The stratigraphy, sedimentology, and age of the Late Palaeozoic Mesosaurus Inland Sea, SW-Gondwana : new implications from studies on sediments and altered pyroclastic layers of the Dwyka and Ecca Group (lower Karoo Supergroup) in southern Namibia

Während des Spätpaläozoikums waren riesige Areale (~5 Mio km2) Südwest-Gondwanas vom Mesosaurus Inlandmeer bedeckt. Die Karoo Becken Südwest-Afrikas sowie das Paraná Becken Südamerikas stellen dabei die Hauptablagerungsbereiche dar. Diese Gebiete waren vor dem Auseinanderbrechen Gondwanas und der darauf folgenden Öffnung des Südatlantiks miteinander verbunden. In Namibia und Südafrika sind die Ablagerungen des Mesosaurus Inlandmeeres in den Abfolgen der glazialen Dwyka Gruppe und der postglazialen Ecca Gruppe überliefert. Diese Sedimente umfassen den größten Teil eines etwa 60-70 Ma langen Ablagerungszyklus. Der transgressive Teil dieses Zyklus begann im späten Karbon mit der Ablagerung von kontinentalen Glazialsedimenten, auf die marine Glazial- und Post-Glazialablagerungen des Mesosaurus Inlandmeeres folgten. Während des frühen Perms erreichte dieses Inlandmeer seine größte Ausdehnung. Der regressive Teil ist durch Abfolgen gekennzeichnet, die von Tiefsee-Peliten und Turbiditen zu Küsten- und Delta-Sandsteinen reichen, welche in einem brackischem Milieu abgelagert wurden. Auf die Flachwasser-Sedimente dieses Inlandmeeres folgen fluvial-lakustrine Ablagerungen, die in die Beaufort Gruppe gestellt werden und die den oberen Teil des Ablagerungszyklus bilden. Diese Wechsel in den Ablagerungsmilieus von Salzwasser über Brackwasser zu Süßwasser spiegeln sich auch in den Fossilfunden wider. Zur Zeit der Dwyka konnten marine Vertreter der Gondwana-Faunenprovinz Teile des Mesosaurus Inlandmeeres besiedeln. Später, während der frühen Ecca-Zeit, konnten die marinen Bedingungen aufgrund der stark eingeschränkten Verbindung zum Panthalassischen Ozean nicht aufrecht erhalten werden, was schließlich zu einem ausgeprägten Faunen-Endemismus in einem nahezu abgeschnittenen Brackwasser-Inlandmeer führte. Die bekanntesten Vertreter dieser endemischen Fauna sind mesosauride Wirbeltiere und megadesmide Muscheln. In der Dwyka und Ecca Gruppe treten im südlichen Namibia zahlreiche alterierte Tuffe als Zwischenlagen auf. Die überwiegende Anzahl dieser Tuffe bilden tonmineralreiche, bentonitische Lagen. Sie können sowohl weich und bröckelig als auch stärker verfestigt und härter ausgebildet sein. Ein viel seltenerer Typ ist durch harte, chert-artige, albitische Tufflagen gekennzeichnet. Desweiteren treten in der Gai-As Formation des Huab Gebietes porzellanartige, weiße Tufflagen auf, die reich an Kalifeldspat sind. Die diagenetisch veränderte Matrix der Tuffe ist hauptsächlich krypto- bis mikrokristallin. Polierte Handstücke lassen in einigen Fällen Horizontal-Schichtung oder eine oft undeutliche Lamination erkennen. Die Sedimentgefüge der Tuffe lassen darauf schliessen, daß diese hauptsächlich subaquatische Suspensionsablagerungen distalen Aschenfalls darstellen. Einige wenige können auch unter dem Einfluss schwacher Bodenströmungen ab- oder umgelagert worden sein. Quarz-, Plagioklas- und Biotitkristalle bilden den Hauptteil der primären, pyroklastischen Makrokomponenten der Tuffe. In einigen Dünnschliffen konnten auch Pseudomorphosen nach Pyroxen oder Hornblende beobachtet werden. Idiomorphe Zirkon- und Apatitkristalle wurden in nahezu jedem Tuff beobachtet. Glasige oder entglaste Makrokomponenten sind dagegen sehr selten. Die Matrix der meisten untersuchten Tuffe ist überwiegend aus Tonmineralen aufgebaut. Ursprünglich setzte sich die Matrix der Tuffe jedoch wahrscheinlich aus feinkörnigen, glasigen Aschenpartikeln zusammen, die schon bald nach Ablagerung diagenetisch zu smektitischen Tonmineralen umgewandelt wurden. Zu einem späteren Zeitpunkt wurde dann Smektit zunehmend von Illit unter höhergradigen Bedingungen verdrängt. Heute ist die Matrix der bentonitischen Tuffe stark Illit-dominiert und nur in den weicheren Tufflagen lassen sich noch geringe Smektitgehalte nachweisen. Sowohl die primär-pyroklastischen Makrokristallkomponenten als auch die Geochemie der alterierten Tuffe weisen darauf hin, daß ihre Ursprungsmagmen hauptsächlich von intermediärer Zusammensetzung waren. Das zahlreiche Auftreten von splittrigen Quarz- und Feldspat-Kristallfragmenten weist auf einen hochexplosiven, plinianischen oder phreatoplinianischen Eruptionsstil der Herkunftsvulkane hin, die höchstwahrscheinlich in einer vulkanischen Bogenregion am Südrand Gondwanas gelegen waren. Neue U-Pb Einzelzirkon SHRIMP-Datierungen von vulkanischen Aschenlagen ermöglichen nun eine wesentlich verlässlichere Alterskontrolle der untersuchten Sedimentabfolge. U-Pb SHRIMP-Alter für Tufflagen aus der glazialgeprägten Dwyka Gruppe aus Südnamibia und SW-Südafrika reichen von 302.0 ± 3.0 to 297.1 ± 1.8 Ma. Der Basalbereich der früh-postglazialen Prince Albert Formation ist auf etwa 290 Ma datiert. SHRIMP-Alter von Tufflagen im oberen Bereich der Prince Albert Formation, innerhalb der Whitehill Formation und im mittleren Teil der Collingham Formation belegen, daß das Mesosaurus Inlandmeer seine größte Ausdehnung vor etwa 280 Ma erreichte.

The Mesosaurus Inland Sea covered, in the Late Paleozoic, vast areas (~5 Mio km2) of the SW-Gondwanan continental interior. Major depocentres are represented by the Karoo basins of SW-Africa and the Paraná Basin in South America. These areas were interconnected prior to the break-up of Gondwana and the subsequent opening of the South Atlantic Ocean.In Namibia and South Africa deposits of the Mesosaurus Inland Sea are preserved in the successions of the glacial Dwyka Group and the postglacial Ecca Group (Karoo Supergroup). These deposits comprise the major part of a 60-70 Ma depositional cycle and are the main focus of this study. The large-scale transgressive part of this cycle started in the Late Carboniferous with continental glacial deposits followed by marine glacial and postglacial inland sea deposits. During the Early Permian the Mesosaurus Inland Sea reached its greatest extent, which was accompanied by widespread deposition of Corg-rich sediments. The large scale regressive part is recorded by successions ranging from deep water offshore pelites and turbidite sandstones to shallow water shoreface and deltaic sandstones, deposited in a brackish environment. Shallow water inland sea sediments are in turn overlain by fluvio-lacustrine deposits, which are assigned to the Beaufort Group and form the upper part of the cycle. This successive change in the depositional environment from marine to brackish to freshwater is also reflected in the fossil record. During Dwyka times a marine association of the Gondwana faunal province was able to colonize parts of the Mesosaurus Inland Sea. Later, during lower Ecca times, the connection to the Panthalassan Ocean became insufficient to retain normal marine conditions, leading to strong faunal endemism in an isolated and brackish inland sea environ¬ment. The most well-known and widespread representatives of this endemic fauna are mesosaurid vertebrates and megadesmid bivalves.Numerous altered tuffs occur as interlayers within argillaceous sediments of the Dwyka and Ecca Group of southern Namibia. The vast majority of these altered tuffs are represented by soft and crumbly to hard and indurated, clay-mineral-rich, bentonitic layers. Another, much rarer type is represented by very hard, chert-like tuff layers, which are predominantly albitic in composition. Furthermore, tuff layers within the Gai-As Formation of the Huab area are rich in potassium feldspar and have a porcelain-like appearance. The diagenetically modified matrix is mainly crypto- to microcrystalline. Polished tuff specimen show, in some tuffs, plane lamination or bedding with two or more subunits forming a tuff layer. Some display a weakly developed lamination. Only in very rare cases were structures reminiscent of sedimentary micro-cross lamination observed. The sedimentary textures and structures of the tuffs indicate that they have been deposited mainly as distal ash-fall layers by suspension settling in water. Some may have also been deposited or modified under the influence of weak bottom currents. The primary, pyroclastic macro-components of the tuffs are mainly represented by crystals of quartz, plagio¬clase, and biotite. In some thin sections pseudo¬morphs after pyroxene or hornblende were observed. Euhedral zircon and apatite crystals were observed in almost every tuff. Vitric or formerly vitric macro-components are very rare. The matrix of the majority of the investigated tuffs is predominantly composed of clay minerals. However, the matrix of the tuffs originally consisted most probably of fine vitric ash particles. Soon after deposition the volcanic ash was diagenetically altered to smectitic clay minerals. At a later stage smectite was progressively replaced by illite under prograde conditions. Nowadays the matrix of the bentonitic tuffs is strongly illite-dominated and only in the softer tuff layers a minor smectite content can be detected. Both the primary macrocrystic components as well as the geochemistry of the altered tuffs indicate that their source magmas were mainly of intermediate composition. The abundance of splintery quartz and feldspar crystal fragments within the tuffs hints at a highly explosive plinian or phreatoplinian eruption style of the source volcanoes, which were most probably located within a subduction-related volcanic arc region along the southern margin of Gondwana.New single zircon U-Pb SHRIMP datings of tuff layers provide a much more reliable age control of the investigated sedimentary succession. U-Pb SHRIMP ages for tuff layers from the glaciogenic Dwyka Group in southwestern Africa range from 302.0 ± 3.0 to 297.1 ± 1.8 Ma. The basal part of the early post-glacial Prince Albert Formation is dated at around 290 Ma. SHRIMP ages for tuff layers from the upper part of the Prince Albert Formation, the Whitehill Formation, and the middle part of the Collingham Formation indicate that the Mesosaurus Sea reached its greatest extent at around 280 Ma.