Données géochronométriques et paléomagnétiques sur l'extension du volcanisme du Hegau en Suisse (Ramsen, Schaffhouse)

Article

Reference

Données géochronométriques et paléomagnétiques sur l'extension du volcanisme du Hegau en Suisse (Ramsen, Schaffhouse)

WAGNER, Jean-Jacques, DELALOYE, Michel, HEDLEY, Ian George

Abstract

L'âge K-Ar et le paléomagnétisme des néphélinites à olivine du Hegau s.l. (Höwenegg, Hohenstoffeln-Riedheim et Ramsen) reposent le problème des corrélations géologiques dans cette région. Les âges mesurés semblent indiquer une migration du phénomène volcanique du sud vers le nord du Hegau. La présence d'argon hérité n'est cependant pas exclue dans les dykes du sud. Le paléomagnétisme de ces basaltes correspond à un champ géomagnétique normal conforme à la stratigraphie magnétique du Miocène. Les positions des deux pôles virtuels calculés sont 78° N 74° E pour 9,7 m.a. (Höwenegg) et 84° N 105° E pour 16,0 m.a. (Hohenstoffeln-Riedheim).

WAGNER, Jean-Jacques, DELALOYE, Michel, HEDLEY, Ian George. Données

géochronométriques et paléomagnétiques sur l'extension du volcanisme du Hegau en Suisse (Ramsen, Schaffhouse). Compte rendu des séances de la Société de physique et d'histoire naturelle de Genève , 1975, vol. N.S., vol. 10, no. 1, p. 46-57

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:152031

Disclaimer: layout of this document may differ from the published version.

1 / 1

C. R. des Séances, SPHN Genève, NS Vol. 10 1 Fasc. 1 1 pp. 46-57 / 1975

J.-J. WAGNER, M. DELALOYE et 1. HEDLEY

^{1• -}

Données géochrono- métriques et paléomagnétiques sur l'extension du volcanisme du Hegau en Suisse (Ramsen, Schaffhouse).

RÉSUMÉ

L'âge K-Ar et le paléomagnétisme des néphélinites à olivine du Hegau s.l. (Hêiwenegg, Hohen- stoffeln-Riedheim et Ramsen) reposent le problème des corrélations géologiques dans cette région.

Les âges mesurés semblent indiquer une migration du phénomène volcanique du sud vers le nord du Hegau. La présence d'argon hérité n'est cependant pas exclue dans les dykes du sud.

Le paléomagnétisme de ces basaltes correspond à un champ géomagnétique normal conforme à la stratigraphie magnétique du Miocène. Les positions des deux pôles virtuels calculés sont 78° N 74° E pour 9,7 m.a. (Hêiwenegg) et 84° N 105° E pour 16,0 m.a. (Hohenstoffeln-Riedheim).

ABSTRACT

K-Ar dating and the paleomagnetism of some olivine nephelinites from the Hegau (Hêiwenegg, Hohenstoffeln-Riedheim, Ramsen) raise the problem of geological correlation in this region. The measured ages show a progressive northwards migration of the volcanism. However, the presence of inherited argon is not ruled out in the case of the southem dykes.

1 Département de minéralogie, Université de Genève.

The paleomagnetism of the basalts indicates a normal geomagnetic field at the time of their cooling and fits in with the established Miocene magnetic stratigraphy. The position of the two virtual paleo-poles calculated are 75° N 74° E for 9. 7 m.y. (Howenegg) and 84° N 105° E for 16.0 m.y.

(Hohenstoffeln-R iedheim).

1.

INTRODUCTION

Le Hegau, situé près de la frontière germano-suisse au NE du canton de Schaff- house, a été le théâtre de manifestations volcaniques durant

le

Néogène. Ce volcanisme s'est aussi manifesté en Suisse dans la région de Ramsen-Hemishofen au NW de Stein am Rhein.

On distingue divers épisodes volcaniques qui se sont traduits soit par le dépôt de tufs soit par l'édification d'appareils volcaniques (WEISKIRCHNER, 1972).

Dans

le

cadre de notre étude géochro- nométrique et paléomagnétique, nous nous sommes tout particulièrement intéressés à l'épisode du volcanisme basaltique que l'on trouve entre autre sous forme d'un dyke à Ramsen (HOFMANN, 1956). Pour mieux inté- grer les résultats de Ramsen, nous avons aussi étudié un autre dyke au sud de Hohenstoffeln

à

Riedheim (HOFMANN, 1964) et le volcan du Howenegg (ScHREINER, 1963) (fig. 1 ).

FIG. 1.

Situation des affieurements échantillonnés.

I Basalte- (néphélinitel

2. PÉTROGRAPHIE ET GÉOCHIMIE

HE GAU

O km 5

L'observation microscopique montre pour les trois affleurements les caracté- tistiques d'une néphélinite à olivine. Les dykes ont subi une zéolitisation (analcime) et une calcitisation.

Description microscopique Howenegg

(appareil volcanique)

Phénocristaux:

Olivine - Forme de grands phénocristaux idiomorphes à hypidiomorphes.

Par endroit, dans ses fractures, pénétration de la pâte de la roche. On y note aussi la présence de calcite.

Augite titanifère - Idiomorphe.

48 SÉANCE DU 6 MARS 1975

Pâte:

Formée de petites baguettes d'augite titanifère, de néphéline, d'un peu de calcite. Présence de biotite. La magnétite idiomorphe est très abondante, il y a également de petites baguettes d'apatite.

Hohenstoffeln-Riedheim

(dyke) Phénocristaux:

Olivine - Idiomorphe à hypidomorphe. Par endroit assez fortement trans- formée en minéraux talqueux-serpentineux.

Augite titanifère - ldiomorphe.

Pâte:

Très fine, formée de baguettes d'augite titanifère, de néphéline. Très riche en calcite. Présence de biotite. Abondance de magnétite. Par endroit trans- formation de la néphéline en analcime.

Ramsen

(dyke) Phénocristaux:

Calcitisés et partiellement transformés en talc.

Pâte:

Augite titanifère, calcite. Abondance de magnétite. La néphéline se trouve sous forme de reliques. La calcite et l'analcime rendent difficile l'observation de ces reliques.

On remarque que le dyke de Ramsen présente une calcitisation et une zéolitisation plus poussée que le dyke de Hohenstoffeln-Riedheim.

Le résultat des analyses chimiques, les normes CIPW et les paramètres de Niggli sont données dans le tableau 1. Si l'on classe ces roches d'après le diagramme alcalis- silice, elles se placent dans la région des néphélinites calciques

à

olivine et des méli- litites à olivine (COOMBS et WILKINSON, 1969).

3. ÜÉOCHRONOMÉTRIE

Les échantillons décrits ont été datés par la méthode du K-Ar (DELALOYE et WAGNER, 1974). Les résultats pour la roche totale sont:

Localités %K %A

₀

rrad

4o

Age (m.a.)

Hôwenegg (partie sup.) 1,37 42,4 9,1 ± ^0,1

Hôwenegg (partie inf.) 1,82 27,7 10,3 ± 0,4

Hohenstoffeln-Riedheim 1,31 22,1 16,0 ± ^0,8

Ramsen 1,49 12,9 22,0 ± ^1,0

TABLEAU 1

Analyses des éléments majeurs, normes CIPW et paramètres de Niggli Analyse•

1 ¹ 1 ²

l

³

l

Si02 39.62 41.20 40.49

Ti02 2.48 2.54 2.21

Al20³ 10.79 11.48 10.15

Fe203 5.18 4.28 5.24

FeO 4.84 5.79 4.54

MnO 0.17 0.18 0.16

MgO 13.78 13.25 13.84

Cao 14.14 14.06 14.84

Na20 2.12 2.76 2.32

K 20 1.65 2.19 1.58

PzO• 0.88 0.86 0.80

H 20 3.03 1.26 2.25

C02 1.81 0.23 2.26

Total 100.49 100.08 100.68

Normes CIPW

or 9.62

-

^9.33

ab

-

^{- 1.32}

an 15.06 12.47 12.62

ne 9.71 12.65 9.91

Le 0.10 10.15 -

wo) 15.82 17.12 17.32

en di 13.43 13.77 14.76

Fs 0.32 1.35 0.28

ak - 2.85 -

Fo} ol 14.63 13.47 13.81

Fa 0.39 1.46 0.29

mt 7.51 6.21 7.60

il 4.71 4.82 4.20

ap 2.09 2.04 1.90

cc 4.12 0.52 5.14

autre 3.03 1.26 2.25

Paramètres de Niggli

-

al 11.94 12.56 11.15

fm 53.76 51.91 53.13

c 28.45 27.97 29.64

lllk 5.84 7.56 6.07

si 74.45 76.52 75.52

k 0.34 0.34 0.31

mg 0.72 0.71 0.72

~

• 1. Howenegg: cheminée volcanique partie supérieure.

2. Howenegg: cheminée volcanique partie inférieure. 3. Ilohenstoffeln: dyke près de Riedheim.

4. Ramsen: dyke.

4 35.69

2.05 9.96 5.38 4.29 0.16 8.73 19.16 1.85 1.80 0.78 2.42 8.27 100.54

10.63 10.85 13.56 2.60 10.07 - 8.60 0.14

-

9.21 0.16 7.80 3.89 1.85 18.81 2.42

11.71 41.46 40.96 5.87 71.24 0.39 0.63

50 SÉANCE DU 6 MARS 1975

Ces âges ainsi que ceux publiés par d'autres auteurs (LIPPOLT et al. 1963, WEISKIRCHNER, 1967, 1972, HORN et al., 1972) sont présentés sur la figure 2. L'échelle chronologique utilisée est celle de ST. JOHN LAMBERT (1971).

EPOQUE (Berggren

1969}

T AGES K-Ar STRATl-1POL

m.a. ., . GRAPHIE

Publies Jusqu'en 1972 Présent arr l MAGNET ECHI REMARQUES

PLIOCENE

i---1 5,5

MIOCENE SUP.

i---1

1 0

MIOCENE MOY.

~----114

MIOCENE INF.

1 - - - 1 22,5 OLIGOCENE

SUP.

ice IQUE

!

Phonolite du nord

!

Phonolite du sud

f

Néphélinite

[Roche ^to~ale, Néphélinite

1

I

!Wartenbergl

r l

ITufs

à

hornblende

L!

^Hëwenegg

I

Néphélinite

I

I!Hëwenegg}

I

Bentonite sup.

( Hohenstoffelnl

T

!

^r

I

Hohenstoffeln

"Nappe de tuf" 1-lRiedheim

l

I

^Ramsen

X 1 XX

N

^LFaune

à

HIPPARION, Hëwenegg

N

x D'après HEIRTZLER et al. 1968

xx BLAKELY 1974

FIG. 2. - Echelle chronologique du volcanisme du Hegau.

Discussion

Les âges que nous avons mesurés sont de plus en plus anciens en direction du sud; on passe de 9,7 m.a. (val. moyenne) au Hôwenegg à 16,0 m.a. au dyke de Hohenstoffeln-Riedheim pour atteindre 22,2 m.a. à Ramsen. Cette évolution semble remettre en question certaines corrélations latérales dans la molasse d'eau douce supérieure (Obere Süsswassermolasse). Nous ne pouvons cependant pas exclure la possibilité d'un vieillissement des âges K-Ar, dans les néphélinites de Ramsen et de Hohenstoffeln-Riedheim, par la présence d'argon hérité.

L'âge moyen déterminé sur la néphélinite à olivine du Hôwenegg (9,7 m.a.) est un peu plus jeune que celui publié par WEISKIRCHNER (1972). La valeur que nous obtenons est voisine de celle donnée par les tufs à hornblende (WEISKIRCHNER, 1972) et par les couches du Hôwenegg (« Hôweneggschichten », SCHREINER, 1963). Ces couches ont un intérêt particulier car elles contiennent le mammifère fossile caracté- ristique Hipparion (TOBIEN, 1957). Sur la base des âges cités, on peut suggérer une quasi-contemporanéité entre les tufs à hornblende et le volcanisme à néphélinite.

Citons aussi la discussion sur l'âge d'Hipparion du Hôwenegg (BERGGREN et VAN CouvERING, 1974) « Evidently there is a growing reason to doubt the 12.5 m.y.

age given to the Hipparium Datum, and it may move up to 1 m.y. younger to con- form with the Anatolian and the East African evidence and to marine and inter- continental correlation as well ». Les âges absolus que nous avons trouvés pour le Hôwenegg semblent corroborer la remarque ci-dessus.

4. PALÉOMAGNÉTISME

La direction et l'intensité de l'aimantation rémanente naturelle (A.R.N.) a été mesurée à l'aide d'un magnétomètre rotatif à induction (FORSTER, 1966). Chaque échantillon a été désaimanté dans un champ magnétique alternatif (CREER, 1959) afin d'isoler l'aimantation rémanente primaire appelée, pour des laves n'ayant pas subi de métamorphisme, aimantation thermorémanente (ATR). Cette dernière permet d'obtenir la direction du champ magnétique ancien.

Aimantation rémanente naturelle (tableau 2)

Les directions de cette aimantation sont relativement bien groupées pour les sites 2 et 3. Au contraire, pour le site 1 (Ramsen), on note une mauvaise cohésion qui pourrait être en relation avec l'altération de la partie visible du dyke.

Désaimantation en champ magnétique alternatif

Par site, un échantillon pilote a été désaimanté progressivement. La figure 3

montre les changements dans la direction d'aimantation. Les deux échantillons de

UI N TABLEAU 2

A.R.N. des néphélinites du Hegau s.l.

Site Localité No éch. Nb. spec. Déci. Incl. R I! 96 K DSC ESC JARN • 10-3

(Gauss)

Ramsen 1- 2 6 196,3 15.1 5,9231 8,4 65,l 9,2 3,8 10,78

3 3 192,2 30,0 2,9638 16,7 55,3 8,9 5,1 8,16

4 2 207,8 57,2 1,9978 11,6 2,7 1,9 5,96

5 2 198,4 15,8 1,9968 14,4 3,3 2,3 7,45

6 1 211,5 31,4 6,07

7 1 214,5 4,0 7,45

8 3 200,5 14,5 2,9985 3,3 1370,8 1,8 1,0 7,22

"'

9-10 4 212,8 13,0 3,9533 11,6 64,2 8,8 4,4 8,82 ^1'!1->

z _n

Val. moyenne 22 202,0 20,8 21,0866 6,6 23,0 16,6 3,5 7,62

"'

₀

2 Hohenstoffeln 1 8 9,2 67,4 7,9861 2,5 502,6 3,4 1,2 4,43

c::

Riedheim 2 18 13,9 61,8 17,8547 3,3 110,2 7,5 1,8 3,01 O'I _~

>

2 Val. moyenne 26 12,6 63,6 25,8017 2,5 126,l 7,1 1,4 3,65

"'

^:;<j _...

3 Hèiwenegg 4 11 20,2 66,2 10,8313 6,0 59,3 10,1 3,0 2,53 ^{\0 -i}

5 16 39,2 65,6 15,2659 8,4 20,4 17,4 4,4 2,07 ^UI

6 4 38,0 78,0 3,9756 8,3 122,8 6,3 3,2 1,40

7 15 10,5 60,4 14,9385 2,5 227,5 5,2 1,3 3,31

3 Val. moyenne 46 23,7 65,3 44,7151 3,6 35,0 13,6 2,0 2,22

Déci. : Déclinaison de l'aimantation rémanente en degrés Incl. : Inc1inaison de l'aimantation rémanente en degrés R : Résultante des vecteurs individuels normalisés

1!95 : Demi-angle du cône de confiance pour une probabilité P = 0,95 K : Paramètre de précision (FISHER, 1953)

DSC : Déviation standard circulaire ESC : Erreur standard circulaire

JARN : Intensité de l'aimantation rémanente naturelle (Moyenne géométrique)

néphélinite de Ramsen exhibent de fortes variations avec cependant une stabilité relative pour une direction moyenne ayant une déclinaison D

=

182° et une incli- naison 1 = 85°. En comparaison, l'échantillon du Howenegg présente une meilleure stabilité.

Les courbes de désaimantation de l'intensité de l'ARN (fig. 4) reflètent le comportement des directions d'aimantation (fig. 3).

N

RAM SEN

\

• R 3/1 .. R 9/2

•

1 1 1 1 1 1

-iE

s

N

HOWENEGG

-

_12.2.04)

-

=1

- 0

1

+

^{61 1 1 1 1 1}

-

N

_ HOHENSTOFFELN, Riedheim. 12.1.01)

"1)~

- 8

1

+

^{1 ' 1 '}

1

FIG. 3. - Evolution de l'aimantation rémanente en fonction de la désaimantation en champ magnétique alternatif de néphélinites du Hegau.

1

JE

E

On y voit en effet que la néphélinite de Ramsen perd la moitié de son aimantation initiale dans un champ démagnétisant inférieur à 50 Oe, alors que la néphélinite du Howenegg demande pour la même diminution de l'intensité d'aimantation un champ de l'ordre de 180 Oe. L'A.R. du Howenegg est de meilleure qualité.

Résultats paléomagnétiques

(tableau 3)

L'A.R. des trois sites a savoir Ramsen, Hohenstotrel-Riedheim et Hëwenegg

est de polarité normale. Les âges K-Ar mesurés pour les mêmes échantillons permettent

54 SÉANCE DU 6 MARS 1975

de nous situer sur l'échelle des inversions de polarité pour le Miocène. Une telle échelle (fig. 2) a été établie sur la base des linéations magnétiques reconnues sur le fond des océans par HEIRTZLER et al. (1968). La partie centrale de cette échelle a été revisée par BLAKELY (1974). La fréquence des inversions de polarité étant élevée, il n'est pas réellement possible de se raccorder à une polarité normale particulière.

JZJo

1,0

0,5

0 _{100 200 300 400} Hf "' ^Oe]

FIG. 4. - Courbes de désaimantation en champ magnétique alternatif de néphélinites du Hegau.

Le tableau 3 donne les coordonnées géographiques des paléo-pôles virtuels calculés pour chaque site. Si ceux de Howenegg et de Hohenstoffeln-Riedheim sont localisés à proximité de ceux cités par McELHINNY (1973), Ramsen présente en revanche une position tout

à

fait anormale. Cette dernière peut s'expliquer par la mauvaise stabilité de l'aimantation rémanente, l'affleurement présentant un degré d'altération non négligeable. L'action des grandes failles que l'on trouve dans la région a vraisemblablement aussi influencé la position des paléo-pôles.

Signalons encore que la direction d' A.R.N. de nos échantillons du Howenegg

est corroborée par celle publiée par NAIRN et al. (1973) sur le même appareils vol-

canique tandis que les résultats publiés par MA.ussNEST (1968) sur le Hegau ne sont

pas en accord avec les nôtres.

Site Localité Nb. éch. Nb. spc. Déci. Incl. a 95 K Hdés. Pôle lat. Pôle long. dp dm

"'

^tn-_>

182,1 84,8 4,4 137,2 100 SE

z

Ramsen 9 9 37 N 5 4 ^("l _tn

2 Hohenstoffeln 2 4 8,8 64,8 3,4 724,6 166 84 N 105 E 7 ~ c:::

Riedheim

°' _:s:

>

3 Howenegg 3 4 18,1 68,4 5,4 287,5 133 78 N 74 10 3

" ^"' -

^\0

«95, K, : Voir légende tableau 2. ^-.J _VI

Hdés. : Valeur du champ alternatif démagnétisant en Oersteds.

Pôle lat. : Latitude du pôle géomagnétique virtuel en degrés.

Pôle long: Longitude du pôle géomagnétique virtuel en degrés.

dp : Demi-axe de l'ovale de confiance, le Jons du grand cercle passant par le site (Probabilité 0 = 0,95).

dm : Demi·axe de l'ovale de confinncc perpendiculaire à dp.

56 SÉANCE DU 6 MARS 1975

5.

CONCLUSION

Cette note de recherche sur l'âge et le paléomagnétisme des néphélinites à olivine du Hegau s.l. repose le problème des corrélations géologiques dans cette région. Les âges K-Ar semblent indiquer une migration du phénomène volcanique du sud vers le nord du Hegau. Nous n'excluons cependant pas la présence d'argon hérité dans les dykes du sud. Le paléomagnétisme de ces roches correspond à un champ magnétique normal conforme à la stratigraphie magnétique du Miocène. La position de deux paléo-pôles virtuels a été calculée (Hohenstoffeln-Riedheim, Howenegg).

REMERCIEMENTS

Nos remerciements vont à M. H. Sarp, ingénieur-géologue, pour les détermi- nations microscopiques. Cette étude a pu être réalisée grâce aux équipements acquis avec l'aide du Fonds national suisse de la recherche scientifique.

BIBLIOGRAPHIE

BERGGREN, W. A. and J. A. VAN CoUVERING (1974). The late neogene: Biostratigraphy, geochronology and paleoclimatology of the last 15 million years in marine and continental sequences:

Paleogeogr., Paleoclimatol., Paleoecol., 16, pp. 1-126.

BLAKELY, J. R. (1974). Geomagnetic reversais and crustal spreading rates during the miocene: J.

Geophys. Res., 79, 20, pp. 2979-2985.

CooMBS, D. S. and J. F. G. WILKINSON (1969). Lineage and fractionation trends in undersaturated volcanic rocks from East Otago volcanic province (New Zealand): J. Petrol., JO, pp. 440-501.

CREER, K. M. (1959). A.C. demagnetization of unstable Triassic Keuper maris from S.W. England:

Geophys. J. Roy. Astr. Soc., 2, pp. 261-275.

DELALOYE, M. and J. J. WAGNER (1974). Potassium-Argon dating: an automatic equipment with digital output for computer processing: C.R. Soc. Hist. Nat. Genève, 9, pp. 66-74.

FISHER, R. A. (1953). Dispersion on a sphere: Proc. R. Soc. London, A, 217, pp. 295-305.

FORSTER, J. H. (1966). A paleomagnetic spinner magnetometer using a fluxgate gradiometer: Earth Planet Sei. Lett., 1, pp. 463-466.

HEIRTZLER, J. M., G. O. DICKSON, E. M. HERRON, W. C. PITMAN III and X. LE PICHON (1968).

Marine magnetic anomalies, Geomagnetic field reversais, and motions of the ocean fioor and continents: J. Geophys. Res., 73, pp. 2119-2136.

HoFMANN, F. (1956). Die vulkanischen Erscheinungen auf schweizerischem Gebiet n6rdlich des Rheins in der Gegend von Ramsen (Kanton Schaffhausen): Eclogae geol. Helv., 49, pp. 85-96.

- - (1964). Bericht über die Exkursion der Schweiz. Mineralogischen und Petrographischen Gese!lschaft in den Hegau: Schweiz. Min. Petr. Mitt., 45, pp. 20-33.

HORN, P., H. J. LIPPOLT und W. TODT (1972). Kalium-Argon-Altersbestimmungen an tertiaren Vulkaniten des Oberrheingrabens. 1. Gesamtgesteinalter: Eclogae geol. Helv., 65, pp. 131-156.

LAMBERT, R. St. J. (1971). The pre-Pleistocene Phanerozoic time-scale-further data: In part 1 of the Phanerozoic Time-scale-a supplement. Special Publication of the Geol. Soc. London, No. 5, pp. 33-37.

LIPPOLT, H. J., W. GENTNER und W. WIMMENAUER (1963). Altersbestimmungen nach Kalium-Argon- Methode an tertiaren Eruptivgesteinen Südwest-deutschlands: Jh. geol. Landesamt, Baden- Württemberg, 6, pp. 507-538.

Mii.uSSNEST, O. (1968). Magnetische Untersuchungen an Vulkaniten des ntirdlichen Hegaus: Jber.

u. Mitt. oberrh. geol. Ver., N.F. 50, pp. 71-80.

McEunNNY, M. W. (1973). Paleomagnetism and plate tectonics: Cambridge Earth Science Series, Cambridge University Press, 358 p.

NAIRN, A. E. M. and J. NEGENDANK (1973). Paleomagnetic Investigations ofTertiary and Quaternary lgeous Rocks: VU The Tertiary Rocks ofSouthwest Germany: Geol. Rdsch. 62, 1, pp. 126-137.

ScHREINER, A. (1963). Geologische Untersuchungen am Howenegg/Hegau. Jh. geo/. Landesamt, Freiburg i. Br., 6, pp. 395-420.

TOBIEN, H. (1957). Die Bedeutung der unterpliozane Fossilfundstatte Howenegg für die Geologie des Hegaus: Jh. geol. Landesamt, Baden-Württemberg, 2, pp. 193-208.

WEISKIRCHNER, W. (1967). Bemerkungen zum Hegau-Vulkanismus: Abh. geol. Landesamt, Baden- Württemberg, 6, pp. 129-131.

- - (1972). Einführung zur Exkursion in den Hegau: Fortschr. Miner., 50, pp. 70-84.