Geologie des Death Valley

mini|250px|Luftaufnahme des Death und Panamint Valley (NASA). Die elliptische Vertiefung links ist das Becken des Searles Lake, das kleinere Längstal ist Panamint Valley, das größere ist Death Valley. Der Gebirgszug dazwischen ist die Panamint Range, und die Black Mountains begrenzen die andere Seite des Death Valley. In der abflusslosen Senke des Death Valley befindet sich, mit 86 Metern unter NN, der tiefste topographische Punkt Nordamerikas.

Die Geologie des Death Valley kann im Nationalpark Death Valley (Tal des Todes) nachvollzogen werden.

Der Nationalpark umfasst ein Gebiet von 8.367 km², größtenteils in Kalifornien (USA), aber zu einem geringen Teil auch in Nevada. Die stratigraphische Abfolge der Gesteinsschichten und der tektonische Bau des Gebietes spiegelt die lange, abwechslungsreiche und komplexe geologische Entwicklungsgeschichte der Region wider.

Bei den ältesten Gesteinen im Gebiet handelt es sich um Metamorphite und Granite des mittleren und späten Proterozoikums, die diskordant (mit einer regionalen Schichtlücke) von vorwiegend marinen Sedimenten überlagert werden (Pahrump-Gruppe). In den obersten Schichten der Pahrump-Gruppe finden sich Indizien für Gletscher-Ablagerungen, die möglicherweise einer spät-präkambrischen Eiszeit zugeordnet werden können (siehe auch Schneeball Erde).

Beim Auseinanderbrechen des Superkontinents Rodinia drangen damals zunächst schmale Meeresarme auf die kontinentale Kruste vor. Die Ränder dieser Riftzone sanken ab, bis die kontinentale Erdkruste zerbrach und sich der Pazifik zu öffnen begann. Ein Keil aus klastischen Sedimenten sammelte sich an der Basis der versunkenen Schelfränder und begrub die ersten komplexen Fossilien der Region. Darüber lagerte sich vor rund 550 Millionen Jahren eine Karbonatplattform ab, die für die nächsten 300 Millionen Jahre im Paläozoikum existierte.

Der passive Kontinentalrand wandelte sich im frühen und mittleren Mesozoikum in einen aktiven Rand um, als sich die pazifische Farallonplatte unter die nordamerikanische Platte schob (Subduktion). Es folgte eine lange Epoche des Vulkanismus und der Gebirgsbildung (Orogenese) entlang der nordamerikanischen Westküste. Im Gebiet des Death Valley produzierte die viele Millionen Jahre anhaltende Erosion der herausgehobenen Gesteinsschichten eine relativ unstrukturierte Ebene.

Die erneute Ausdünnung der Kruste unter dem westlichen Nordamerika begann vor etwa 16 Millionen Jahren, vermutlich durch das Emporquellen von Magmen über der vom nordamerikanischen Kontinent überfahrenen Spreizungszone der Farallonplatte. Dieser Prozess hält bis in die Gegenwart an und erzeugte nicht nur die tektonischen Horste und Gräben der Basin and Range-Provinz, sondern setzte auch Lava frei. Vor zwei oder drei Millionen Jahren erreichte der Ausdünnungsprozess auch das Gebiet des heutigen Nationalparks, riss es auseinander, und erzeugte das Death Valley, das Panamint Valley und die umliegenden Gebirgszüge. Diese Täler füllten sich teilweise mit Sedimenten und, während der feuchten Eiszeiten, auch mit Seen. Der größte dieser Seen ist der Lake Manly. Vor 10.500 Jahren wurden die Seen zunehmend vom Schmelzwasser der Gletscher in der Sierra Nevada abgeschnitten, woraufhin sie austrockneten und nur noch Salze und Mineralien zurückblieben. Die heutige Wüstenlandschaft entstand, nachdem die Seen vertrocknet waren.

Tektonische und sedimentäre Entwicklung im Präkambrium Der protozeroische Komplex gerahmt|1,8 bis 1,7 Milliarden Jahre alte metamorphe Gesteine in den Black Mountains oberhalb von Badwater (Ray Nordeen, NPS)

Über die ursprüngliche Beschaffenheit der ältesten Gesteine im Gebiet ist nur wenig bekannt, da sie später unter dem Druck überlagernder Schichten und der Hitze des Erdinneren eine starke Gesteinsumwandlung (Metamorphose) durchmachten. Aus den ursprünglichen quarz- und feldspatreichen Sedimenten und magmatischen Gesteinen bildeten sich dunkelgraue, fast merkmalsfreie Glimmerschiefer und Gneise.Ann G. Harris, Esther Tuttle, Sherwood D. Tuttle: Geology of National Parks. 5. Auflage. Hunt Publishing, Dubuque, IA, Kendall 1997, S. 630. Radiometrische Messungen ergaben ein Metamorphosealter von über 1700 Millionen Jahren und datieren sie somit in das ausgehende Paläoproterozoikum.

Vor 1400 Millionen Jahren drang in diesen Kristallin-Komplex eine große Granitmasse (Intrusion) ein, die sich heute in den Panamint Mountains befindet.Harris u. a.: Geology of National Parks. 1997, S. 631. Daneben sind Gesteinsgänge aus Pegmatit und weit auseinander liegende Granitintrusionen an der dem Death Valley zugewandten Seite der Black Mountains zu sehen (aufgeschlossen), sowie in den Talc and Ibex Hills.

Anschließend wurden die metamorphosierten Gesteine (wahrscheinlich mitsamt den überlagernden Sedimenten eines flachen Meeres) angehoben, und 500 Millionen Jahre lang unterlag die Region der Erosion. Hierdurch entstand eine ausgedehnte Schichtlücke (Diskordanz), in der die herausgehobenen Gesteine abgetragen, und keine neuen Sedimente abgelagert wurden.

Die Pahrump-Gruppe Die Pahrump-Gruppe ist mehrere hundert Meter dick und lagerte sich vor 1300 bis 800 Millionen JahrenHarris u. a.: Geology of National Parks. 1997, S. 611. über der proterozoischen Erosions-Diskordanz ab. Sie besteht (von unten nach oben) aus: Crystal Springs Formation Beck Spring Dolomite Kingston Peak Formation

Aufschlüsse dieser Gruppe sind heute in einem stark metamorphosierten Gürtel zu sehen, der sich von den Panamint Mountains bis zum östlichen Teil der Kingston Range erstreckt, inklusive eines Gebiets in der Nähe von Ashford Mill.

gerahmt|links|Blick nach Norden über die Saratoga Spring Teiche. Die Hügel bestehen aus spät-präkambrischen Gesteinen der Pahrump-Gruppe. Der weiße Streifen aus Talk entstand durch die Reaktion von Dolomit mit dem umgebenden schwarzen Diabas, der zwischen die Sedimentschichten der Crystal Spring Formation eingedrungen ist (unten links sichtbar). Das Quellwasser steigt an einer geologischen Störung auf und wird durch angrenzende Dünen gestaut. (NPS Archivbild)

Die Arkose-Konglomerate und die Tonsteine der unteren Crystal Spring Formation entstanden aus schlammigen Ablagerungen, die von Flüssen aus dem Hochland heran transportiert wurden. Später drang ein flaches Meer auf das Land vor (Transgression) und hinterließ dicke Schichten aus Kalkschlamm mit zahlreichen Algen-Kolonien, die als Algenmatten oder Stromatolithe bezeichneten werden. Daraus wurden die Dolomite und Kalksteine im mittleren Teil der Crystal Spring Formation. Der obere Teil besteht aus Schluffstein und Sandstein, die die älteren Schichten unter sich begruben. Ausgedehnte Diabas-Gänge drangen dann schichtparallel ober- und unterhalb der Karbonatgesteine ein (diese Form von Intrusionen wird als Lagergang oder Sill bezeichnet). Die Hitze des unteren Sills, der eine Ausdehnung von einigen hundert Quadratkilometern hat, wandelte die Karbonate durch thermischen Zerfall in wirtschaftlich nutzbaren Talk um.

Die Region des Death Valley wurde danach wieder über den Meeresspiegel angehoben, wodurch es zur erneuten Ablagerung terrestrischer Sedimente kam. Nach dem erneuten Absinken bildete sich eine Abfolge von Karbonatbänken, die wieder mit Stromatolithen bedeckt waren, die heutigen Beck Spring Dolomite. Die Gesteine der Beck Spring Formation und der darunterliegenden Crystal Spring Formation zerbrachen später in einzelne Schollen und waren im späten Proterozoikum erneut der Erosion ausgesetzt. Die großen Basins zwischen den höher gelegenen Gebieten wurden mit Konglomeraten (abgerundete Gesteinsbrocken und Kiesel in einer sandig-schlammigen Grundmasse) überzogen, die heute als Kingston Peak Formation bekannt sind. Diese Formation ragt besonders in der Nähe von Wildrose, Harrisburg Flats und Butte Valley hervor.

Ein Teil der Kingston Peak Formation ähnelt wegen der schlechten Sortierung seiner Komponenten einem Gletscher-Geschiebe und gilt deshalb als Diamiktit. In anderen Teilen finden sich große isolierte Felsblöcke, die in ganz andersartige feinkörnige Sedimentgesteine, wie Sand- oder Schluffstein, eingebettet sind. Hierbei handelt es sich um Blöcke, die an der Unterseite treibender Gletscher transportiert wurden, und nach dem Abtauen in die unverfestigten Sedimente auf dem See- oder Meeresboden fielen (englisch: dropstone). Ähnliche Ablagerungen aus der gleichen Periode (vor 700 bis 800 Millionen Jahren) findet man weltweit. Geologen vermuten deshalb, dass die Welt zu dieser Zeit von einer schweren Eiszeit betroffen war, vielleicht der stärksten in der geologischen Geschichte überhaupt. Die jüngsten Gesteine in der Pahrump-Gruppe bestehen aus basaltischer Lava.

Der Superkontinent Rodinia zerbricht und der Pazifik öffnet sich Ausdünnung der Kruste und erste Bruchspaltenbildung gerahmt|Die spät-präkambrische Noonday Formation wurde im Mosaic Canyon durch wiederholte Wasserfluten ausgekolkt. (Foto der USGS)

Während sich die Erde noch in einer schweren Eiszeit befand, begann der damalige Superkontinent Rodinia zu zerbrechen. Das verantwortliche Riftsystem bestand wahrscheinlich aus drei einzelnen Grabenbrüchen, die sich in einem gemeinsamen Zentrum vereinigten (Drillingsstruktur, oder Triple Junction). Die beiden Arme, aus denen sich später der Pazifische Ozean entwickeln würde, erweiterten sich immer mehr und wurden immer tiefer. Der dritte Arm, das Amargosa Rift, „schlief wieder ein“, wie es bei Drillingsstrukturen oft vorkommt, und konnte den Kontinent nicht weiter zerteilen.Harris u. a.: Geology of National Parks. 1997, S. 632. Die erste Formation, die das vordringende Meer über der absinkenden und sich ausdünnenden kontinentalen Kruste im Death Valley Gebiet ablagerte, waren die Noonday Dolomite. Sie entstanden aus mit Algen bedeckten Karbonatbänken. Heute sind sie bis zu 300 m mächtig und bilden häufig helle gelb-graue Klippen. Die Karbonatbänke wurden bald mit dünnen Schichten von Silt und Kalkschlamm bedeckt, die zu den harten Schluff- und Kalksteinen der Ibex Formation wurden. Ein guter Aufschluss sowohl der Noonday als auch der darüberliegenden Ibex Formation ist östlich von Ashford Mill zu sehen.

Unterhalb der Noonday Formation besteht eine Diskordanz, die von Süden nach Norden immer ältere Gesteine betrifft (Winkeldiskordanz). Im nördlichsten Teil wurde schließlich sogar die Pahrump-Gruppe vollständig abgetragen und die Noonday Formation liegt dort direkt auf dem proterozoischen Kristallin-Komplex.

Bildung eines Passiven Kontinentalrands Als sich der Pazifik im späten Proterozoikum und frühen Paläozoikum immer weiter öffnete, zerbrach die kontinentale Kruste vollständig und ein echtes Ozeanbecken entwickelte sich im Westen. Eine flache Küstenlinie mit einem ausgedehnten Schelfrand, und ohne Vulkane, die der heutigen Atlantikküste der USA ähnelte, lag östlich des heutigen Las Vegas.A Mudflat to Remember, Death Valley National Park through time, USGS Alle früher gebildeten Formationen wurden nun entlang einer steilen Front entzweigeschnitten. Ein Keil von klastischen Sedimenten sammelte sich am Fuß der beiden untermeerischen Abbruchkanten, und es begann die Bildung zweier sich gegenüberliegenden Schelfränder.

Folgende Formationen entwickelten sich aus den Sedimenten, die sich in diesem Keil anhäuften (von älteren zum jüngeren): Johnnie Formation (vielfarbige Schiefer) Stirling Quartzite Wood Canyon Formation Zabriskie Quartzite

Die Stirling, Wood Canyon und Zabriskie Einheiten sind zusammen rund 1800 Meter mächtig und bestehen aus stark verfestigten Sandsteinen und Konglomeraten.Harris u. a.: Geology of National Parks. 1997, S. 634. Bevor sie in die heutige Lage verkippt wurden, waren die vier Formationen ein fünf Kilometer dickes Paket aus Schlamm und Sand, der sich langsam am küstennahen Ozeanboden ansammelte.