Biostratigraphy and sedimentary sequences of the Toarcian Hainberg section (Northwestern Harz foreland, Northern Germany)

Abstract

A temporary outcrop in southern Lower Saxony permitted the sedimentological, geochemical and palaeontological investigation of a 40.8 m thick Toarcian section, from the top of the Amaltheenton Formation, through the Posidonienschiefer and Jurensismergel Formations, to lower parts of the Opalinuston Formation. Bed by bed collected ammonites and belemnites, bivalve associations, as well as data from neighbouring sections indicate a largely complete sequence of ammonite zones and subzones for the Lower Toarcian. A prominent stratigraphic gap at the Posidonienschiefer/Jurensismergel Formation boundary probably comprises the Semipolitum Subzone as well as the Variabilis and Thouarsense Zones. Above a condensed Dispansum Zone follows the higher Upper Toarcian with a presumably largely complete sequence of zones and subzones, although direct evidence for this is only sporadic. However, a thin condensed bed with stromatolite crusts is recognisable at the boundary Pseudoradiosa to Mactra/Aalensis Subzone. The Toarcian/Aalenian boundary can only be drawn on basis of belemnite finds at another thin condensed bed. Only a few metres above, the Opalinum Zone is evident by ammonite findings. Based on discontinuities, lithofacies, biofacies and correlations with neighbouring sections, a subdivision into alloformations, which largely correspond to formations, is applied. Based on that, a sequence stratigraphic interpretation with respect to third order transgression-regression cycles (T-R sequences) can be inferred: Above the regressive upper parts alloformation 1 (Amaltheenton Formation) with a maximum regression surface (mrs) near its top, the T-R sequence of the alloformation 2 (Posidonienschiefer Formation) is developed, with a maximum flooding surface (mfs) at the transition Falciferum/Commune Subzone and the regressive phase within the later Bifrons Zone. For the Commune Subzone, belemnite alignment indicates a seawater bottom current from SSE. The following maximum regression surface (mrs) lies near the Bifrons/Variabilis Zone boundary. The next sequence is not preserved at the studied location, but is preserved further East as well as further West, represented by the transgressive Dörnten Member (Variabilis and Thouarsense Zone). However, the regressive phase (Fallaciosum Subzone) is also missing there, indicated by a prominent sequence boundary with erosional relief at the base of the Dispansum Zone. The following alloformation 3 (Jurensismergel Formation and lowermost parts Opalinuston Formation) represents another T-R sequence with a maximum transgressive surface (base Mactra/Aalensis subzone) and a slightly thicker regressive Aalensis Subzone. The following maximum regression surface represents the boundary to alloformation 4 (major parts of Opalinuston Formation), followed again by a short transgressive phase (Pseudolotharingicum Subzone), condensation horizon and a longer regressive phase (Opalinum Zone). These sequence stratigraphic interpretations are largely consistent with previous investigations in Northern and Southern Germany. Minor deviations in the timely position of maximum flooding and regression surfaces likely reflect effects of a higher subsidence at variable sedimentation rate in the North German Basin. With respect to the, at the site of investigation, incompletely exposed Opalinuston Formation, further studies on complete drill core sections are required.

Ein temporärer Aufschluss im südlichen Niedersachsen ermöglichte die sedimentologische, geochemische und paläontologische Untersuchung eines 40.8 m mächtigen Toarcium-Profils, vom Top der Amaltheenton-, über die Posidonienschiefer- und Jurensismergel-, bis zum tieferen Teil der Opalinuston-Formation. Horizontierte Ammoniten- und Belemnitenfunde, Bivalvenassoziationen, sowie Daten aus benachbarten Profilen lassen für das Untere Toarcium eine weitgehend vollständige Abfolge von Ammoniten-Zonen und -Subzonen erkennen. Eine markante Schichtlücke an der Posidonienschiefer/Jurensismergel-Formationsgrenze umfasst wahrscheinlich die Semipolitum-Subzone sowie die Variabilis-und Thouarsense-Zone. Über einer kondensierten Dispansum-Zone folgt das höhere Ober-Toarcium mit einer vermutlich weitgehend vollständigen, allerdings nur punktuell direkt belegbaren, Zonen- und Subzonen-Abfolge. Eine dünne, stromatolithführende Kondensationslage ist nur für den Grenzbereich Pseudoradiosa- zu Mactra/Aalensis-Subzone erkennbar. Die Grenze Toarcium/Aalenium kann nur mittels Belemnitenfunden an einer weiteren dünnen Kondensationlage festgelegt werden. Erst wenige Meter darüber kann die Opalinum-Zone mittels schlecht erhaltener Ammoniten wahrscheinlich gemacht werden. Auf Grundlage von Diskontinuitäten, Lithofazies, Biofazies und Korrelationen mit Nachbarprofilen wird eine Unterteilung in Alloformationen, welche weitgehend den Formationen entsprechen, durchgeführt. Darauf aufbauend kann eine sequenzstratigraphische Interpretation bezüglich Transgressions-Regressions-Zyklen (T-R-Sequenzen) dritter Ordnung abgeleitet werden: Über dem regressiven höheren Teil der Alloformation 1 (Amaltheenton-Formation) mit einer maximalen Regressionsfläche (mrs) nahe seinem Top ist die T-R-Sequenz der Alloformation 2 (Posidonienschiefer Formation) entwickelt, mit einer maximalen Überflutungsfläche (mfs) am Übergang Falciferum/Commune-Subzone und nachfolgender regressiver Phase innerhalb der höheren Bifrons-Zone. Für die Commune-Subzone belegen eingeregelte Belemniten eine grundberührende Strömung aus südsüdwestlicher Richtung. Die nachfolgende maximale Regressionsfläche (mrs) liegt im Bereich der Bifrons/Variabilis-Zonengrenze. Die nächste Sequenz ist am untersuchten Profil nicht überliefert. Sie ist dagegen weiter östlich wie auch weiter westlich mit der transgressiven Dörnten-Subformation (Variabilis- und Thouarsense-Zone) erhalten geblieben. Die regressive Phase (Fallaciosum-Subzone) fehlt allerdings auch dort, angezeigt durch eine markante Sequenzgrenze mit Erosionsrelief an der Basis der Dispansum-Zone. Die Alloformation 3 (Jurensismergel- und tiefste Teile der Opalinuston-Formation) repräsentiert eine weitere T-R-Sequenz mit maximaler Überflutungsfläche (Basis Mactra/Aalensis-Subzone) und einer etwas längeren regressive Phase (Aalensis-Subzone). Die folgende maximale Regressionsfläche stellt die Grenze zur Alloformation 4 (Hauptteil der Opalinuston-Formation) dar, nachfolgend wieder mit kürzerer transgressiver Phase (Pseudolotharingicum-Subzone), Kondensationshorizont und längerer regressiver Phase (Opalinum-Zone). Diese sequenzstratigraphischen Interpretationen stehen weitgehend in Einklang mit bisherigen Untersuchungen aus Nord- und Süddeutschland. Marginale zeitliche Abweichungen von maximalen Transgressions- oder Regressionsflächen spiegeln wahrscheinlich Effekte durch höhere Subsidenz bei variablen Sedimentationsraten im norddeutschen Becken wider. Für die am Untersuchungsort nur lückenhaft aufgeschlossene Opalinuston-Formation bedarf es weiterer Untersuchungen an vollständigen Kernprofilen.