Plio-Pleistocene volcanism and sedimentary facies changes at Gadeb prehistoric site, Ethiopia

Zusammenfassung

Vulkanische Aschen, welche von plinischen Eruptionen stammen, sind den Plio-Pleistozänen fluviatilen bis lakustrinen Sedimenten des oberen Webi-Shebele Beckens, südwestliches Hochland äthiopiens, zwischengelagert. Bims- und Glasaschen rhyolitischer Zusammensetzung überwiegen. Die lakustrinen Sedimente führen zudem blasige Aschen alkali-olivin basaltischer Zusammensetzung. Die Mehrzahl der Aschen, welche den lakustrinen Sedimenten zwischengelagert sind, zeigen nur geringfügige Anzeichen epiklastischer Aufarbeitung und können als primäre Aschen gedeutet werden. Innerhalb der hangenden fluviatilen Abfolgen nehmen primäre Aschen an Häufigkeit ab, wohingegen epiklastisch aufgearbeitete Aschen, welche auch am Mineralbestand angereichert sind, zunehmen.

Positive Korrelationen der inkompatiblen Elemente deuten auf einen kogenetischen Ursprung der rhyolitischen Aschen hin. Weiterhin sind diese Aschen durch zyklische Zu- und Abnahmen in inkompatiblen Elementgehalten mit stratigraphischer Position gekennzeichnet. Dieses Verhalten weist auf Eruptionen einer zonierten Magmenkammer hin wobei sukzessive tiefere Lagen dieser Magmenkammer erfa\t werden. Einer solchen Magmenförderung folgt eine vulkanisch ruhige Phase, währenddessen die inkompatiblen Elemente und flüchtigen Phasen durch fortschreitende fraktionierte Kristallisation wieder angereichert werden, was wiederum zu einem erneuten Eruptionszyklus führt.

Vulkanische Eruptionen, deren durchschnittliche Ruhephasen während des lakustrinen Stadiums ≈5000 Jahre betragen, erfolgten in einer Zeit relativ tektonischer Ruhe vor dem Beginn des eigentlichen Riftings des äthiopischen Grabens. Transgressive-regressive Zyklen des Pliozänen Gadeb Sees, werden daher auf regionale klimatische Fluktuationen und nicht auf tektonische Faktoren zurückgeführt. Der endgültige Zerfall des Gadeb Sees in Einzelbecken und das Austrocknen vor etwa 2.35 Millionen Jahren kann sowohl durch ein kühleres und trockeneres Klima während des oberen Pliozäns als auch durch Fragmentation des Lavadammes durch rückschreitende Erosion des Webi Shebele gedeutet werden. Der Wechsel von lakustrinen zu fluviatilen Ablagerungsverhältnissen erfolgte zur gleichen Zeit wie das Haupt-Rifting des äthiopischen Grabens, sowie der übergang von überwiegend basaltischer zu rhyolitischer Aktivität und der Wechsel von plinischen Aschen Eruptionen zur Förderung ignimbritischer Abfolgen. Der lakustrine-fluviatile Fazieswechsel kann daher auf regionale tektonische und vulkanologische Einflüsse zurückgeführt werden.

Abstract

Volcanic ashes, resulting from Plinian type eruptions, are regularly interbedded with fluvio-lacustrine successions of the Plio-Pleistocene Upper Webi Shebele Basin in the southeastern uplands of Ethiopia. Pumiceous and vitric ashes of rhyolitic composition dominate. Interbedded with the lacustrine succession are also scoriaceous ashes of alkali olivine basalt composition and minor amounts of mixed scoria. The majority of ashes interbedded with the lake sequence is primary air-fall material that underwent only minor degrees of reworking. Within the overlying fluviatile sequence primary ashes decrease in abundance, and crystalrich volcanoclastic deposits (»crystal tuffs«) take their place.

Positive correlations between incompatible trace elements indicate a cogenetic origin for the silicic samples. Furthermore, these ashes show cycles of increase, followed by a rapid decrease in incompatible trace element contents with respect to stratigraphic position, which suggests eruption of a compositionally zoned magma with successively deeper tapping of the magma chamber, followed by a dormant stage of volcanism during which incompatible elements and volatile contents build up giving rise to the next eruptive cycle.

During the lacustrine stage the volcanic eruptions, which probably had repose times of ≈ 5000 years, occurred during a period of relative tectonic quiescence before onset of the main faulting of the Ethiopian rift. Transgressive-regressive cycles of Pliocene Lake Gadeb are therefore related to regional climatic fluctuations rather than to regional volcano-tectonic events. Final fragmentation and drying out of the Pliocene lake shortly before 2.35 my may be related to a colder, drier late Pliocene climate, but is equally plausibly explained by erosional breaching of the lava dam through headward retreat of the Webi Shebele. The change from lacustrine to fluviatile deposition coincides with major rift faulting, local cessation of basaltic activity and a change from plinian to ignimbritic eruptions. The lacustrinefluviatile transition of the Upper Webi Shebele Basin is therefore attributed to major regional structural and volcanological changes.

Résumé

Des cinérites provenant d'éruptions volcaniques de type plinien sont intestratifiées de faÇon régulière dans les dépÔts fluvio-lacustres plio-pléistocènes du haut bassin du Webi Shebele dans le plateau sud-est de l'Ethiopie. La plupart des cinérites sont vitriques et ponceuses à composition rhyolitique. Il existe aussi, interstratifiées dans les couches lacustres, des cinérites de composition basaltique alkaline à olivine, ainsi que des scories mixtes en quantité subordonnée. La plupart de ces cinérites proviennent de retombées directes et sont très peu remaniées. Au travers de la série fluviatile surincombante, les cinérites primaires deviennent de moins en moins abondantes et sont remplacées progressivement par des sédiments volcanoclastiques riches en cristaux («tufs à cristaux»).

Des corrélations positives entre les éléments en traces incompatibles démontrent une origine cogénétique pour les échantillons siliciques. Ces cinérites montrent en outre des cycles d'accroissement suivis d'une décroissance rapide dans les teneurs en éléments en traces incompatibles en fonction de leur niveau stratigraphique. Nous proposons donc, à titre d'hypothèse, que ces éruptions proviennent de sources de plus en plus profondes au sein d'une chambre magmatique à composition différenciée, cette série d'éruptions étant suivie d'une période de repos volcanique pendant laquelle les éléments incompatibles et les volatiles se concentrent, menant à un cycle éruptif ultérieur.

Pendant le stade lacustre, les éruptions volcaniques, répétées probablement tous les 5000 ans environ, ont marqué une période de calme tectonique relatif, qui a précédé le développement des grandes failles du rift éthiopien. Les épisodes transgressifs et régressifs du lac pliocène du Gadeb sont donc plutÔt associés à des oscillations climatiques régionales qu'à des phénomènes volcano-tectoniques. La fragmentation et l'assèchement finals du lac pliocène il y a à peu près 2,35 Ma peuvent très bien Être reliés à un climat du Pliocène terminal plus sec et plus froid, mais ils peuvent aussi Être associés à la destruction du barrage volcanique du lac par suite de l'érosion régressive du Webi Shebele. La transition entre sédimentation lacustre et fluviatile correspond à une phase importante de tectonique du rift, à une cessation localisée de l'activité basaltique, et au remplacement des éruptions pliniennes par des éruptions de nuées ardentes (ignimrites). Le passage d'une sédimentation lacustre à une sédimentation fluviatile est donc associé à des phénomènes géologiques régionaux tectoniques et volcaniques, plutÔt qu'à des phénomènes climatiques.

кРАткОЕ сОДЕРжАНИЕ

ВУлкАНИЧЕскИИ пЕпЕл, ОБРАжОВАВшИИсь пРИ И жВЕРжЕНИьх плИНИИскОгО тИпА, жАл ЕгАЕт МЕжДУ плИО-плЕИстОцЕНОВыМ И РЕЧНыМИ ДО ОжЕРНых сЕ ДИМЕНтАМИ ВЕРхНЕгО БАссЕИНА Webi-Shebele НА УгО-жАп АДНОМ ВысОкОгОРьЕ АБЕссИНИИ. ОжЕРНыЕ сЕ ДИМЕНты ВМЕЩАУт кРОМ Е тОгО пУжыРЧАтыИ пЕпЕл цЕл ОЧНО-ОлИВИНОВОгО БАж АльтОВОгО сОстАВА. БОльшИНстВО пЕплОВ, НАхОДьЩИхсь М ЕжДУ ОжЕРНыМИ сЕДИМЕНтАМ И, пРОьВльУт тОлькО ОЧ ЕНь НЕжНАЧИтЕльНыЕ ЧЕРты ЁпИклАстИЧЕск ОИ ОБРАБОткИ И Их МОжНО РАссМАтРИВАть, кАк пЕРВИЧНыЕ пЕплы. В кРОВлЕ РЕЧНых ОтлОжЕНИИ ЧАс тОтА НАхОжДЕНИь пЕРВ ИЧНых пЕплОВ УМЕНьшАЕтсь, ж АтО ЧАстОтА ЁпИклАст ИЧЕскИ пРЕОБРАжОВАННых пЕп лОВ, ОБОгАЩЕННых МИНЕ РАльНыМИ кОМпОНЕНтАМИ, ВОжРАс тАЕт. пОлОжИтЕльНАь к ОРРЕльцИь НЕсОВМЕстИМых ЁлЕМЕ НтОВ УкАжыВАЕт НА кОг ЕНЕтИЧЕскОЕ пРОИсхОжДЕНИЕ РИОлИ тОВых пЕплОВ. стРАтИгРАФИь ЁтИх пЕ плОВ РАжлИЧАЕтсь пО У ВЕлИЧЕНИУ, ИлИ УМЕНьшЕНИУ НЕсОВ МЕстИМых ЁлЕМЕНтОВ. т АкОЕ пОВЕДЕНИЕ УкАжыВАЕт НА ЁРУпцИИ МАгМАтИЧЕ скОИ кАМЕРы, ИМЕУЩЕИ жОНы; п РИ пОстЕпЕННОМ РАспл АВлЕНИИ ОНО ОхВАтыВАЕт ВсЕ БО лЕЕ глУБОкИЕ слОИ сОД ЕРжИМОгО ЁтОИ кАМЕРы. тАкОЕ пОД НьтИЕ МАгМы шлО ВО ВРЕМь ВУлкАНИЧЕскИх ФАж спОкОИстВИь, В тЕЧ ЕНИЕ кОтОРых ИМЕлО МЕстО НАкОплЕН ИЕ НЕсОВМЕстИМых ЁлЕ МЕНтОВ И лЕтУЧИх ФАж ВО ВРЕМь НЕпРЕкРАЩАУЩЕИсь пОслЕДОВАтЕльНО ФРА кцИОНИРОВАННОИ кРИс тАллИжАцИИ, ЧтО В сВОУ ОЧЕРЕДь Выж ВАлО НОВыИ цИкл ЁРУпц ИИ.

ВУлкАНИЧЕскИЕ ЁРУпц ИИ, пЕРИОДы спОкОИстВ Иь кОтОРых В сРЕДНЕМ ВО ВРЕМь ОжЕ РНОИ стАДИИ ДлИлИсь п РИМЕРНО 5000 лЕт, ИМЕлИ МЕстО ВО ВР ЕМь сРАВНИтЕльНОгО тЕктОНИЧЕскОгО спОк ОИстВИь пЕРЕД НАЧАлО М сОБстВЕННО РАскРытИь ЁФИОпскОг О гРАБЕНА. тРАНсгРЕссИВНОРЕгР ЕссИВНыЕ цИклы пРИОцЕНОВОгО О жЕРА гАДЕБ ВыжВАНы РЕгИОНАльНО клИМАтИ ЧЕскИМИ кОлЕБАНИьМИ, А НЕ тЕктОНИЧЕскИМИ пРОц ЕссАМИ. ОкОНЧАтЕльНы И РАспАД ОжЕРА гАДЕБ НА ОтДЕль НыЕ БАссЕИНы В ВысыхА НИЕ Их пРИМЕРНО 2.35 МИллИОНОВ л Ет тОМУ НАжАД МОжЕт гО ВОРИть, кАк О НАлИЧИИ хОлОДНО гО сУхОгО клИМАтА В тЕ ЧЕНИЕ ВЕРхНЕгО плИОцЕНА, тА к И О ФРАгМЕНтАцИИ ДАМ Бы лАВы В РЕжУльтАтЕ ЁРО жИИ Webi Shebele. сМЕНА ОжЕРНых УслОВИИ ОтлОжЕНИь НА РЕЧНыЕ ИМЕлО МЕстО ОД НОВРЕМЕННО с ОсНОВНыМ РАскРытИЕ М ЁФИОпскОгО гРАБЕНА, кАк И пЕРЕхОД гл. ОБР. БА жАльтОВОИ АктИВНОст И к РИОлИтОВОИ И сМЕНы плИНИИскОгО т ИпА ВыБРОсОВ НА ВыБРО сы ИгНИМБРИтОВ. тАкИМ ОБ РАжОМ, сМЕНА ФАцИь с ОжЕРНОгО НА РЕЧНОИ МО жЕт Быть слЕДстВИЕМ РЕгИОНАльНых тЕктОНИЧЕскИх И ВУлк АНОгЕННых ВлИьНИИ.