Fauna, Biostratigraphie, Paläoökologie und Paläogeographie im Kulm (Karbon) Mittel- und Westeuropas

M.R.W. Amler

In Zusammenarbeit mit anderen geologisch und paläontologisch arbeitenden Wissenschaftler/inne/n werden die nach wie vor kontrovers diskutierten Befunde des Karbons (i.W. Mississippium) von Mittel- und Westeuropa untersucht, um zu einem schlüssigen Bild der Paläogeographie und Paläoökologie kurz vor der Variszischen Kollision zu gelangen und die verschiedenen Faziesräume (Kulm, Erdbacher Kalk, Kohlenkalk, paralisches Karbon, Paläo-Tethys) vergleichen zu können. Als besonders interessant hat sich die Analyse (Fauna, Stratigraphie und Mikrofazies) von umgelagerten („allochthonen“) Schollen im europäischen Kulm bzw. in vorgelagerten „Becken“ erwiesen, weil dadurch u.a. die Rekonstruktion von Alter und Paläoökologie der Herkunftsgebiete sowie deren Einbindung in den geologischen Rahmen des Variszikums ermöglicht wurde. Die biostratigraphische Verwendbarkeit von Muscheln im Karbon wurde zusammengestellt, die fazielle und biogeographische Verbreitung von Schwarzschiefer-Muscheln getestet. Eine internationale Forschergruppe trägt z.Zt. Ergebnisse zu einer umfassenden Gesamtdarstellung zur Kulm-Fazies zusammen.

Paläogeographisch gehört das klassische Verbreitungsgebiet der Kulm-Fazies in Mitteleuropa zum Rhenoherzynischen Becken, das sich von SW-Portugal über SW-England, N-Frankreich und Belgien über das Rheinische Schiefergebirge bis mindestens in den Harz verfolgen lässt. Es bildete den im Süden an den Old-Red-Kontinent anschließenden Schelf der Laurussischen Kontinentalplatte. Im Ober-Devon und Unter-Karbon verlief die Außengrenze der Flachschelf-Fazies im nordwestlichsten Rand des Rheinischen Schiefergebirges (NW-Flanke des Velberter Sattels), so dass der überwiegende Teil des Sauerlandes und der östlich und südöstlich anschließenden Gebiete zur Fazies des distalen Tiefschelfes (Kulm-Fazies) gerechnet werden. Während der siliziklastisch-karbonatisch beeinflusste Flachschelf im Ober-Devon und der Kohlenkalk-Schelf im Karbon in eine Vielzahl unterschiedlicher Bio- und Litho-Subfazies unterteilt und biostratigraphisch fein gegliedert werden können, ist der Faziesraum der oberdevonischen Herzynischen Fazies und des unterkarbonischen Kulms hinsichtlich der biofaziell-paläogeographischen Interpretation und der biostratigraphischen Gliederung der Ablagerungen nach wie vor rätselhaft.

Die unterkarbonische (mississippische) Kulm-Sequenz ist eine litho- und biofazielle Fortsetzung der oberdevonischen Beckenentwicklung, die ihrerseits durch typische Sedimente der „Herzynischen Fazies“ repräsentiert wird, wie z.B. die grauen, graugrünen und roten Tonstein-Serien („Cypridinenschiefer“) des Famenniums („do II–VI“) und die Hangenberg-Schichten (Unter-Tournaisium). Nach einer kurzen, weltweit erkennbaren Regression an der Devon/Karbon-Grenze und einem generellen „deepening event“ im Verlauf des frühen Unter-Karbons (Unter-Tournaisium; Gattendorfia-Stufe [Ga], „cu I“, „Balvium“) durchlief das Rhenoherzynische Becken im mittleren Unter-Karbon (Ober-Tournaisium – Mittel-Viséum; Pericyclus-Stufe [Pe], cu II, „Erdbachium“) die hochpelagische Phase eines Hungerbeckens („starved basin“). Diese Phase ist gekennzeichnet durch schwarze, Corg-reiche und Phosphoritknollen führende Alaunschiefer, welche von schwarzen und dann hellen Kieselgesteinen überlagert werden (Ober-Rödinghausen-Formation); häufig treten auch Einschaltungen alterierter Tuffhorizonte auf. Der Sedimentationsraum der biokieseligen Sedimente des Kulms lag in einem Gürtel semi-ariden bis ariden tropischen Klimas, wie paläomagnetische, paläobotanische und paläo-pedologische Untersuchungen anzeigen. Nach GURSKY war der Meeresspiegel im Rhenoherzynischen Becken relativ hoch und die Radiolarienfertilität infolge der paläozeanischen Strömungsverhältnisse wahrscheinlich groß. Die verminderte festländische Verwitterung und Erosion und die weite Überflutung der laurussischen Schelfgebiete, in denen terrigener Detritus sehr effektiv abgefangen wurde, führten zu sehr geringem klastischen Eintrag in das Becken (Sedimentationsrate ca. 4 mm/1000 a). In der Folge lagerten sich bevorzugt relativ reine biokieselige Schlämme als „Hungersedimente“ ab.

Abb. A: Der Aufschluss am Bromberg bei Medebach (Raum Korbach); Typusprofil der Bromberg-Formation (Foto: H.-J. Gursky, Clausthal-Zellerfeld).

 

In die Serie der Hellen Kieselschiefer (Hillershausen-Formation) sind Kalkturbidite mit re-sedimentierten Flachwasser-Komponenten (z.B. Foraminiferen) eingeschaltet, die die Existenz lokaler Karbonat-Plattformen anzeigen. Andere Typen von Flachwasser-Ablagerungen sind z.B. in Form der Erdbach-Kalke überliefert, die in ihrem Typus-Gebiet in der südlichen Dill-Mulde das Paläohoch des abgestorbenen devonischen Langenaubach-Breitscheider Riffkomplex überlagern. Das Hungerbecken-Stadium endete im Oberen Viséum ( „cu III“, Goniatites-Stufe [Go], „Aprathium“) nach Ablagerung der Sedimente, die heute als Kieselige Übergangsschichten (Bromberg-Formation (Abb. A) und überlagernde Posidonienschiefer (= basale Kulm-Tonschiefer; Lelbach- bzw. Dieken-Formation weit verbreitet sind. In beiden Schichtkomplexen dominieren dunkle bis schwarze Pelite. Besonders in den Posidonienschiefern sind wieder Kalkturbidite (Posidonienkalk; Scharfenberg- bzw. Hesseberg-Subformation eingeschaltet. Sie belegen trotz der progradierenden orogenen Front im Bereich der Vortiefe, lokal auch an seinem Ostrand, persistierende karbonatische Flachwasserareale. Auffällig sind die drei im gesamten Kulm-Becken ausgebildeten autochthonen, schwarzen Cephalopodenkalkbänke in den höchsten Kieseligen Übergangsschichten (crenistria-Kalkbänke). Dieses „Event“ ist auch aus SW-England und dem Harz bekannt, seine Genese jedoch nur ansatzweise gedeutet.

Innerhalb des Kulm-Beckens sind ebenfalls lithofazielle Differenzen erkennbar. JESSEN unterschied verschiedene Sedimenttypen unter Ausschluss biotischer Kriterien; NICOLAUS hingegen differenzierte zwischen einer typischen oder Standard-Fazies des zentralen Beckens mit reduzierten Faunen oder pelagischen Formen und einer neritischen Randfazies mit reichen Faunen, jedoch reduzierter Individuengröße. Generell scheint das Kulm-Becken in verschiedene Gebiete unterteilt werden zu können, die sich möglicherweise allein anhand der Faunenquantität und -qualität unterscheiden. Diese Unterteilung darf nicht mit den Begriffen „neritischer Kulm“ und „pelagischer Kulm“ im Sinne von PAUL verwechselt werden, die sich wegen grundsätzlicher Fehlinterpretation der Paläogeographie als unzutreffend herausgestellt haben.

Abb. B: Charakteristische Kulm-Bivalven aus den unterkarbonischen Posidonienschiefern (Aprathium, Goniatites Stufe) des Rheinischen Schiefergebirges.

1, 5. Euchondria aprathensis Rathmann & Amler; 2-3. Euchondria densistria (Sandberger & Sandberger, 1856); 4. Euchondria aurilaevis (Roemer, 1852); 6, 7. Streblochondria praetenuis (Koenen, 1879); 8. Streblochondria grandaeva (Goldfuss, 1833); 9. Streblochondria redesdalense (Hind, 1903); 10, 11. Posidonia becheri Bronn, 1828; 12. Posidonia kochi (Koenen, 1879); 13. Posidonia membranacea McCoy, 1844.

 

In biofazieller Hinsicht unterscheidet sich die Kulm-Fauna während des Hungerbecken-Stadiums auffallend von jener der Flachschelf-Fazies und wird typischerweise dominiert von nektonischen und planktonisch/pseudoplanktonischen Organismen. Dies sind insbesondere Radiolarien, Cephalopoden (vorwiegend Goniatiten und orthocone Nautiloideen) und dünnschalige Bivalven. Innerhalb der Bivalven (Abb. B) dominieren Eupteriomorphia, insbesondere Arten der Gattungen Posidonia (Abb. C) und Ptychopteria (Actinopteria). Regional bedecken sie wie auch Vertreter von Dunbarella (ehem. Pterinopecten) oft ganze Schichtflächen, fungieren damit als namensgebende Leithorizonte (z.B. „Actinopterien-Schiefer“, „Pterinopecten-Bank“) und lassen sich z.T. auch bis in die Flachschelf-Fazies verfolgen. Die meisten Formen lebten byssat angeheftet entweder pseudoplanktonisch an treibenden Algen oder epibenthisch in hochwachsenden Tangwäldern. Damit konnte sie die restriktiven, O2-armen und/oder hochgradig thixotropen Verhältnisse am Meeresboden umgehen. Benthische Organismen, wie z.B. Brachiopoden (Chonetipustula, Carringtonia, Chonetiden, Plicaea [= Leptaenisca bzw. Irboskites], Pleuropugnoides, Propriopugnus [= Nudirostra], Drahanorhynchus, einige Davidsonioidea) und Trilobiten (Vertreter der Proetoidea: Archegonus, Chlupacula, Liobole, Lugalella, Spinibole, Vandergrachtia) werden nur an wenigen Stellen häufiger, wie z.B. in den bekannten Fundstellen der südlichsten Dill-Mulde bei Herborn und im Kulm von Königsberg bei Rodheim-Bieber.

Abb. C: Posidonia becheri aus den Kulm-Tonschiefern des Edersee-Gebietes (Nord-Hessen), tektonisch deformiert (Foto: J. Fichter, Kassel).

 

Im Laufe des Oberen Viséums wurde das Hungerbecken des Rhenoherzynikums von Osten und Südosten ausgehend sukzessive in ein siliziklastisch dominiertes Flyschbecken umgestaltet. In der Dill-Mulde treten erste Grauwackenschüttungen (Dainrode-Formation) im Bereich der Goniatites fimbriatus-Zone auf, in der Wittgensteiner Mulde etwa in der Neoglyphioceras spirale-Zone und in der Waldecker Mulde in der Lusitanoceras poststriatum-Zone. Sie progradieren unter Verdrängung der Kulm-Tonschiefer sukzessive nach Nordwesten und erreichen im Verlauf des Namuriums den Außenrand des Rheinischen Schiefergebirges.

Im spätesten Viséum bzw. frühen Namurium bricht die sedimentäre Überlieferung im östlichen und zentralen Rheinischen Schiefergebirge ab; die Schichten wurden verfaltet und herausgehoben, während im nördlichen und westlichen Rheinischen Schiefergebirge eine monotone, fossilarme Fortsetzung der Sedimentation in Form der Hangenden Alaunschiefer (Eisenberg-Formation) zu beobachten ist, die sich im Namurium in die paralischen Sequenzen des Ruhrkarbons umformte.

Die Lithostratigraphie der Kulm-Sedimente des Rhenoherzynischen Beckens wurde inzwischen von KORN neu untergliedert (PDF, 100KB). Diese Untergliederung basiert auf dem Grundsatz, dass die drei höchstrangigen lithostratigraphischen Einheiten (Gruppen) sedimentäre Großzyklen reflektieren. Jede Gruppe beginnt mit einem Farbwechsel der Sedimente von grau nach schwarz. Die Untergliederung der Gruppen in Formationen und Subformationen orientiert sich ebenfalls an diesem Prinzip, eine Formation überspannt keinen der wichtigen Farbwechsel in der Sedimentation.

Entsprechend der eingeschränkten Vollständigkeit der sedimentären Abfolge ist bis heute im Unter-Karbon in Kulm-Fazies keine vollständige biostratigraphische Gliederung etabliert worden, entweder wegen unvollständiger Faunen- und Florenführung, unvollständiger Korrelationsmöglichkeiten oder auf Grund des generellen Fehlens von Biota. Lokale biostratigraphische Zonierungen des Kulms basieren auf der Abfolge von Goniatiten, Trilobiten, Radiolarien und Bivalven. Während Brachiopoden und Korallen, heute präzisiert und feiner untergliedert durch Foraminiferen, Conodonten und Mikroflora, die biostratigraphische Zonierung der Flachschelf-Fazies gewährleisten, ist eine Korrelation zwischen Kohlenkalk und Kulm auf Verzahnungsbereiche oder großräumige Karbonatturbidite, die vom Schelfrand stammen und sich über das Becken oder Teile davon ausgebreitet haben, beschränkt. Allerdings sind bis heute gravierende Probleme und Unsicherheiten bezüglich der Korrelationsmöglichkeiten geblieben.

Auf die Bedeutung globaler eustatischer Meeresspiegelschwankungen, die in devonischen bis permischen Plattform-Ablagerungen gut dokumentiert ist und die Versuche einer Übertragung auf das pelagische höhere Ober-Devon und die unterkarbonischen Kulm-Sequenzen des Rheinischen Schiefergebirges, ist in der Literatur schon hingewiesen worden. Im oberdevonischen Herzynischen Becken wurden Sedimentationswechsel zwischen reinen Rotschiefern und karbonatisch-pelitischen Wechselfolgen vermutlich durch Meeresspiegelschwankungen gesteuert. Die Transgression der Liegenden Alaunschiefer bezeichnete KREBS als den wohl bedeutendsten Meeresspiegelanstieg im Rhenoherzynischen Unter-Karbon, der auch in den NW-europäischen und polnischen Flachschelf-Regionen hinlänglich belegt ist und selbst in der Hörre-Zone (Gladenbach-Formation) als „transgressive systems tract/highstand systems tract“ belegt ist.

Vergleichbare lithofazielle Ausbildungen anderer unterkarbonischer Schichtglieder lassen sich in gleicher Richtung interpretieren, indem Schwarzschiefer-Horizonte im Unter-Karbon, wie Kieselige Übergangsschichten, Actinopterien-Schiefer und Hangende Alaunschiefer, sich als transgressive „deepening-events“ überraschend gut in die von ROSS & ROSS publizierte eustatische Kurve einhängen lassen. Die Kalkturbidite des Posidonienkalks und Rhenaer Kalks im oberen Viséum des östlichen Rheinischen Schiefergebirges scheinen deutlich mit Meeresspiegelhochständen verknüpft zu sein. Sie werden von kalkarmen Schichten unterteilt, welche Äquivalente der elegans- und spirale-Konglomerate sind. Diese grobklastischen Schüttungen bilden wichtige Leithorizonte im cu IIIß des Edersee-Gebietes. Sie können mit Meeresspiegeltiefständen korreliert werden, welche durch rückschreitende Erosion Canyon-Bildungen an den Schelfhängen verursachten.

Daher scheinen „eustatische Signale“ im Unter-Karbon des Rheinischen Schiefergebirges trotz der von Südosten herannahenden orogenen Front („tektonisches Signal Flysch“) wesentlich wichtiger zu sein als bisher erkannt. Den bislang noch vorhandenen Schwierigkeiten der biostratigraphischen Korrelation von Flachschelf-Zonierungen (vorwiegend Foraminiferen), auf die sich die karbonische Meeresspiegelkurve von ROSS & ROSS stützt, mit den auf Goniatiten, Conodonten, Radiolarien und Bivalven gestützen Kulm-Gliederung wird derzeit entgegen gearbeitet.

 

Die für diesen Beitrag relevante Literatur ist angeführt in: AMLER, M., HERBIG, H.-G., KORN, D. & PIECHA, M. (2004): Stratigraphie, Faziesentwicklung und Paläogeographie im Unter-Karbon (Mississippium) des östlichen Rheinischen Schiefergebirges (Deutschland). – Tagung der Subkommission für Karbon-Stratigraphie im DNK für die IUGS in Battenberg-Dodenau, 16. - 18. April 2004, Exkursionsführer; Marburg.

Mitarbeiter

M. Gereke, NN.

Vernetzung

u.a. Humboldt-Universität Berlin, Universität Köln, TU Clausthal, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover/Berlin, Naturalis Leiden, British Geological Survey, Geological Survey of Ireland, University of Leeds, Texas A & M University.

Präsentation von Ergebnissen

Tagungen in Berlin (1992) und Halle (1992).

Publikationen über das Forschungsprojekt

RATHMANN, S.D. & AMLER, M.R.W. (1992): Bivalven aus dem Unter-Karbon von Aprath (Wuppertal, Bergisches Land). – Geologica et Palaeontologica 26: 35–71, 3 Abb., 5 Tab., 6 Taf.; Marburg.

AMLER, M.R.W. & RATHMANN, S.D. (1992): Unterkarbonische Bivalven von Aprath (Wuppertal). – In: THOMAS, E. (Hrsg.): Oberdevon und Unterkarbon von Aprath im Bergischen Land (nördl. Rheinisches Schiefergebirge). – 269–293, 26 Abb., Taf. 6; Köln.

AMLER, M.R.W. (1992): Gastropoden aus dem Unterkarbon von Aprath (Wuppertal). – In: THOMAS, E. (Hrsg.): Oberdevon und Unterkarbon von Aprath im Bergischen Land (nördl. Rheinisches Schiefergebirge). – 362–391, 28 Abb.; Köln.

BENDER, P., HERBIG, H.-G., GURSKY, H.-J. & AMLER, M.R.W. (1993): Exkursionen A2 und B2: Beckensedimente im Oberdevon und Unterkarbon des östlichen Rheinischen Schiefergebirges – Fazies, Paläogeographie und Meeresspiegelschwankungen. – In: AMLER, M.R.W. & TIETZE, K.-W. (Hrsg.): Sediment '93 – Exkursionsführer zu Exkursionen A1–3 und B1–3: 15–41, 12 Abb.; Marburg.

AMLER, M.R.W. (1994): Die Gattung Streblochondria NEWELL 1938 (Bivalvia, Aviculopectinacea) im europäischen Karbon. – Archäologie im Ruhrgebiet 1994: 133–149, 25 Abb.; Gelsenkirchen.

AMLER, M.R.W. (1998): Early Carboniferous Bivalves of the Central European Culm Facies. – In: JOHNSTON, P.A. & HAGGART, J.W. (Hrsg.): Bivalves: An Eon of Evolution – Paleobiological Studies Honoring Norman D. Newell. – 51–67, 3 Abb., 2 Tab., 2 Taf.; Calgary (Univ. Calgary Press).

AMLER, M.R.W. & GEREKE, M. [Hrsg.](2002): Karbon-Korrelationstabelle (KKT) – Carboniferous Correlation Table (CCT). – Senckenbergiana lethaea 82 (2): 691–709, 32 Tab.-Spalten; Frankfurt/M.

AMLER, M.R.W. & GEREKE, M. [Hrsg.](2003): Karbon-Korrelationstabelle (KKT) – Carboniferous Correlation Table (CCT). – Senckenbergiana lethaea 83: 15 Tab.-Spalten; Frankfurt/M.

AMLER, M.[R.W.], HERBIG, H.-G., KORN, D. & PIECHA, M. (2004): Stratigraphie, Faziesentwicklung und Paläogeographie im Unter-Karbon (Mississippium) des östlichen Rheinischen Schiefergebirges (Deutschland). – Tagung der Subkommission für Karbon-Stratigraphie im DNK für die IUGS in Battenberg-Dodenau, 16. - 18. April 2004, Exkursionsführer; Marburg.

AMLER, M.R.W. (2004): Bivalve biostratigraphy of the Kulm Facies (Early Carboniferous, Mississippian) in central Europe. – Newsletters in Stratigraphy 40 (3): 183–207, 28 Abb.; Berlin, Stuttgart.

STOPPEL, D., KORN, D. & AMLER, M.R.W. (2006): Der Nord- und Nordostrand des Rheinischen Schiefergebirges und das zentrale Sauerland. – In: DEUTSCHE STRATIGRAPHISCHE KOMMISSION (Koord./Red.: M.R.W. AMLER & D. STOPPEL) (Hrsg.): Stratigraphie von Deutschland 6: Unterkarbon (Mississippium). – Schriftenreihe der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften 41: 330–357, 12 Abb.; Hannover.