Neodymium isotopic composition of conodonts as a palaeoceanographic proxy in the Variscan oceanic system

Abstract

The Nd isotopic composition of conodonts was used to investigate geochemical signatures and circulation of seawater in the Variscan Sea during the Late Devonian. Material selected for analysis included almost 300 samples of Frasnian and Famennian conodonts collected in Morocco (eastern Anti-Atlas, Meseta), southern France (Montagne Noire) and in southern Poland (Holy Cross Mts, Sudetes, Cracow area). Although significant variation in Nd concentrations occurs between different conodont elements within a single conodont sample, each element in the sample yields identical Nd isotopic composition. Nd concentrations in conodont crowns (from 25 to 280 ppm) depend on their morphology; the higher the surface /volume ratio of conodont elements the higher is their Nd content. Nd isotope data from two horizons in the eastern Anti-Atlas, the base and the top of the Kellwasser facies, were selected to reconstruct the seawater circulation on the Moroccan shelf. During the onset of the Kellwasser facies (Zone 11) a general seawater flow from the southwest towards the east has been recognized. The circulation pattern was complex due to local riverine input from the West African Craton in the south and from the exposed Precambrian basement in the west. During the end of the Kellwasser facies (rhomboidea Zone) seawater circulation was dominated by a general westward flow and a much weaker countercurrent in the central Tafilalt. The episodic entrance of oceanic waters on the shelf during the Frasnian (Zone 11) documents the connection of the Anti-Atlas shelf area with the Rheic Ocean to the southwest and with the Variscan Sea to the north. The seawater showed in the Variscan realm a wide range of variation in epsilon-Nd values, from - 2 to -12, and Sm/Nd ratios, from 0.16 to 0.85. However, there was a clear difference in the Nd isotopic signatures between the oceanic water and that covering shelves. The ocean aquafacies was characterised by strong radiogenic signatures with epsilon-Nd values from -2 to -5, similar to those of the modern Pacific Ocean, and low Sm/Nd ratios. The oceanic waters entered the shelf areas only episodically during transgressions. In contrast, the shelf aquafacies yielded epsilon-Nd values from -6 to -12 and high Sm/Nd ratios, between 0.28 and 0.8. Both aquafacies differed not only in their Nd isotopic signatures but also showed different carbon isotopic evolution and REE fractionation. Temporal trends in Nd isotopic composition of conodonts reflect sea-level fluctuations. The epsilon-Nd values decreased during regression phases when enhanced erosion accelerated supply of low radiogenic Nd from old continental sources. A rise in sea level generated a positive shift in epsilon-Nd values due to input of more radiogenic oceanic water into the seawater reservoir of the shelf areas. The eustasy appears to be the most effective factor that governed temporal changes in the Nd isotopic composition of seawater. The method has a great potential for the sea-level research and palaeoceanography because sea-level changes can be recognized independently from facies, biota and lithology. Effects of other factors on temporal changes in epsilon-Nd values can be minimized or even excluded by analysis of trends in different sections located at various palaeoceanographic positions. On the basis of temporal fluctuations in the Nd isotopic composition of conodonts from the western part of the Variscan realm an eustatic sea-level curve for the late Frasnian and early Famennian has been constructed. Although, it reveals a general similarity to previous schemes, there is significant difference that the lower and the upper Kellwasser horizons, as known from Variscan Europe and northern Meseta, fall within intervals of decreasing epsilon-Nd values. This strongly indicates that these black limestones were deposited during regression phases. Anhand der Nd-Isotopie von Conodonten (phosphatische Reste der ältesten marinen Vertebraten) wurden unterschiedliche Wassermassen (Aquafazies) im Ozeansystem der Varisziden während der Devon-Zeit identifiziert und temporäre Zirkulationsmuster rekonstruiert. Das Probenmaterial wurde hauptsächlich in Marokko (östliches Anti-Atlas, Meseta) und in Südfrankreich (Montagne Noire) gesammelt. Weitere Proben kamen aus dem Devon von Polen (Heiligkreuz-Gebirge, Krakauer Paläozoikum, Sudeten). Es wurden fast 300 Conodonten-Proben gemessen und ausgewertet. Alle Conodonten innerhalb einer Probe haben die gleiche Nd-Isotopenzusammensetzung, obwohl sie oft recht unterschiedliche Nd-Gehalte (von 25 bis 820 ppm) aufweisen. Die Konzentrationsunterschiede in den Conodonten-Kronen sind vor allem auf die unterschiedliche Morphologie der Conodonten zurückzuführen - je größer das Verhältnis zwischen der Oberfläche und Masse eines Conodonten desto höher seine Nd-Konzentration. Im südlichen Anti-Atlas wurden Proben aus zwei Zeitscheiben analysiert - aus der Basis und aus dem Top der Kellwasser-Fazies. Beim Einsetzen der Kellwasser-Fazies (während der Conodonten-Zone 11) zeigen sich große Unterschiede in den Epsilon-Nd-Werten zwischen 6 und 11. Die niedrigsten Epsilon-Nd-Werte resultierten vom starken terrigenen Eintrag aus südlicher Richtung, aus dem Westafrikanischen Kraton, und aus dem Westen, aus dem präkambrischen Grundgebirge des Jebel Ougnate. Die mehr radiogenen Nd-Isotopensignaturen des Meerwassers auf der Mader Plattform deuten auf eine Verbindung mit dem Rheischen Ozean. Eine Verbindung zum offenen Meer existierte auch in die nördliche Richtung. Das Zirkulationsmuster zeigt eine generelle Meerwasserzirkulation von Südwesten nach Osten. Sie änderte sich noch während des Frasnes. Die Gradienten in den Nd-Isotopensignaturen wurden deutlich geringer; die Hauptströmung kam damals aus östlicher Richtung und kehrte teilweise im Bereich der zentralen Tafilalt Plattform zurück. Charakteristisch für diese Phase ist relativ schwacher terrigener Eintrag aus dem Westafrikanischen Kraton. Das Meerwasser im variszischen Raum während des Oberdevons war durch deutliche regionale Unterschiede in der geochemischen Zusammensetzung gekennzeichnet. Das Meerwasser in Südpolen hatte niedrige Sm/Nd-Verhältnisse zwischen 0,16 und 0,29. Das deutet darauf hin, dass das Wasser am Rande des baltischen Schelfs von Euramerika stark mit ozeanischem Wasser vermischt war. Im Gegensatz dazu war das Meerwasser auf dem marokkanischen Schelf von Gondwana stark durch den terrestrischen Eintrag des Nd geprägt. Die Sm/Nd-Verhältnisse waren hoch, zwischen 0,21 und 0,85. Diese Spanne ist wesentlich breiter als die auf den rezenten Schelfgebieten beobachteten Werte, die kleiner als 0,44 sind. Paläoozeanographisch signifikant sind vor allem die Variationen in der Nd-Isotopenzusammensetzung der Conodonten. Die Epsilon-Nd-Werte schwanken zwischen -2 und -12 und belegen Anwesenheit von zwei unterschiedlichen Aquafazies. Eine hatte stark radiogene Epsilon-Nd-Werte von -2 bis -5 und repräsentierte das ozeanische Wasser, das sporadisch, während der Episoden des Meeresspiegelanstiegs die Schelfgebiete teilweise überflutete. Die Schelf-Aquafazies war dagegen durch Epsilon-Nd-Werte zwischen etwa -6 und -12 gekennzeichnet. Die Aquafazies zeigen nicht nur unterschiedliche Nd-Isotopenentwicklung sondern auch eine unterschiedliche Kohlenstoff-Isotopie und SEE-Fraktionierung. Die temporären Variationen der Nd-Isotopensignaturen wurden weniger durch lokale und viel mehr durch globale Faktoren verursacht. Die eustatischen Meeresspiegelschwankungen werden als der Hauptfaktor angesehen, der die temporären Variationen der Nd-Signaturen des Meerwassers am stärksten beeinflusste. Dies ermöglicht die temporären Nd-Isotopentrends für die Rekonstruktion der Meeresspiegelschwankungen zu benutzen. Die Nd-Isotopie gibt die eustatischen Meeresspiegelschwankungen viel präziser als die Lithologie wieder. Der Einfluss von lokalen Faktoren kann leicht durch den Vergleich von mehreren lokalen Nd-Isotopenkurven eliminiert werden. Zum ersten Mal wurde eine auf Isotopendaten basierte Kurve der eustatischen Meeresspiegelschwankungen für das Oberfrasne und Unterfamenne erstellt. Diese weist eine relativ große Übereinstimmung mit den bisherigen Schemen auf. Der größte Unterschied besteht darin, dass die Isotopendaten zwei markante Regressionsereignisse während des späteren Frasnes dokumentieren. Während dieser Phasen sind die beiden Kellwasser-Einheiten, der Untere Kellwasserkalk und der Obere Kellwasserkalk, in Europa und in der marokkanischen Meseta abgelagert worden.