u n g s h y p o t h e s e n w i e T e m p e r a t u r - u n d D i c h t e k o n v e k t i o n , F r o s t h e b u n g u n d H y d r a t a t i o n s v o r g ä n g e geben T R O L L ( 1 9 4 4 ) , S C H E N K ( 1 9 5 5 ) und W A S H B U R N ( 1 9 5 6 ) .

A l l e H y p o t h e s e n gehen a l l e r d i n g s v o m V o r h a n d e n s e i n v o n W a s s e r bei der B i l d u n g v o n K r y o t u r b a t i o n e n aus (s. K . R I C H T E R 1 9 6 4 ) u n d d a s gilt auch ( v o n w e n i g e n a b w e i c h e n ­ den B e o b a c h t u n g e n a b g e s e h e n ) für die G e n e s e n i c h t k r y o g e n e r S c h i c h t v e r f ä l t e l u n g e n . H i e r h a t E I N S E L E ( 1 9 6 3 ) die einzelnen B i l d u n g s m ö g l i c h k e i t e n d i s k u t i e r t ; eine U b e r s i c h t

findet

sich auch bei D A V I E S ( 1 9 6 5 ) . Zu Schichtverfältelungen mit regelmäßigen Faltenformen oder auch Girlanden- oder Pilzform (load casts) kommt es häufig bei der Uberlagerung von Sedimenten ungleichen Raumgewichts wie Sand auf Schluff (DZULYNSKI 1 9 6 6 ) . Load casts können ebenfalls bei der Uberlagerung zweier S e ­ dimente ungleichen Raumgewichts entstehen, wenn durch eine unregelmäßige Grenzfläche zwischen beiden Schichten unterschiedliche Hangenddrucke und damit unterschiedliche Setzung auftreten (aus dem niederrheinischen Neogen beschrieben dergleichen G A U R I & K A L T E R H E R B E R G 1 9 6 4 ) .

Bei welliger Grenzfläche zwischen zwei Schichten können nach Befunden von DZULYNSKI & SLACZKA ( 1 9 6 5 ) auch ohne unterschiedliche Raumgewichte Verformungen auftreten. Die

G e n e s e d e r i n t e n s i v e n V e r f o r m u n g e n , d i e b i s z u r schlierigen A u f l ö s u n g des u r ­

sprünglichen

Schichtgefüges führen

können

( c o n v o l u t e bedding,

convolute

lamination,

corrugated l a m i n a t i o n ) werden a u f frühdiagenetische, physikalische V o r g ä n g e im u n v e r -


Gotthard K o w a l c z y k

152

festigten, w a s s e r f ü l l t e n u n d i n s t a b i l e n S e d i m e n t z u r ü c k g e f ü h r t

( b e i denen auch D i c h t e ­

unterschiede w i r k s a m sein k ö n n e n ) . D a b e i spielen K o r n v e r t e i l u n g u n d P o r e n r a u m

eine

R o l l e , M i n e r a l b e s t a n d und A r t des ü b e r l a g e r n d e n S e d i m e n t s sind o h n e B e d e u t u n g . B e i Ü b e r l a g e r u n g z w e i e r S e d i m e n t e unterschiedlicher P e r m e a b i l i t ä t , w i e z. B . T o n a u f S a n d , können bei entstehendem

Porenwasserüberdruck

infolge d e r d a m i t

Verringerung d e r Scherfestigkeit u n d Kohäsion Gefügeveränderungen

verbundenen

auftreten

et a l . 1 9 6 3 , G R A F F - P E T E R S E N 1 9 6 7 ) . H i e r b e i s p i e l t d i e A r t des ü b e r l a g e r n d e n

(HARMS

Sediments

eine wichtige R o l l e . D i e S e d i m e n t f o l g e ist hier j e d o c h genau u m g e k e h r t w i e bei d e r B i l ­ dung von load casts: W ä h r e n d dort die Auflage v o n grobkörnigem Sediment (mit h ö h e r e m R a u m g e w i c h t ) a u f ein f e i n e r k ö r n i g e s die E n t s t e h u n g v o n V e r f ä l t e l u n g e n b e g ü n s t i g t , ist bei

den G e f ü g e v e r ä n d e r u n g e n

durch P o r e n w a s s e r ü b e r d r u c k

eine A u f l a g e v o n ( w e n i g e r

p e r m e a b l e m ) f e i n k ö r n i g e m S e d i m e n t a u f ein g r ö b e r k ö r n i g e s gegeben. Auch die Genese von Periglazialerscheinungen wurde mit den Druckverhältnissen des Poren­ wassers in Verbindung gebracht, die durch tauende Eislinsen im Boden bei wenig permeablem oder wassergesättigten überlagerndem Sediment gesteuert werden und eine Verminderung der Scher­ festigkeit bedingen (WASHBURN 1 9 5 6 ) .

Die Versuche von GRIPP ( 1 9 5 2 ) können gleichfalls in dieser Richtung gedeutet werden: Bei sei­ nem Versuch, Brodelformen experimentell zu erzeugen, wird feinkörniges Sediment in die Vertie­ fung eines Eisblocks eingebracht und das Eis unter der Sedimentfüllung durch Wärmestrahlung ge­ schmolzen. D a s entstehende Tauwasser hat keine andere Möglichkeit als nach oben hin auszuwei­ chen, wobei das Sedimentgefüge gestört wird. Ferner zeigen die Experimente von DZULYNSKI ( 1 9 6 3 ) analoge Bilder. E b e n f a l l s i m Z u s a m m e n h a n g m i t d e m P o r e n w a s s e r stehen P r o z e s s e , die B U T R Y M e t a l . ( 1 9 6 4 ) als s p o n t a n e S e d i m e n t v e r f l ü s s i g u n g b e z e i c h n e n u n d d i e z u S c h i c h t v e r f ä l t e l u n g e n führen k ö n n e n . Auch E I N S E L E ( 1 9 6 3 ) weist a u f S e d i m e n t v e r f l ü s s i g u n g (durch W a s s e r a u f ­ n a h m e o d e r K o r n u m l a g e r u n g ) u n d d a m i t v e r b u n d e n e S c h i c h t v e r f ä l t e l u n g hin. SWARBRICK ( 1 9 6 8 ) deutet außerdem die Möglichkeit von Gefügeveränderungen in einem Sedi­ ment durch kolloidchemische Prozesse an. Dabei sind vielleicht Analoga zu den Hydratationsvor­ gängen gegeben, die SCHENK ( 1 9 5 5 ) bei der Ausbildung von Strukturböden forderte. Während bei allen vorgenannten Entstehungsweisen von convolute bedding und load casts ein durchfeuchtetes Sediment notwendig ist, beschrieben B I G A R E L L A , B E C K E R & D U A R T E ( 1 9 6 9 )

Schicht­

deformationen in subrezenten Dünensanden an der brasilianischen Küste unter trockenen Bedingun­ gen. Auch PEACOCK ( 1 9 6 6 ) hält die Ausbildung von Schichtverfältelungen unter zumindest teil­ weise trockenen Bedingungen für möglich (z. B . in den permotriassischen äolischen Sandsteinen von Moyashire). Beide Beobachtungen stellen jedoch Sonderfälle dar; der Auffassung von BIGARELLA et al. hat G L E N N I E ( 1 9 7 0 ) im übrigen widersprochen.

E i n f a c h e r e u n d leichter durchschaubare

Entstehung

haben Rutschstrukturen

(slump

s t r u c t u r e s ) . S i e entstehen durch R u t s c h e n v o n S e d i m e n t an ü b e r s t e i l t e n oder a b e r

auch

nicht ü b e r s t e i l t e n H ä n g e n u n d s i n d a n i h r e m gerichteten G e f ü g e m e i s t unschwer z u e r k e n ­ nen. I m A l t q u a r t ä r des b e t r a c h t e t e n G e b i e t e s k o n n t e n solche S t r u k t u r e n allerdings n u r in schräggeschichteten S a n d e n b e o b a c h t e t w e r d e n ,

w o b e i die o b e r e n

T e i l e der e i n z e l n e n

S c h r ä g s c h i c h t u n g s b l ä t t e r v e r f ä l t e l t sind ( A b b . 1 1 ) .

2.

U n t e r s c h e i d u n g s m ö g l i c h k e i t e n und

n i c h t k r y o g e n e n

v o n

K r y o t u r b a t i o n e n

und

S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n

B e i d e F o r m e n k ö n n e n , s o b a l d sie in f e i n k ö r n i g e n S e d i m e n t e n v o r k o m m e n , k a u m sicher unterschieden w e r d e n . E s g i b t a l l e r d i n g s A n h a l t s p u n k t e z u r U n t e r s c h e i d u n g (s. a. K A I S E R 1 9 5 8 ; J O H N S S O N 1 9 6 3 , R Y E 1 9 6 6 ) : C o n v o l u t e b e d d i n g ist z. B . aus g r o b e n S e d i m e n t e n w i e G r o b k i e s e n in ä l t e r e n F o r m a t i o n e n nicht b e k a n n t ; es scheint a n e i n b e s t i m m t e s K o r n g r ö ­ ß e n i n t e r v a l l gebunden, a u ß e r d e m überschreitet es selten die A u s m a ß e v o n einigen d m . A u s dem Q u a r t ä r

k e n n t m a n a b e r g r o ß d i m e n s i o n a l e ( m e h r e r e m ) S c h i c h t v e r f ä l t e l u n g e n in

G r o b k i e s e n . I n d e r südlichen N i e d e r r h e i n i s c h e n B u c h t treten sie i m o b e r s t e n T e i l d e r j H T


Kryoturbationsartige Sedimentstrukturen im Pliozän und Altquartär

und jüngeren Terrassen auf ( K A I S E R 1 9 5 8 , A H O R N E R

SC K A I S E R

153

1 9 6 4 ) . Verfältelungen

in

G r o b k i e s e n w i r d m a n d a h e r ü b e r w i e g e n d m i t p e r i g l a z i a l e m K l i m a in V e r b i n d u n g b r i n g e n dürfen. ( N i c h t h i e r z u z ä h l e n freilich v e r f ä l t e l t e K i e s b ä n k c h e n , d i e in f e i n k ö r n i g e r U m g e ­ b u n g lagern.) Auch die F a z i e s des S e d i m e n t s k a n n H i n w e i s e a u f die G e n e s e d e r S c h i c h t d e f o r m a t i o ­ n e n liefern. Ä o l i s c h e S e d i m e n t e w i e ( a u t o c h t h o n e r ) L ö ß erreichen u n t e r n o r m a l e n B e d i n ­ gungen u n m i t t e l b a r nach der A b l a g e r u n g k e i n e n so h o h e n W a s s e r g e h a l t , w i e e r z u r B i l ­ d u n g v o n c o n v o l u t e b e d d i n g n o t w e n d i g ist. G e r a d e in L ö ß p r o f i l e n des N i e d e r r h e i n g e b i e ­ tes sind V e r f ä l t e l u n g e n so häufig, d a ß a u f deren E n t s t e h u n g durch p e r i g l a z i a l e B e d i n g u n g e n geschlossen w e r d e n d a r f ( v g l . S T E E G E R 1 9 4 4 ) . A b g e s c h w ä c h t gilt dies auch für F l u g s a n d e . Der

S e d i m e n t t y p allein beweist j e d o c h nicht d i e k r y o g e n e E n t s t e h u n g v o n V e r f ä l t e ­

l u n g e n ; selbst w e n n m a n sie in sicher i d e n t i f i z i e r t e n p e r i g l a z i a l e n A b l a g e r u n g e n findet, ist d a m i t noch nicht g e s a g t , d a ß deren G e n e s e a u f P r o z e s s e z u r ü c k g e h t , die a u f den p e r i g l a ­ z i a l e n K l i m a r a u m b e s c h r ä n k t sind ( v g l . auch die B e o b a c h t u n g e n S H A W ' S 1 9 7 2 , v o n c o n ­ v o l u t e bedding in S c h m e l z w a s s e r a b s ä t z e n ) . Die

L a g e d e r V e r f ä l t e l u n g e n im Schichtprofil k a n n ebenso A n h a l t s p u n k t e für d e r e n

E n t s t e h u n g g e b e n : L o a d casts u n d c o n v o l u t e b e d d i n g sind fast stets a n eine o d e r z w e i B ä n k e gebunden, i n n e r h a l b deren sie w e i t d u r c h h a l t e n k ö n n e n . S c h i c h t v e r f ä l t e l u n g e n , d i e m e h r e r e B ä n k e verschiedenen S e d i m e n t s u n r e g e l m ä ß i g durchsetzen o d e r schräg durch d a s P r o f i l laufen, scheinen daher durch k r y o g e n e V o r g ä n g e e n t s t a n d e n z u sein. Solche V e r ­ h ä l t n i s s e liegen häufig bei den epigenetischen V e r w ü r g u n g e n

in d e r N i e d e r r h e i n i s c h e n

B u c h t v o r . L ö ß , K i e s u n d S a n d sind w a h l l o s u n d o h n e B i n d u n g a n die ursprüngliche Schichtung m i t e i n a n d e r v e r w ü r g t ( d e r a r t i g e S e d i m e n t s t r u k t u r e n

sind m i t den H y p o t h e ­

sen z u r B i l d u n g v o n l o a d casts und c o n v o l u t e b e d d i n g allein nicht z u e r k l ä r e n ) . Auch V o r g ä n g e , d i e zu einer M a t e r i a l s o r t i e r u n g

geführt

h a b e n , die bei c o n v o l u t e

b e d d i n g nicht a u f t r i t t , h a b e n ihre U r s a c h e in d e n P e r i g l a z i a l b e d i n g u n g e n ( A u f t a u - u n d Gefrierwirkungen). Gelegentlich k ö n n e n auch S c h i c h t v e r f ä l t e l u n g e n b e g l e i t e n d e S e d i m e n t s t r u k t u r e n A n ­ haltspunkte

für d e r e n

G e n e s e sein. H i e r

sind v o r a l l e m E i s k e i l e z u nennen,

kryogene Bildung v o n Schichtverfältelungen untermauern

die d i e

können.

Sie können allerdings die kryogene Bildung nicht beweisen, da Verfältelungen und Eiskeile verschieden alt sein können. Auffällig ist aber, daß Eiskeile in den Schichten der beschriebenen V e r ­ fältelungen bisher unbekannt sind, dagegen aber im obersten Teil der j H T zusammen mit Verfälte­ lungen in Grobkies — Kryoturbationen — auftreten (z. B . im Tgb. Ville, Hürth bei Köln). D a s gleiche gilt auch für das gemeinsame Vorkommen von epigenetischen Eiskeilen und Kryoturbationen auf den Terrassen in der Niederrheinischen Bucht. Als begleitendes Phänomen kann u. U . auch die Schottermorphologie von Nutzen sein, wenn beispielsweise Congelifraktate vorliegen ( K A I S E R 1958). Einschränkend ist dazu nur zu sagen, daß Schichtverfältelungen als Klimazeugen eigentlich nicht mehr benötigt werden, wenn begleitende Sedimentstrukturen eindeutige Schlüsse auf die Klimabedingungen zulassen. A u c h wenn die V e r f ä l t e l u n g e n m i t e h e m a l i g e n L a n d o b e r f l ä c h e n i n V e r b i n d u n g s t e h e n , liegt d e r G e d a n k e a n k r y o g e n e E n t s t e h u n g n a h e . Grundsätzlich

s o l l t e n sich auch aus d e r r ä u m l i c h e n

und zeitlichen Verteilung v o n

K r y o t u r b a t i o n e n u n d c o n v o l u t e b e d d i n g U n t e r s c h e i d u n g s m e r k m a l e g e w i n n e n lassen, d a K r y o t u r b a t i o n e n i m G e g e n s a t z zu c o n v o l u t e b e d d i n g

a u f ein b e s t i m m t e s p a l ä o g e o g r a -

phisches A r e a l b e s c h r ä n k t sein müssen. ( H i e r ist j e d o c h die G e f a h r v o n Kreisschlüssen g e ­ geben, d e r a r t , d a ß F o r m e n in einem a n g e n o m m e n e n P e r i g l a z i a l r a u m a l s K r y o t u r b a t i o n e n g e d e u t e t werden, o d e r d a ß a n H a n d v o n a n g e n o m m e n e n K r y o t u r b a t i o n e n ein P e r i g l a z i a l ­ r a u m r e k o n s t r u i e r t w i r d . A u s s a g e k r ä f t i g e D a t e n lassen sich d a h e r n u r m i t t e l s a k t u o g e o logischer B e o b a c h t u n g e n g e w i n n e n . )


154

Gotthard K o w a l c z y k

Ein oft angeführtes Merkmal für Kryoturbationen sind mit ihrer Längsachse senkrecht ein­ geregelte Gerolle. Eine solche Einregelung von Gerollen konnte jedoch auch in Schichtverfältelun­ gen im Pliozän beobachtet werden, sie kann daher nicht als alleiniges Kennzeichen von Kryoturba­ tionen gelten. Bei der Auflage von Ton- oder Schlufflinsen auf Kies kann es zu Kieseinpressungen in den basalen Teil der Linsen kommen. W o die Linsen ausdünnen, kann auch noch das hangende Sedi­ ment betroffen sein; ein Bild, das eigentlich an kryogene Entstehung denken läßt, in diesem Fall aber auch durch Porenwasserüberdruck erklärt werden kann. 4. Bildungsbedingungen d e r beschriebenen Schichtdeformationen und Schlußfolgerungen W i e gezeigt w u r d e , gleichen die beschriebenen S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n einerseits v ö l l i g K r y o t u r b a t i o n e n , andererseits a b e r auch den E r s c h e i n u n g s f o r m e n des c o n v o l u t e b e d d i n g . Z u m z w e i t e n ist auch kein s i g n i f i k a n t e r U n t e r s c h i e d zwischen den S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n i m w a r m z e i t l i c h e n P l i o z ä n u n d in den als k a l t z e i t l i c h angesehenen A b l a g e r u n g e n des A l t ­ q u a r t ä r s in der südlichen N i e d e r r h e i n i s c h e n B u c h t zu b e m e r k e n . D a m i t sind auch H i n ­ weise a u f die m ö g l i c h e G e n e s e gegeben. D i e S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n im P l i o z ä n lassen sich sicher als c o n v o l u t e bedding o d e r als c o r r u g a t e d l a m i n a t i o n deuten, da p e r i g l a z i a l e K l i m a b e d i n g u n g e n nicht gegeben w a r e n . Sichere K e n n z e i c h e n für l o a d casts w u r d e n , w i e schon e r w ä h n t , nicht gefunden (das e r g i b t sich auch schon aus der L a g e der V e r f ä l t e l u n g e n i n n e r h a l b der S c h i c h t f o l g e : in S a n d u n t e r T o n o d e r Schluff, also im S e d i m e n t m i t dem h ö h e r e n R a u m g e w i c h t , das unter l e i c h t e r e m l a g e r t ) . Auch H i n w e i s e a u f eine G e n e s e durch P o r e n w a s s e r ü b e r d r u c k sind im P l i o z ä n s p ä r ­ lich — im A l t q u a r t ä r häufiger — , es m ü ß t e d a n n eigentlich der h a n g e n d e W a s s e r s t a u e r z u m i n d e s t b a s a l in die V e r f ä l t e l u n g m i t e i n b e z o g e n sein, was a b e r selten der F a l l ist. D a die S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n im A l t q u a r t ä r sich von denen im P l i o z ä n f o r m a l nicht unterscheiden lassen (allenfalls k ö n n e n sie auch in gröberem S e d i m e n t v o r k o m m e n ) f o l g t d a r a u s , d a ß für die a l t q u a r t ä r e n F o r m e n e b e n f a l l s eine k r y o g e n e E n t s t e h u n g n i c h t m e h r sicher g e f o r d e r t werden k a n n . D a s k l ä r t a l l e r d i n g s noch nicht die tatsächliche E n t s t e h u n g der V e r f ä l t e l u n g e n im A l t q u a r t ä r . W e n n auch d i e V e r f ä l t e l u n g s v o r g ä n g e im P l i o z ä n und A l t q u a r t ä r a n n ä h e r n d gleiche F o r m e n erzeugten, so ist d a m i t noch nicht gesagt, d a ß es auch dieselben P r o z e s s e w a r e n , die sie gebildet h a b e n . D i e S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n im A l t q u a r t ä r k ö n n t e n daher dennoch ursächlich im Z u s a m ­ m e n h a n g m i t d e m p e r i g l a z i a l e n K l i m a stehen, n u r beweisen l ä ß t sich dies nicht. F ü r die F o r m e n in der b e h a n d e l t e n S c h i c h t f o l g e besteht d a f ü r nach dem g e g e n w ä r t i g e n K e n n t n i s ­ s t a n d auch k e i n A n l a ß . I m G e g e n t e i l deutet alles d a r a u f hin, d a ß sich hier die gleichen P r o z e s s e a b g e s p i e l t haben, die — w i e im u n t e r l a g e r n d e n P l i o z ä n — z u c o n v o l u t e b e d d i n g geführt h a b e n . Z w i n g e n d e G r ü n d e für eine E r k l ä r u n g der beschriebenen V e r f ä l t e l u n g e n im A l t q u a r t ä r durch k r y o d y n a m i s c h e V o r g ä n g e g i b t es j e d e n f a l l s nicht, für die p l i o z ä n e n sind sie ausge­ schlossen. D e n n die beschriebenen F o r m e n sind b a n k g e b u n d e n ; sie k o m m e n f a s t n u r in f e i n k ö r n i g e n S e d i m e n t e n v o r ; M a t e r i a l s o r t i e r u n g f e h l t ; eine B i n d u n g an eine e h e m a l i g e L a n d o b e r f l ä c h e ist nicht zu b e o b a c h t e n ; sie sind a n Schichtwechsel geknüpft u n d sie k o m ­ m e n n u r in aquatischen S e d i m e n t e n v o r , deren W a s s e r g e h a l t w ä h r e n d und u n m i t t e l b a r nach der A b l a g e r u n g ausreichend gewesen ist. Verfältelungen der beschriebenen Art sind im gesamten Alt- und Ältestpleistozän (Schichten älter als die j H T ) der südlichen Niederrheinischen Bucht verbreitet. Im basalen Teil dieser Abfolge fehlen jedoch Kaltklimaindikatoren völlig (dagegen sind warmzeitliche Ablagerungen floristisch und faunistisch belegt; KOWALCZYK 1 9 7 1 ) . Schwache Hinweise auf kaltes K l i m a (Grobblöcke) treten erst im obersten Teil des Ältestpleistozäns auf. Sichere Kaltklimazeugen wie Eiskeile und Drift­ blöcke von mehreren Metern Durchmesser sind dagegen erst in den obersten Abschnitten der j H T zu finden. D o r t treten auch Verfältelungen in Grobkiesen auf, die als Kryoturbationen anzusehen sind.


Kryoturbationsartige Sedimentstrukturen im Pliozän und Altquartär

155

Auch dieser Sachverhalt spricht dafür, daß es sich bei den beschriebenen Verfältelungen in fein­ körnigen Sedimenten im Altquartär um convolute bedding bzw. corrugated lamination handelt. Die

d a r g e s t e l l t e n B e o b a c h t u n g e n a u s d e r südlichen N i e d e r r h e i n i s c h e n Bucht scheinen

a u ß e r d e m A r g u m e n t e d a f ü r zu liefern, d a ß „ K r y o t u r b a t i o n e n " in f e i n k ö r n i g e n S e d i m e n ­ ten g a n z allgemein k a u m als sichere K l i m a i n d i k a t o r e n

gelten k ö n n e n ,

einfach weil sie

m e i s t nicht sicher v o n n i c h t k r y o g e n e n S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n unterschieden werden

können

(es sei d e n n , es sind z u s ä t z l i c h e A n z e i c h e n für eine k r y o g e n e E n t s t e h u n g gegeben, s. K a p . 3.2.). F ü r die Ä h n l i c h k e i t zwischen K r y o t u r b a t i o n e n u n d c o n v o l u t e b e d d i n g sind nun m e h ­ r e r e G r ü n d e d e n k b a r . E i n m a l ist es m ö g l i c h , d a ß b e i d e F o r m e n durch dieselben, n i c h t k r y o dynamischen Prozesse hervorgerufen

w e r d e n . D i e s e r A n s i c h t sind z . B . B . B U T R Y M et a l .

( 1 9 6 4 ) ; d a s häufige V o r k o m m e n v o n V e r f ä l t e l u n g e n g e r a d e in P e r i g l a z i a l g e b i e t e n e r k l ä r ­ ten sie m i t einer R e i h e v o n F a k t o r e n , die die E n t s t e h u n g v o n S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n b e s o n ­ ders begünstigen, w i e e t w a die h o h e D u r c h f e u c h t u n g

w ä h r e n d d e r T a u p e r i o d e n , den als

W a s s e r s t a u e r w i r k s a m e n D a u e r f r o s t b o d e n u n d s p ä r l i c h e V e g e t a t i o n . I n dieser w e i t g e h e n ­ den F o r m scheint sich diese Ansicht j e d o c h k a u m a u f r e c h t halten z u lassen, w i e z. B . die epigenetischen K r y o t u r b a t i o n e n

a u f den T e r r a s s e n d e r N i e d e r r h e i n i s c h e n

Bucht zeigen

(s. K a p . 3 . 2 ; v g l . D Y L I K 1 9 6 5 ) . A n d e r e r s e i t s k ö n n e n s o w o h l k r y o d y n a m i s c h e w i e nichtk r y o d y n a m i s c h e V o r g ä n g e gleiche F o r m e n erzeugen, d i e sich nicht v o n e i n a n d e r unterschei­ den lassen ( „ K o n v e r g e n z e n " ) . A u s diesem G r u n d ist auch m i t L a b o r e x p e r i m e n t e n a l l e i n die G e n e s e v o n v o r g e f u n d e n e n

S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n nicht a u f z u k l ä r e n ,

w e i l nie auszu­

schließen ist, d a ß unterschiedliche V o r g ä n g e gleiche E r g e b n i s s e z e i t i g e n . D i e dritte M ö g ­ lichkeit deuteten J A H N & C Z E R W I N S K I

( 1 9 6 5 ) a n , n ä m l i c h d a ß die p e r i g l a z i a l e n B e d i n g u n ­

gen ( A u f t a u - und G e f r i e r w i r k u n g e n ) auslösende F a k t o r e n für S c h i c h t d e f o r m a t i o n e n d a r ­ stellen k ö n n e n . Die

B e o b a c h t u n g e n i m A l t q u a r t ä r d e r südlichen N i e d e r r h e i n i s c h e n B u c h t zeigen, d a ß

auch in e h e m a l i g e n

Periglazialgebieten

Schichtdeformationen

nicht k r y o g e n b e d i n g t sein müssen, a b e r K r y o t u r b a t i o n e n in q u a r t ä r e n

vorkommen

ähneln.

können, die

Schichtdeformationen

L o c k e r s e d i m e n t e n sollten d a h e r n u r d a n n als K r y o t u r b a t i o n e n

bezeichnet

u n d a l s K l i m a i n d i k a t o r e n b e n u t z t w e r d e n , w e n n t a t s ä c h l i c h j e d e a n d e r e G e n e s e ausge­ schlossen ist. Z u d e m l i e f e r n die beschriebenen S e d i m e n t s t r u k t u r e n B e i s p i e l e für c o n v o l u t e b e d d i n g (i. w . S.) in e i n d e u t i g fluviatilen S c h i c h t f o l g e n , aus denen sie b i s h e r weniger b e ­ k a n n t sind. Literaturverzeichnis AHORNER, L . & KAISER, K . : Über altpleistozäne Kalt-Klima-Zeugen (Bodenfrost-Erscheinungen) in der Niederrheinischen Bucht. — Decheniana 116 (f. 1 9 6 3 ) , 3 — 1 9 , Bonn 1 9 6 4 . A L L E N , J . R . L . : The classification o f cross-stratified units. — Sedimentology 2, 9 3 — 1 1 4 , Amster­ dam 1 9 6 3 . A N K E T E L L , J . M., C E G L A , J . & DZULYNSKI, S.: Uncomformable surfaces formed in the absence o f current erosion. — Geologica Romana 8, 4 1 — 4 6 , R o m a 1 9 6 9 . BIGARELLA, J . J . , B E C K E R , R . D . & D U A R T E , G . M . : Costal dune structures from Parana (Brazil). — Marine Geol. 7, 5 — 5 5 , Amsterdam 1 9 6 9 . BOENIGK, W . : Zur Kenntnis des Altquartärs bei Brüggen (westlicher Niederrhein). — Sonderveröff. Geol. Inst. Univ. Köln 17, 1 3 8 S., Köln 1 9 7 0 . B O E N I G K , W . , KOWALCZYK. G . & BRUNNACKER, K . : Zur Geologie des Ältestpleistozäns in der N i e ­

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156

Gotthard Kowalczyk

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Quaternary Science Journal - Kryoturbationsartige Sedimentstrukturen im Pliozän und Altquartär ...  

Aus fluviatilen Ablagerungen des Jungpliozäns und Altquartärs der südlichen Niederrheinischen Bucht werden Sedimentstrukturen beschrieben, d...

Quaternary Science Journal - Kryoturbationsartige Sedimentstrukturen im Pliozän und Altquartär ...  

Aus fluviatilen Ablagerungen des Jungpliozäns und Altquartärs der südlichen Niederrheinischen Bucht werden Sedimentstrukturen beschrieben, d...

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