velikost textu

Climatic, tectonic and provenance record of the Upper Palaeozoic non-marine deposits of the Krkonoše Piedmont Basin

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Climatic, tectonic and provenance record of the Upper Palaeozoic non-marine deposits of the Krkonoše Piedmont Basin
Název v angličtině:
Klimatický, tektonický a provenienční záznam svrchnopaleozoických kontinentálních sedimentů podkrkonošské pánve
Typ:
Disertační práce
Autor:
Mgr. Karel Martínek, Ph.D.
Školitel:
doc. RNDr. Stanislav Opluštil, Ph.D.
Oponenti:
doc. RNDr. Slavomír Nehyba, Dr.
prof. Joerg Schneider, Dr.
Id práce:
112830
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Ústav geologie a paleontologie (31-420)
Program studia:
Geologie (P1201)
Obor studia:
Geologie se zaměřeními (XGEOLV)
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
16. 4. 2009
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Informace o neveřejnosti:
Příloha práce byla vyloučena ze zveřejnění.
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
Přírodovědecká fakulta University Karlovy v Praze Ústav geologie a paleontologie Charles University in Prague, Faculty of Science Institute of Geology and Palaeontology Klimatický, tektonický a provenienční záznam svrchnopaleozoických kontinentálních sedimentů podkrkonošské pánve Climatic, tectonic and provenance record of the Upper Palaeozoic non-marine deposits of the Krkonoše Piedmont Basin. Mgr. Karel Martínek Autoreferát doktorské disertační práce Summary of the PhD Thesis školitel (supervisor): Doc. RNDr. Stanislav Opluštil, Ph.D. školitel – konzultant (consultant): Prof. RNDr. Jiří Pešek, DrSc. Praha, 2008 Prague, Czech Republic, 2008 Úvod Podkrkonošská pánev je vnitrohorskou pozdně (až post-) variskou strukturou, která pokrývá plochu až 1100 km2 (to zahrnuje i partie překryté mořskými sedimenty svrchnokřídového stáří). Pánev se vytvořila jako součást systému extenzních/transtenzních pánví, ve kterých započala subsidence v pozdních fázích variské orogeneze. Pánev se nachází na severovýchodě českého masívu mezi krkonošsko-jizerským krystalinikem na severu, orlicko-sněžnickým krystalinikem na jihovýchodě a sedimenty české křídové pánve na jihu a jihozápadě (viz obr. 1). Maximální vrty ověřená mocnost vulkanosedimnetární výplně dosahuje v centru pánve téměř 1800 m, ve východní části pánve, na trutnovsko-náchodsku, se na základě refrakčně seismických dat předpokládá mocnost přes 2000 m. Sedimentace začíná v pánvi v asturu až v kantabru. Velkou část výplně v centrální části pánve ve stephanu C a autunu tvoří jílovce a prachovce jezerního nebo aluviálního původu. Dále se vyskytují arkózy a další pískovce a slepence fluviálního původu a při okrajích pánve také mocné sukcese slepenců a brekcií aluviálních vějířů. Organickou hmotou bohaté sedimenty se nacházejí v podobě uhelných sedimentů ve starší části výplně (před stephanem C), šedé a černé jílovce s vložkami karbonátů se vyskytují při hranici karbon/perm (stephan C/ autun). Vulkanity převažují bazické a intermediální (andezitoidy, „melafyry“), ryolity a ignimbrity tvoří menší část. Nejmladší jednotky (trutnovské, bohuslavické a bohdašínské souvrství) stáří saxon – trias jsou zachovány pouze ve východní části pánve, tzv. trutnovsko- náchodské dílčí pánvi nebo depresi. Dominantní jsou zde červené aluviální sedimenty s absencí fauny, flóry a vulkanitů (viz obr. 2). Permokarbonské sedimenty jsou na jihu a východě pánve částečně překryty mořskými sedimenty svrchnokřídového stáří. Vulkanická aktivita se do oblasti vrátila v terciéru, o čemž svědčí bazaltoidní lávy v okolí Kozákova v západní části pánve. O sedimentární aktivitě máme doklady v podobě reliktů terciérních štěrků zde a na trutnovsko-náchodsku. Tato disertační práce zahrnuje tři hlavní témata: 1) paleoklimatologii jezerních sedimentů rudnického obzoru založenou na sedimentologickém a geochemickém výzkumu, 2) faciální a architekturní analýzu a stratigrafii aluviálních sedimentů trutnovského souvrství, kde se využívalo také gama profilování a analýza těžkých minerálů, a 3) provenienční studii permokarbonských pískovců založenou na identifikaci valounů, asociací těžkých minerálů a složení detritického granátu. 2 Lus ati r k o n o š e C r y s i n t a l l e K an FZ C x o m p l e In Vrchlabí tr a s u d e B ti c o B a Hr s on h in T N S B ov -Po e říč í FZ m i Nová Paka a n u s o c e B a s i n r e a C t 0 10 km Náchod ík žn it ně Un e-S ine Orlic stall Cry town Obrázek 1. Geologická skica podkrkonošské pánve. fault Lo. Permian - Saxonian to Triassic conglomerates, sandstones and mudstones Lo. Permian - Sakmarian lacustrine/alluvial mudstones and sandstones Lo. Permian - Asselian, fluvial/lacustrine sandstones and mudstones Pennsylvanian - Stephanian C; alluvial fan conglomerates, Figure 1. Geological sketch map of the Krkonoše Piedmont Basin. fluvial sandstones and lacustrine mudstones Pennsylvanian - Westphalian D to Stephanian B; basal conglomerates, fluvial/lacustrine sandstones, mudstones and coal basaltic andesites to trachyandesites 3 Obrázek 2. Schematická stratigrafie podkrkonošské pánve, karbon – autun podle vrtu Pé-1 v centru pánve, saxon – trias podle vrtů v trutnovsko- náchodské dílčí pánvi. Figure 2. Schematic stratigraphic section of the Krkonoše Piedmont Basin based on the well core Pé-1, located in the central part of the basin, lithology of Saxonian-Triassic succession is based on well cores in Trutnov-Náchod subbasin. 4 1) Změny prostředí zaznamenané v organickou hmotou bohatých sedimentech autunského stáří: sedimentologická a geochemická studie rudnického obzoru, podrkonošská pánev, Česká republika Tato studie prezentuje výsledky sedimentologické a geochemické analýzy rudnického obzoru spodnopermského stáří – jednotky s největším rozsahem jezerních sedimentů v podkrkonošské pánvi. Šedé, černé a pestré jezerní jílovce, prachovce, laminity a karbonáty mají plošný rozsah 300 - 500 km2. Ve studovaných profilech byly vyčleněny 4 faciální asociace: A) anoxické předbřeží, B) suboxické – oxické předbřeží, C) příbřeží a bahenní plošina, a D) jezerní svah. V severní části východo-západně protažené pánve převažují anoxické a suboxické předbřežní facie, které tvoří neobvykle mocnou sukcesi (až 130 m). Facie vějířových delt a turbiditů se vyskytují na severovýchodě. Ve střední části pánve se předbřežní facie prstovitě prokládají s příbřežními převážně jemnozrnnými jílovito-prachovitými a karbonátovými faciemi jižního okraje jezera s malým gradientem. Ve střední části pánve dosahuje maximální mocnost jezerních sedimentů rudnického obzoru 60 – 70 m. Na jihu převažují fluviální a aluviální sedimenty, v menší míře se vyskytují příbřežní jezerní sedimenty. Laterální distribuce facií a změny mocnosti rudnického obzoru indikují asymetrickou pánev typu half-graben s výraznou subsidencí podél severního okrajového zlomu. Hodnoty δ18O primárního a raně diagenetického kalcitu jsou v rozsahu -11.0 až +1.3‰ (V-PDB) a hodnoty δ13C mezi -5.1 a +3.7‰; většina dat spadá do oblasti běžných sladkovodních vápenců. Hrubozrnnější laminy čistého mikrosparitu mají vyšší hodnoty δ13C ve srovnání s mikritovými laminami s příměsí jílu a organické hmoty a jsou interpretovány jako produkty bioindukovaného srážení během sezónní eutrofizace. Hodnoty δ13CTOC jsou v rozsahu -29.0 to -24.0‰, obsah celkové organické hmoty (TOC) je od 0.26 do 23%. Macerálová analýza a pyrolýza Rock-Eval většiny vzorků ukazují na směs aquatické a terestrické organické hmoty. Pouze dvě menší skupiny vzorků mají výraznou převahu řasové organiky z pozdního období eutrofizace, druhá skupina má naopak výraznou převahu terestrické organické hmoty, jedná se o vzorky z počáteční fáze jezerního vývoje krátce po transgresi. Studium obsahů boru v jílové frakci ve vertikálních profilech ukazuje, že během období vysoké hladiny byla nízká salinita jezerní vody (obsahy boru 73 až 268 ppm), a období nízké hladiny byla doprovázena vyšší salinitou (293 – 603 ppm). Kolísání hladiny rudnického jezerního systému, které je zaznamenáno nahoru změlčujícími jezerními cykly v okrajových partiích pánve, může být také demonstrováno změnami geochemických parametrů v litologicky monotónních sukcesích černých břidlic v centru pánve. Dobrými indikátory těchto změn mohou být hodnoty δ18O a δ13C primárního kalcitu, δ13CTOC a vodíkový index (HI). Tyto oscilace jezerní hladiny jsou interpretovány jako důsledek klimatických změn v řádu desítek tisíc let, které mohou souviset s posledním zaledněním Gondwany. 5 2) Klimatické versus tektonické faktory řídící aluviální a fluviální sedimentaci trutnovského souvrství, saxon, Český masív: studie integrující výchozová i vrtná data a těžké minerály Druhá studie interpretuje charakteristiky sedimentárního systému trutnovského souvrství v podkrkonošské pánvi a faktory řídící jeho sedimentaci. Podkrkonošská pánev vzikla v severní části Českého masívu jako postorogenní pánev pravděpodobně v extenzním a transtenzním režimu; pánev zaznamenává relativně dlouhou historii kontinentální sedimentace ve svrchním karbonu až triasu. Trutnovsko-náchodská dílčí pánev, která obsahuje trutnovské souvrství, je pravděpodobně pull-apartovou pánví naloženou na východní část podkrkonošské pánve během tektonické reaktivace doprovázené úhlovou diskordancí při hranici autun/saxon. Díky integraci několika přístupů se v této oblasti s omezeným množstvím výchozů a vrtů podařilo identifikovat celopánevní tektonické události a změny fluviálního stylu. Tato studie integruje sedimentologii výchozů s rozpoznáním celopánevních jevů, což umožnila korelace vrtných a výchozových profilů pomocí gamaspektrometrie a analýzy těžkých minerálů. Trutnovské souvrství je na základě korelace vrtných profilů rozděleno do tří základních genetických stratigrafických jednotek. Karotážní profily umožnily také poprvé korelovat trutnovsko-úpický vývoj trutnovského souvrství s náchodským. Jednotka 1 je reprezentována aluviálními slepenci na jihu přecházejícími do aluviálních jílovců a prachovců ve střední části a dále do karbonátických sedimentů se sádrovcem interpretovaných jako sedimenty jezera typu playa v severní části pánve. Nadložní jednotky 2 a 3 zaznamenávají nástup říční sedimentace v podobě slepenců na severu, pískovců ve střední části a pokračování konglomeratické sedimentace na jihu. Diskordance na bázi jednotky 2 má charakter celopánevní eroze a došlo zde k výrazné paleogeografické změně. Detailní studium výchozů se zaměřilo na slepence a pískovce jednotek 2 a 3, které jsou dostatečně odkryté. Většina slepenců se vyskytuje podél severního (na Trutnovsku) a jihovýchodního (na Náchodsku) okraje pánve a jsou interpretovány jako uloženiny distálních aluviálních vějířů s dominancí fluviálních procesů. Pískovce se vyskytují převážně ve střední části pánve (na Úpicku) a byly interpretovány jako facie výplní koryt, nivních průrev (crevasse splay) a kalkret (i dolokret). Říční systém měl nízkou sinuositu s dominantním směrem paleoproudění k sv. Na sezónní až efemerní charakter toku v aridních/semiaridních klimatických podmínkách ukazují: variabilita průtoku, pozorovaná v 10 – 15 m mocných profilech a indikovaná změnami zrnitosti a mocnosti a charakteru dun, zachování nestabilních jílovcových a prachovcových závalků, a hojný výskyt kalkret a dolokret. Ke korelaci až 15 km vzdálených výchozů bylo využito asociací těžkých minerálů, to umožnilo určit i jejich vzájemnou superpozici a dlouhodobé vertikální 6 trendy v rámci jednotek 2 a 3. Spodní část je charakteristická mocnějšími polohami s jemnozrnnějším středně vytříděným pískovcem, nízkým podílem kalkret, dolokret a karbonátové cementace. Směrem do nadloží je patrný postupný přechod do sedimentárního systému s tenkými polohami špatně vytříděných pískovců, hojnými jílovcovými a prachovcovými závalky, výraznými erozními jevy, hojnými kalkretami a bioturbací. Tento vertikální trend je pravděpodobně záznamem přechodu k obecně nižšímu a variabilnějšímu průtoku způsobenému aridnějšími klimatickými podmínkami. Hlavní změny v geometrii pánevní výplně jsou interpretovány jako tektonické události. Nástup sedimentace trutnovského souvrství je interpretováno jako výrazná tektonická reaktivace při hranici autun/saxon (cisural/guadaloup, sp./sv. rotliegend), kdy došlo ke změně extenzního režimu na transtenzní doprovázený transpresním výzdvihem střední části podkrkonošské pánve. Diskordance mezi jednotkami 1 a 2 a nástup výrazně písčité sedimentace ve střední části trutnovsko- náchodské dílčí pánve jsou interpretovány jako pozdější progradace hrubozrnného materiálu během tektonicky klidného období. Nástup písčité sedimentace řek s nízkou sinuositou (jednotka 2) přes jílovo-prachovité aluviální a jezerní (typu playa) sedimenty musel být způsoben zestrměním sedimentačního gradientu a byl pravděpodobně doprovázen klimatickou změnou – přechodem k humidnějším podmínkám; to nejsnadněji vysvětluje rychlý nárůst v přínosu klastického materiálu do pánve. Tuto interpretaci podporují aridní/semiaridní klimatické podmínky jednotky 1, humidnější podmínky spodní části jednotky 2 a efemerní (aridnější) charakter svrchní části jednotky 2. Trutnovsko-náchodská dílčí pánev je interpretována jako pánev typu pull-apart jejíž sedimentace byla do značné míry řízena dvěma okrajovými zlomy severozápadního směru – hronovsko-poříčským a pilníkovským, které vytvářely relaxační (transtenzní) stepover. 3) Studie provenience permských kontinentálních pískovců podkrkonošské pánve: exotické valouny mořských karbonátů, těžké minerály a složení granátů Třetí studie je zaměřena na identifikaci hlavních zdrojových oblastí v několika intervalech v permu a triasu, provenienční data jsou integrována s existujícími sedimentologickými daty. Valouny ze slepenců aluviálních vějířů, vějířových delt a příbřežních jezerních facií autunu a saxonu, které byly uloženy blízko severního, severozápadního a jihovýchodího okraje pánve, mají složení odpovídající téměř výhradně horninám přilehlých krystalinických masívů, pravděpodobně byly jejich zdrojem horninové jednotky jihozápadní části krkonošsko-jizerského krystalinika a severní části orlocko-sněžnického krzstalinika. Asociace těžkých minerálů z pískovcové matrix těchto slepenců podporují tuto interpretaci. Ve fluviálních jednotkách autunského stáří (vrchlabské souvrství), vycházejících v jihozápadní části pánve, byly rozpoznány dva hlavní zdroje. 7 Valouny mořských šelfových vápenců stáří pozdní devon – raný karbon pocházejí pravděpodobně ze střední části hypotetické jítravsko-hradecké pánve, zatímco složení granátů v pískovcích ukazuje na leukogranity a pegmatity severovýchodního moldanubika, přibyslavské zóny, jako na možné zdrojové horniny. Saxonské fluviální sedimenty ukazují na široké spektrum zdrojových hornin, které souvisí s recyklací starších sedimentů autunského a karbonského stáří. Složení granátů indikuje jako možné zdroje moldanubické granulity, granátické pyroxenity, leukogranity a pegmatity. Z toho vyplývá, že moldanubické granulity a granátické pyroxenity byly exhumované v erozní úrovni nejpozději v raném permu. Klíčová slova: podkrkonošská pánev, Český masív, perm, half-graben (polopříkop), jezerní facie, změny jezerní hladiny, stabilní izotopy, macerálová analýza, vodíkový index, bor, klimatické změny, fluviální facie, fluviální architektury, karotáž, tektonika, klima, provenience, těžké minerály, valounová analýza, složení detritického granátu. 8 Introduction The Krkonoše Piedmont Basin (KPB, Fig. 1) is an intramontane basin covering the area of about 1100 km2 (including the parts overlapped by the Upper Cretaceous). The basin was formed as a part of a system of extensional/transtensional basins which opened in the Bohemian Massif during the late phases of the Variscan orogeny. It is situated at the north-east of the Bohemian Massif between the crystalline complex of the Krkonoše – Jizerské hory Mts. in the north (forming also the most of crystalline basement of the basin) and the Orlice – Sněžník Crystalline Unit in the south-east. The maximum thickness of the volcanosedimentary basin fill in central part of the basin is nearly 1800 m. The deposition within the basin started in Asturian or Cantabrian. The large portion of deposits (in central part of the basin and especially of the Stephanian C and Autunian age) are claystones and mudstones of lacustrine and flat alluvial plain origin; arkoses, some sandstones and conglomerates are of fluvial origin. Also thick alluvial fan deposits - conglomerates and breccias - occur mainly at the northern and southeastern basin margins and are of important extent and volume. The youngest (Saxonian to Triassic) units (Trutnov, Bohuslavice and Bohdašín formations) have been preserved in the eastern part of the basin (Trutnov – Náchod subbasin, TNSB) only. They are characteristic by red alluvial deposits and absence of fauna, flora and volcanics. Substantial portion of the basin fill is formed by volcanics. The Carboniferous and especially Permian (Autunian) volcanic activity of the Krkonoše Piedmont and Mnichovo Hradiště basins was the most intensive all over the whole Bohemian Massif. It started within Asturian, culminated in Lower Autunian and ceased at the end of Autunian. More than 90 % of volcanics are of basic to intermedial nature (mostly andezitoids, formerly called melaphyres), while rhyolites (predominantly ignimbrites) form the lesser part. The Permo – Carboniferous rocks are in the southern part of the basin and in the Hronov – Poříčí Graben SE of Trutnov covered by marine sediments of the Late Cretaceous age. The volcanic activity in the basin was renewed in Tertiary, when bazaltoidic lava flows were deposited in surroundings of Kozákov, western part of KPB. The relics of Tertiary (Neogene) gravels were preserved in the same area and between Bohuslavice nad Úpou and Chvalkovice, and at Dolní Brusnice in the Trutnov – Náchod subbasin. The PhD thesis covers three main research topics: 1) palaeoclimatology of the lacustrine deposits of Rudník member based on sedimentology and geochemistry; 2) facies and architectural analyses and stratigraphy of the alluvial deposits of Trutnov Formation, using also heavy minerals and gamma-ray logging; 3) 9 provenance study based on the heavy mineral assemblages and composition of detrital garnets of Permian and Pennsylvanian sandstones. 1) Record of palaeoenvironmental changes in a Lower Permian organic-rich lacustrine succession: integrated sedimentological and geochemical study of the Rudník member, Krkonoše Piedmont Basin, Czech Republic. This study presents an integrated sedimentological and geochemical analysis of the Lower Permian Rudník member – the most extensive lacustrine deposits in the Krkonoše Piedmont Basin. Grey to black and variegated lacustrine mudstones, laminites and carbonates of the Rudník member have a lateral extent of 300 - 500 km2. In the studied sections four facies associations were recognised: A) anoxic offshore, B) suboxic to oxic offshore, C) nearshore and mudflat, and D) slope deposits. In the northern part of the E – W elongated basin, anoxic to suboxic organic-rich offshore lacustrine facies dominate and form a succession up to 130 m thick. Fan-delta and turbidite facies occur locally along the faulted northern basin margin. The central part of the basin is occupied by anoxic to oxic offshore facies interfingering with nearshore carbonate and mudflat facies of the low- gradient lacustrine margin. In the central part of the basin, the thickness of the lacustrine deposits of the Rudník member reaches up to 60 – 70 m. In the southern part of the basin fluvial and alluvial plain facies dominate and alternate with minor lacustrine nearshore facies. The lateral facies distribution indicates that subsidence along the northern basin fault was the main mechanism generating the asymmetric infill geometry in the basin’s half-graben setting. The δ18O values of primary and early diagenetic calcite range between -11.0 and +1.3‰ (V-PDB) and δ13C values between -5.1 and +3.7‰; most of the data fall within the range of freshwater limestones. Coarser-grained pure microspar laminae show more positive δ13C values in comparison to clayey organic-rich micrite laminae, and are interpreted as a record of bioinduced precipitation during seasonal eutrophication. The obtained δ13CTOC values range from -29.0 to -24.0‰, the total organic carbon (TOC) content from 0.26 to 23%. Maceral analysis and Rock Eval pyrolysis indicate that most of the samples contain a mixture of aquatic and terrestrial organic matter, but two minor, distinctive groups of samples with algally-dominated and terrestrially-dominated organic matter composition, respectively, were also found. The study of vertical changes in boron content in the clay fraction of the lacustrine mudstones shows that high lake level stages were periods of lower salinity with the lowest boron contents (from 73 to 268 ppm), and periods of falling lake level were followed by significant increases in salinity with much higher boron values (293 – 603 ppm). Lake-level fluctuations of the Rudník lacustrine system, which are recorded by shallowing-up units of sedimentary facies within most of the sections throughout the basin, can also be traced within the monotonous black shale 10 dominated sections, where no sedimentological evidence of these lake level changes exists. Good indicators for such changes seem to be the δ18O and δ13C values of primary calcite, δ13CTOC and HI. These lake level fluctuations are interpreted as driven by climatic oscillations in the order of tens of thousands years, which could reflect climatic changes connected with the last glaciation event of Gondwana. 2) Climatic vs. tectonic controls on the fluvial/alluvial Trutnov Fm., Lower Permian, Bohemian Massif: integrated well-log, outcrop and heavy mineral study. The second study interprets the characteristics of a depositional system of the Trutnov Formation in the Krkonoše Piedmont Basin (KPB) and the controls on its deposition. The KPB formed in the northern part of the Bohemian Massif as a post-orogenic basin of inferred extensional/transtensional regime and records a history of continental sedimentation between the Late Carboniferous and Early Triassic. The Trutnov Náchod subbasin (TNSB), which contains the Trutnov Formation, is probably a pull-apart structure superimposed on the eastern part of the KPB during the Permian – Triassic period. The identification of basin-wide tectonic events and the climatic record in continental deposits and changes in fluvial style in basin and meso-scale was enabled by integration of several methods, despite of unsatisfactory outcrop and borehole coverage. This study integrates recognition of smaller-scale sedimentary features observed in outcrops with basin-scale features, which can be identified by correlation of individual outcrops to well-logs using heavy mineral data and outcrop gamma-ray logging. Based mainly on well-log data, the Trutnov Formation is divided into three main genetic stratigraphic units. Well-log data also give an insight to the relationships between the southern and northern parts of the basin. Unit 1 is represented by alluvial conglomerates in the south, passing to alluvial mudstones and siltstones in the central and playa lake calcareous mudstones with gypsum in the northern parts of the basin. Overlying Units 2 and 3 record the onset of fluvial conglomerates’ deposition in the north, fluvial sandstones in the centre and a continuous alluvial fan – fluvial conglomerate sedimentation in the south of the TNSB. The unconformity at the base of Unit 2 is a basin-wide correlative erosional surface, which marks an important palaeogeographic change. The detailed outcrop study focused on the conglomerates and sandstones of Units 2 and 3, which are exposed. Most of the conglomerates are situated along the northern and southern basin margins and are interpreted as fluvial-dominated, distal alluvial fan deposits. Sandstones occur mainly in the central part of the basin. Channel-fill sandstones, crevasse splay deposits, and calcretes/dolocretes are interpreted in the sandstone facies. The strata are interpreted to have been deposited by a low-sinuosity river system with the dominant paleocurrent direction 11 being to the SE. The high variation in discharge, observed in individual measured sections 10-15 m thick and indicated by the variations in bedform type and grain size, preservation of highly unstable rock fragments, as well as the abundance of calcretes/dolocretes, suggest seasonal to ephemeral flow and arid/semiarid climatic conditions. Distinct heavy mineral assemblages were used to correlate up to 15 km distant outcrops scattered across the basin, and allowed a larger-scale vertical trend within Units 2 and 3 to be seen. The lower part is characterized by thicker stratal units, finer-grained moderately sorted material, a low proportion of calcretes/dolocretes and bioturbation and low carbonate cementation of most of the sandstones. The upper part is characterized by generally thinner stratal units, poor sorting, a higher proportion of rip-up clasts, abundant calcretes and bioturbation, and pronounced erosional features. This vertical trend is probably a record of transition to generally lower and ephemeral discharge caused by more arid climatic conditions. The main changes in basin fill architecture are interpreted as major tectonic events. The onset of the Trutnov Formation deposition is interpreted as a major tectonic reactivation at the Autunian/Saxonian (Lower/Upper Rotliegend) boundary, when the extensional regime changed to a strike-slip regime accompanied by a transpressional uplift of the central part of the KPB. The unconformity between Units 1 and 2 and the onset of high sandy sedimentation at the central part of the basin is interpreted as a later progradation of the coarse- grained material during the period of mostly inactive faults. The deposition of low- sinuosity sandstone dominated fluvial sediments over the mudstone dominated playa deposits must have been caused by a steepening of the depositional gradient and was probably accompanied by a change of climate to more humid conditions, which can most easily explain the increase in sediment supply to the basin. This interpretation is supported by the arid/semiarid conditions of Unit 1, the perennial character (more humid) of the lower part of Unit 2 and an ephemeral fluvial system (back to arid/semiarid) of the top of Unit 2. The TNSB is interpreted as a pull-apart basin in which deposition was governed by two major dextral strike-slip faults, Hronov-Poříčí FZ and Pilníkov FZ, which formed releasing stepover pull- apart basin. 3) Provenance study of Permian non-marine sandstones of the Krkonoše Piedmont Basin: exotic marine limestone pebbles, heavy minerals and garnet composition. The third study focuses on identifying major source areas in several intervals mainly in the Permian of the Krkonoše Piedmont Basin and integrates it with existing sedimentological data. Pebbles in Asselian – Guadalupian conglomerates of alluvial fan, nearshore lacustrine and lacustrine fan-delta deposits, which were deposited close to the northwestern and southeastern basin margin, respectively, 12 correspond almost exclusively to local material from adjacent crystalline complexes.The heavy mineral associations of the sandstone matrix of these conglomerates support this interpretation. Crystalline units of the south-western part of the Krkonoše-Jizera Crystalline Complex and Orlice-Sněžník Crystalline Complex, respectively, are considered as the most favourable source. Two main possible source areas for the fluvial Asselian deposits (Vrchlabí Formation) of the south-western part of the basin were found. Pebbles of late Devonian – early Carboniferous marine limestones probably come from the central part of the hypothetical Jítrava Hradec Basin. The garnet composition in sand detrital material points to leucogranites and pegmatites of the north-eastern Moldanubian Zone, the Přibyslavice area, as the possible source areas. Guadalupian fluvial deposits reveal a wide range of sources, which can be attributed to the recycling of detrital material from Cisuralian and Carboniferous deposits. Garnet compositions indicate Moldanubian granulites, garnet clinopyroxenites, leucogranites and pegmatites as a possible source. We infer that Moldanubian granulites and garnet clinopyroxenites were exposed to an erosion level in the Early Permian at the latest. Keywords: Krkonoše Piedmont Basin, Permian, Stephanian C, Bohemian Massif, half-graben, lacustrine facies, lake level changes, stable isotopes, maceral analysis, hydrogen index, boron, climate change, fluvial facies, fluvial architectures, well- logs, tectonic and climatic controls, provenance, heavy minerals, pebble composition, detrital garnet composition. 13
Abstract v angličtině:
Přírodovědecká fakulta University Karlovy v Praze Ústav geologie a paleontologie Charles University in Prague, Faculty of Science Institute of Geology and Palaeontology Klimatický, tektonický a provenienční záznam svrchnopaleozoických kontinentálních sedimentů podkrkonošské pánve Climatic, tectonic and provenance record of the Upper Palaeozoic non-marine deposits of the Krkonoše Piedmont Basin. Mgr. Karel Martínek Autoreferát doktorské disertační práce Summary of the PhD Thesis školitel (supervisor): Doc. RNDr. Stanislav Opluštil, Ph.D. školitel – konzultant (consultant): Prof. RNDr. Jiří Pešek, DrSc. Praha, 2008 Prague, Czech Republic, 2008 Úvod Podkrkonošská pánev je vnitrohorskou pozdně (až post-) variskou strukturou, která pokrývá plochu až 1100 km2 (to zahrnuje i partie překryté mořskými sedimenty svrchnokřídového stáří). Pánev se vytvořila jako součást systému extenzních/transtenzních pánví, ve kterých započala subsidence v pozdních fázích variské orogeneze. Pánev se nachází na severovýchodě českého masívu mezi krkonošsko-jizerským krystalinikem na severu, orlicko-sněžnickým krystalinikem na jihovýchodě a sedimenty české křídové pánve na jihu a jihozápadě (viz obr. 1). Maximální vrty ověřená mocnost vulkanosedimnetární výplně dosahuje v centru pánve téměř 1800 m, ve východní části pánve, na trutnovsko-náchodsku, se na základě refrakčně seismických dat předpokládá mocnost přes 2000 m. Sedimentace začíná v pánvi v asturu až v kantabru. Velkou část výplně v centrální části pánve ve stephanu C a autunu tvoří jílovce a prachovce jezerního nebo aluviálního původu. Dále se vyskytují arkózy a další pískovce a slepence fluviálního původu a při okrajích pánve také mocné sukcese slepenců a brekcií aluviálních vějířů. Organickou hmotou bohaté sedimenty se nacházejí v podobě uhelných sedimentů ve starší části výplně (před stephanem C), šedé a černé jílovce s vložkami karbonátů se vyskytují při hranici karbon/perm (stephan C/ autun). Vulkanity převažují bazické a intermediální (andezitoidy, „melafyry“), ryolity a ignimbrity tvoří menší část. Nejmladší jednotky (trutnovské, bohuslavické a bohdašínské souvrství) stáří saxon – trias jsou zachovány pouze ve východní části pánve, tzv. trutnovsko- náchodské dílčí pánvi nebo depresi. Dominantní jsou zde červené aluviální sedimenty s absencí fauny, flóry a vulkanitů (viz obr. 2). Permokarbonské sedimenty jsou na jihu a východě pánve částečně překryty mořskými sedimenty svrchnokřídového stáří. Vulkanická aktivita se do oblasti vrátila v terciéru, o čemž svědčí bazaltoidní lávy v okolí Kozákova v západní části pánve. O sedimentární aktivitě máme doklady v podobě reliktů terciérních štěrků zde a na trutnovsko-náchodsku. Tato disertační práce zahrnuje tři hlavní témata: 1) paleoklimatologii jezerních sedimentů rudnického obzoru založenou na sedimentologickém a geochemickém výzkumu, 2) faciální a architekturní analýzu a stratigrafii aluviálních sedimentů trutnovského souvrství, kde se využívalo také gama profilování a analýza těžkých minerálů, a 3) provenienční studii permokarbonských pískovců založenou na identifikaci valounů, asociací těžkých minerálů a složení detritického granátu. 2 Lus ati r k o n o š e C r y s i n t a l l e K an FZ C x o m p l e In Vrchlabí tr a s u d e B ti c o B a Hr s on h in T N S B ov -Po e říč í FZ m i Nová Paka a n u s o c e B a s i n r e a C t 0 10 km Náchod ík žn it ně Un e-S ine Orlic stall Cry town Obrázek 1. Geologická skica podkrkonošské pánve. fault Lo. Permian - Saxonian to Triassic conglomerates, sandstones and mudstones Lo. Permian - Sakmarian lacustrine/alluvial mudstones and sandstones Lo. Permian - Asselian, fluvial/lacustrine sandstones and mudstones Pennsylvanian - Stephanian C; alluvial fan conglomerates, Figure 1. Geological sketch map of the Krkonoše Piedmont Basin. fluvial sandstones and lacustrine mudstones Pennsylvanian - Westphalian D to Stephanian B; basal conglomerates, fluvial/lacustrine sandstones, mudstones and coal basaltic andesites to trachyandesites 3 Obrázek 2. Schematická stratigrafie podkrkonošské pánve, karbon – autun podle vrtu Pé-1 v centru pánve, saxon – trias podle vrtů v trutnovsko- náchodské dílčí pánvi. Figure 2. Schematic stratigraphic section of the Krkonoše Piedmont Basin based on the well core Pé-1, located in the central part of the basin, lithology of Saxonian-Triassic succession is based on well cores in Trutnov-Náchod subbasin. 4 1) Změny prostředí zaznamenané v organickou hmotou bohatých sedimentech autunského stáří: sedimentologická a geochemická studie rudnického obzoru, podrkonošská pánev, Česká republika Tato studie prezentuje výsledky sedimentologické a geochemické analýzy rudnického obzoru spodnopermského stáří – jednotky s největším rozsahem jezerních sedimentů v podkrkonošské pánvi. Šedé, černé a pestré jezerní jílovce, prachovce, laminity a karbonáty mají plošný rozsah 300 - 500 km2. Ve studovaných profilech byly vyčleněny 4 faciální asociace: A) anoxické předbřeží, B) suboxické – oxické předbřeží, C) příbřeží a bahenní plošina, a D) jezerní svah. V severní části východo-západně protažené pánve převažují anoxické a suboxické předbřežní facie, které tvoří neobvykle mocnou sukcesi (až 130 m). Facie vějířových delt a turbiditů se vyskytují na severovýchodě. Ve střední části pánve se předbřežní facie prstovitě prokládají s příbřežními převážně jemnozrnnými jílovito-prachovitými a karbonátovými faciemi jižního okraje jezera s malým gradientem. Ve střední části pánve dosahuje maximální mocnost jezerních sedimentů rudnického obzoru 60 – 70 m. Na jihu převažují fluviální a aluviální sedimenty, v menší míře se vyskytují příbřežní jezerní sedimenty. Laterální distribuce facií a změny mocnosti rudnického obzoru indikují asymetrickou pánev typu half-graben s výraznou subsidencí podél severního okrajového zlomu. Hodnoty δ18O primárního a raně diagenetického kalcitu jsou v rozsahu -11.0 až +1.3‰ (V-PDB) a hodnoty δ13C mezi -5.1 a +3.7‰; většina dat spadá do oblasti běžných sladkovodních vápenců. Hrubozrnnější laminy čistého mikrosparitu mají vyšší hodnoty δ13C ve srovnání s mikritovými laminami s příměsí jílu a organické hmoty a jsou interpretovány jako produkty bioindukovaného srážení během sezónní eutrofizace. Hodnoty δ13CTOC jsou v rozsahu -29.0 to -24.0‰, obsah celkové organické hmoty (TOC) je od 0.26 do 23%. Macerálová analýza a pyrolýza Rock-Eval většiny vzorků ukazují na směs aquatické a terestrické organické hmoty. Pouze dvě menší skupiny vzorků mají výraznou převahu řasové organiky z pozdního období eutrofizace, druhá skupina má naopak výraznou převahu terestrické organické hmoty, jedná se o vzorky z počáteční fáze jezerního vývoje krátce po transgresi. Studium obsahů boru v jílové frakci ve vertikálních profilech ukazuje, že během období vysoké hladiny byla nízká salinita jezerní vody (obsahy boru 73 až 268 ppm), a období nízké hladiny byla doprovázena vyšší salinitou (293 – 603 ppm). Kolísání hladiny rudnického jezerního systému, které je zaznamenáno nahoru změlčujícími jezerními cykly v okrajových partiích pánve, může být také demonstrováno změnami geochemických parametrů v litologicky monotónních sukcesích černých břidlic v centru pánve. Dobrými indikátory těchto změn mohou být hodnoty δ18O a δ13C primárního kalcitu, δ13CTOC a vodíkový index (HI). Tyto oscilace jezerní hladiny jsou interpretovány jako důsledek klimatických změn v řádu desítek tisíc let, které mohou souviset s posledním zaledněním Gondwany. 5 2) Klimatické versus tektonické faktory řídící aluviální a fluviální sedimentaci trutnovského souvrství, saxon, Český masív: studie integrující výchozová i vrtná data a těžké minerály Druhá studie interpretuje charakteristiky sedimentárního systému trutnovského souvrství v podkrkonošské pánvi a faktory řídící jeho sedimentaci. Podkrkonošská pánev vzikla v severní části Českého masívu jako postorogenní pánev pravděpodobně v extenzním a transtenzním režimu; pánev zaznamenává relativně dlouhou historii kontinentální sedimentace ve svrchním karbonu až triasu. Trutnovsko-náchodská dílčí pánev, která obsahuje trutnovské souvrství, je pravděpodobně pull-apartovou pánví naloženou na východní část podkrkonošské pánve během tektonické reaktivace doprovázené úhlovou diskordancí při hranici autun/saxon. Díky integraci několika přístupů se v této oblasti s omezeným množstvím výchozů a vrtů podařilo identifikovat celopánevní tektonické události a změny fluviálního stylu. Tato studie integruje sedimentologii výchozů s rozpoznáním celopánevních jevů, což umožnila korelace vrtných a výchozových profilů pomocí gamaspektrometrie a analýzy těžkých minerálů. Trutnovské souvrství je na základě korelace vrtných profilů rozděleno do tří základních genetických stratigrafických jednotek. Karotážní profily umožnily také poprvé korelovat trutnovsko-úpický vývoj trutnovského souvrství s náchodským. Jednotka 1 je reprezentována aluviálními slepenci na jihu přecházejícími do aluviálních jílovců a prachovců ve střední části a dále do karbonátických sedimentů se sádrovcem interpretovaných jako sedimenty jezera typu playa v severní části pánve. Nadložní jednotky 2 a 3 zaznamenávají nástup říční sedimentace v podobě slepenců na severu, pískovců ve střední části a pokračování konglomeratické sedimentace na jihu. Diskordance na bázi jednotky 2 má charakter celopánevní eroze a došlo zde k výrazné paleogeografické změně. Detailní studium výchozů se zaměřilo na slepence a pískovce jednotek 2 a 3, které jsou dostatečně odkryté. Většina slepenců se vyskytuje podél severního (na Trutnovsku) a jihovýchodního (na Náchodsku) okraje pánve a jsou interpretovány jako uloženiny distálních aluviálních vějířů s dominancí fluviálních procesů. Pískovce se vyskytují převážně ve střední části pánve (na Úpicku) a byly interpretovány jako facie výplní koryt, nivních průrev (crevasse splay) a kalkret (i dolokret). Říční systém měl nízkou sinuositu s dominantním směrem paleoproudění k sv. Na sezónní až efemerní charakter toku v aridních/semiaridních klimatických podmínkách ukazují: variabilita průtoku, pozorovaná v 10 – 15 m mocných profilech a indikovaná změnami zrnitosti a mocnosti a charakteru dun, zachování nestabilních jílovcových a prachovcových závalků, a hojný výskyt kalkret a dolokret. Ke korelaci až 15 km vzdálených výchozů bylo využito asociací těžkých minerálů, to umožnilo určit i jejich vzájemnou superpozici a dlouhodobé vertikální 6 trendy v rámci jednotek 2 a 3. Spodní část je charakteristická mocnějšími polohami s jemnozrnnějším středně vytříděným pískovcem, nízkým podílem kalkret, dolokret a karbonátové cementace. Směrem do nadloží je patrný postupný přechod do sedimentárního systému s tenkými polohami špatně vytříděných pískovců, hojnými jílovcovými a prachovcovými závalky, výraznými erozními jevy, hojnými kalkretami a bioturbací. Tento vertikální trend je pravděpodobně záznamem přechodu k obecně nižšímu a variabilnějšímu průtoku způsobenému aridnějšími klimatickými podmínkami. Hlavní změny v geometrii pánevní výplně jsou interpretovány jako tektonické události. Nástup sedimentace trutnovského souvrství je interpretováno jako výrazná tektonická reaktivace při hranici autun/saxon (cisural/guadaloup, sp./sv. rotliegend), kdy došlo ke změně extenzního režimu na transtenzní doprovázený transpresním výzdvihem střední části podkrkonošské pánve. Diskordance mezi jednotkami 1 a 2 a nástup výrazně písčité sedimentace ve střední části trutnovsko- náchodské dílčí pánve jsou interpretovány jako pozdější progradace hrubozrnného materiálu během tektonicky klidného období. Nástup písčité sedimentace řek s nízkou sinuositou (jednotka 2) přes jílovo-prachovité aluviální a jezerní (typu playa) sedimenty musel být způsoben zestrměním sedimentačního gradientu a byl pravděpodobně doprovázen klimatickou změnou – přechodem k humidnějším podmínkám; to nejsnadněji vysvětluje rychlý nárůst v přínosu klastického materiálu do pánve. Tuto interpretaci podporují aridní/semiaridní klimatické podmínky jednotky 1, humidnější podmínky spodní části jednotky 2 a efemerní (aridnější) charakter svrchní části jednotky 2. Trutnovsko-náchodská dílčí pánev je interpretována jako pánev typu pull-apart jejíž sedimentace byla do značné míry řízena dvěma okrajovými zlomy severozápadního směru – hronovsko-poříčským a pilníkovským, které vytvářely relaxační (transtenzní) stepover. 3) Studie provenience permských kontinentálních pískovců podkrkonošské pánve: exotické valouny mořských karbonátů, těžké minerály a složení granátů Třetí studie je zaměřena na identifikaci hlavních zdrojových oblastí v několika intervalech v permu a triasu, provenienční data jsou integrována s existujícími sedimentologickými daty. Valouny ze slepenců aluviálních vějířů, vějířových delt a příbřežních jezerních facií autunu a saxonu, které byly uloženy blízko severního, severozápadního a jihovýchodího okraje pánve, mají složení odpovídající téměř výhradně horninám přilehlých krystalinických masívů, pravděpodobně byly jejich zdrojem horninové jednotky jihozápadní části krkonošsko-jizerského krystalinika a severní části orlocko-sněžnického krzstalinika. Asociace těžkých minerálů z pískovcové matrix těchto slepenců podporují tuto interpretaci. Ve fluviálních jednotkách autunského stáří (vrchlabské souvrství), vycházejících v jihozápadní části pánve, byly rozpoznány dva hlavní zdroje. 7 Valouny mořských šelfových vápenců stáří pozdní devon – raný karbon pocházejí pravděpodobně ze střední části hypotetické jítravsko-hradecké pánve, zatímco složení granátů v pískovcích ukazuje na leukogranity a pegmatity severovýchodního moldanubika, přibyslavské zóny, jako na možné zdrojové horniny. Saxonské fluviální sedimenty ukazují na široké spektrum zdrojových hornin, které souvisí s recyklací starších sedimentů autunského a karbonského stáří. Složení granátů indikuje jako možné zdroje moldanubické granulity, granátické pyroxenity, leukogranity a pegmatity. Z toho vyplývá, že moldanubické granulity a granátické pyroxenity byly exhumované v erozní úrovni nejpozději v raném permu. Klíčová slova: podkrkonošská pánev, Český masív, perm, half-graben (polopříkop), jezerní facie, změny jezerní hladiny, stabilní izotopy, macerálová analýza, vodíkový index, bor, klimatické změny, fluviální facie, fluviální architektury, karotáž, tektonika, klima, provenience, těžké minerály, valounová analýza, složení detritického granátu. 8 Introduction The Krkonoše Piedmont Basin (KPB, Fig. 1) is an intramontane basin covering the area of about 1100 km2 (including the parts overlapped by the Upper Cretaceous). The basin was formed as a part of a system of extensional/transtensional basins which opened in the Bohemian Massif during the late phases of the Variscan orogeny. It is situated at the north-east of the Bohemian Massif between the crystalline complex of the Krkonoše – Jizerské hory Mts. in the north (forming also the most of crystalline basement of the basin) and the Orlice – Sněžník Crystalline Unit in the south-east. The maximum thickness of the volcanosedimentary basin fill in central part of the basin is nearly 1800 m. The deposition within the basin started in Asturian or Cantabrian. The large portion of deposits (in central part of the basin and especially of the Stephanian C and Autunian age) are claystones and mudstones of lacustrine and flat alluvial plain origin; arkoses, some sandstones and conglomerates are of fluvial origin. Also thick alluvial fan deposits - conglomerates and breccias - occur mainly at the northern and southeastern basin margins and are of important extent and volume. The youngest (Saxonian to Triassic) units (Trutnov, Bohuslavice and Bohdašín formations) have been preserved in the eastern part of the basin (Trutnov – Náchod subbasin, TNSB) only. They are characteristic by red alluvial deposits and absence of fauna, flora and volcanics. Substantial portion of the basin fill is formed by volcanics. The Carboniferous and especially Permian (Autunian) volcanic activity of the Krkonoše Piedmont and Mnichovo Hradiště basins was the most intensive all over the whole Bohemian Massif. It started within Asturian, culminated in Lower Autunian and ceased at the end of Autunian. More than 90 % of volcanics are of basic to intermedial nature (mostly andezitoids, formerly called melaphyres), while rhyolites (predominantly ignimbrites) form the lesser part. The Permo – Carboniferous rocks are in the southern part of the basin and in the Hronov – Poříčí Graben SE of Trutnov covered by marine sediments of the Late Cretaceous age. The volcanic activity in the basin was renewed in Tertiary, when bazaltoidic lava flows were deposited in surroundings of Kozákov, western part of KPB. The relics of Tertiary (Neogene) gravels were preserved in the same area and between Bohuslavice nad Úpou and Chvalkovice, and at Dolní Brusnice in the Trutnov – Náchod subbasin. The PhD thesis covers three main research topics: 1) palaeoclimatology of the lacustrine deposits of Rudník member based on sedimentology and geochemistry; 2) facies and architectural analyses and stratigraphy of the alluvial deposits of Trutnov Formation, using also heavy minerals and gamma-ray logging; 3) 9 provenance study based on the heavy mineral assemblages and composition of detrital garnets of Permian and Pennsylvanian sandstones. 1) Record of palaeoenvironmental changes in a Lower Permian organic-rich lacustrine succession: integrated sedimentological and geochemical study of the Rudník member, Krkonoše Piedmont Basin, Czech Republic. This study presents an integrated sedimentological and geochemical analysis of the Lower Permian Rudník member – the most extensive lacustrine deposits in the Krkonoše Piedmont Basin. Grey to black and variegated lacustrine mudstones, laminites and carbonates of the Rudník member have a lateral extent of 300 - 500 km2. In the studied sections four facies associations were recognised: A) anoxic offshore, B) suboxic to oxic offshore, C) nearshore and mudflat, and D) slope deposits. In the northern part of the E – W elongated basin, anoxic to suboxic organic-rich offshore lacustrine facies dominate and form a succession up to 130 m thick. Fan-delta and turbidite facies occur locally along the faulted northern basin margin. The central part of the basin is occupied by anoxic to oxic offshore facies interfingering with nearshore carbonate and mudflat facies of the low- gradient lacustrine margin. In the central part of the basin, the thickness of the lacustrine deposits of the Rudník member reaches up to 60 – 70 m. In the southern part of the basin fluvial and alluvial plain facies dominate and alternate with minor lacustrine nearshore facies. The lateral facies distribution indicates that subsidence along the northern basin fault was the main mechanism generating the asymmetric infill geometry in the basin’s half-graben setting. The δ18O values of primary and early diagenetic calcite range between -11.0 and +1.3‰ (V-PDB) and δ13C values between -5.1 and +3.7‰; most of the data fall within the range of freshwater limestones. Coarser-grained pure microspar laminae show more positive δ13C values in comparison to clayey organic-rich micrite laminae, and are interpreted as a record of bioinduced precipitation during seasonal eutrophication. The obtained δ13CTOC values range from -29.0 to -24.0‰, the total organic carbon (TOC) content from 0.26 to 23%. Maceral analysis and Rock Eval pyrolysis indicate that most of the samples contain a mixture of aquatic and terrestrial organic matter, but two minor, distinctive groups of samples with algally-dominated and terrestrially-dominated organic matter composition, respectively, were also found. The study of vertical changes in boron content in the clay fraction of the lacustrine mudstones shows that high lake level stages were periods of lower salinity with the lowest boron contents (from 73 to 268 ppm), and periods of falling lake level were followed by significant increases in salinity with much higher boron values (293 – 603 ppm). Lake-level fluctuations of the Rudník lacustrine system, which are recorded by shallowing-up units of sedimentary facies within most of the sections throughout the basin, can also be traced within the monotonous black shale 10 dominated sections, where no sedimentological evidence of these lake level changes exists. Good indicators for such changes seem to be the δ18O and δ13C values of primary calcite, δ13CTOC and HI. These lake level fluctuations are interpreted as driven by climatic oscillations in the order of tens of thousands years, which could reflect climatic changes connected with the last glaciation event of Gondwana. 2) Climatic vs. tectonic controls on the fluvial/alluvial Trutnov Fm., Lower Permian, Bohemian Massif: integrated well-log, outcrop and heavy mineral study. The second study interprets the characteristics of a depositional system of the Trutnov Formation in the Krkonoše Piedmont Basin (KPB) and the controls on its deposition. The KPB formed in the northern part of the Bohemian Massif as a post-orogenic basin of inferred extensional/transtensional regime and records a history of continental sedimentation between the Late Carboniferous and Early Triassic. The Trutnov Náchod subbasin (TNSB), which contains the Trutnov Formation, is probably a pull-apart structure superimposed on the eastern part of the KPB during the Permian – Triassic period. The identification of basin-wide tectonic events and the climatic record in continental deposits and changes in fluvial style in basin and meso-scale was enabled by integration of several methods, despite of unsatisfactory outcrop and borehole coverage. This study integrates recognition of smaller-scale sedimentary features observed in outcrops with basin-scale features, which can be identified by correlation of individual outcrops to well-logs using heavy mineral data and outcrop gamma-ray logging. Based mainly on well-log data, the Trutnov Formation is divided into three main genetic stratigraphic units. Well-log data also give an insight to the relationships between the southern and northern parts of the basin. Unit 1 is represented by alluvial conglomerates in the south, passing to alluvial mudstones and siltstones in the central and playa lake calcareous mudstones with gypsum in the northern parts of the basin. Overlying Units 2 and 3 record the onset of fluvial conglomerates’ deposition in the north, fluvial sandstones in the centre and a continuous alluvial fan – fluvial conglomerate sedimentation in the south of the TNSB. The unconformity at the base of Unit 2 is a basin-wide correlative erosional surface, which marks an important palaeogeographic change. The detailed outcrop study focused on the conglomerates and sandstones of Units 2 and 3, which are exposed. Most of the conglomerates are situated along the northern and southern basin margins and are interpreted as fluvial-dominated, distal alluvial fan deposits. Sandstones occur mainly in the central part of the basin. Channel-fill sandstones, crevasse splay deposits, and calcretes/dolocretes are interpreted in the sandstone facies. The strata are interpreted to have been deposited by a low-sinuosity river system with the dominant paleocurrent direction 11 being to the SE. The high variation in discharge, observed in individual measured sections 10-15 m thick and indicated by the variations in bedform type and grain size, preservation of highly unstable rock fragments, as well as the abundance of calcretes/dolocretes, suggest seasonal to ephemeral flow and arid/semiarid climatic conditions. Distinct heavy mineral assemblages were used to correlate up to 15 km distant outcrops scattered across the basin, and allowed a larger-scale vertical trend within Units 2 and 3 to be seen. The lower part is characterized by thicker stratal units, finer-grained moderately sorted material, a low proportion of calcretes/dolocretes and bioturbation and low carbonate cementation of most of the sandstones. The upper part is characterized by generally thinner stratal units, poor sorting, a higher proportion of rip-up clasts, abundant calcretes and bioturbation, and pronounced erosional features. This vertical trend is probably a record of transition to generally lower and ephemeral discharge caused by more arid climatic conditions. The main changes in basin fill architecture are interpreted as major tectonic events. The onset of the Trutnov Formation deposition is interpreted as a major tectonic reactivation at the Autunian/Saxonian (Lower/Upper Rotliegend) boundary, when the extensional regime changed to a strike-slip regime accompanied by a transpressional uplift of the central part of the KPB. The unconformity between Units 1 and 2 and the onset of high sandy sedimentation at the central part of the basin is interpreted as a later progradation of the coarse- grained material during the period of mostly inactive faults. The deposition of low- sinuosity sandstone dominated fluvial sediments over the mudstone dominated playa deposits must have been caused by a steepening of the depositional gradient and was probably accompanied by a change of climate to more humid conditions, which can most easily explain the increase in sediment supply to the basin. This interpretation is supported by the arid/semiarid conditions of Unit 1, the perennial character (more humid) of the lower part of Unit 2 and an ephemeral fluvial system (back to arid/semiarid) of the top of Unit 2. The TNSB is interpreted as a pull-apart basin in which deposition was governed by two major dextral strike-slip faults, Hronov-Poříčí FZ and Pilníkov FZ, which formed releasing stepover pull- apart basin. 3) Provenance study of Permian non-marine sandstones of the Krkonoše Piedmont Basin: exotic marine limestone pebbles, heavy minerals and garnet composition. The third study focuses on identifying major source areas in several intervals mainly in the Permian of the Krkonoše Piedmont Basin and integrates it with existing sedimentological data. Pebbles in Asselian – Guadalupian conglomerates of alluvial fan, nearshore lacustrine and lacustrine fan-delta deposits, which were deposited close to the northwestern and southeastern basin margin, respectively, 12 correspond almost exclusively to local material from adjacent crystalline complexes.The heavy mineral associations of the sandstone matrix of these conglomerates support this interpretation. Crystalline units of the south-western part of the Krkonoše-Jizera Crystalline Complex and Orlice-Sněžník Crystalline Complex, respectively, are considered as the most favourable source. Two main possible source areas for the fluvial Asselian deposits (Vrchlabí Formation) of the south-western part of the basin were found. Pebbles of late Devonian – early Carboniferous marine limestones probably come from the central part of the hypothetical Jítrava Hradec Basin. The garnet composition in sand detrital material points to leucogranites and pegmatites of the north-eastern Moldanubian Zone, the Přibyslavice area, as the possible source areas. Guadalupian fluvial deposits reveal a wide range of sources, which can be attributed to the recycling of detrital material from Cisuralian and Carboniferous deposits. Garnet compositions indicate Moldanubian granulites, garnet clinopyroxenites, leucogranites and pegmatites as a possible source. We infer that Moldanubian granulites and garnet clinopyroxenites were exposed to an erosion level in the Early Permian at the latest. Keywords: Krkonoše Piedmont Basin, Permian, Stephanian C, Bohemian Massif, half-graben, lacustrine facies, lake level changes, stable isotopes, maceral analysis, hydrogen index, boron, climate change, fluvial facies, fluvial architectures, well- logs, tectonic and climatic controls, provenance, heavy minerals, pebble composition, detrital garnet composition. 13
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Karel Martínek, Ph.D. 7.75 MB
Stáhnout Příloha k práci Mgr. Karel Martínek, Ph.D. 3.08 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Karel Martínek, Ph.D. 468 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Karel Martínek, Ph.D. 468 kB
Stáhnout Posudek oponenta doc. RNDr. Slavomír Nehyba, Dr. 153 kB
Stáhnout Posudek oponenta prof. Joerg Schneider, Dr. 158 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 193 kB