Volcanic clays in the Cretaceous of southern England and Northern Ireland

Abstract

The mineralogy, petrology and trace element geochemistry of volcanogenic glauconites and smectite-rich clays are described and related to clay assemblages in Lower and Upper Cretaceous sediments of southern England and Northern Ireland. Volcanogenic glauconite grains represent argillized lava particles of predominantly mafic composition and may have been derived from submarine basaltic magmatism; they occur in all the sediments examined (Aptian-Senonian), and are particularly abundant in the Cenomanian-Campanian Hibernian Greensand of Antrim. The smectite-rich clays in southern England have developed by the argillization of predominantly acid or alkaline ash during early diagenesis. Three types of volcanogenic deposit are recognized. Primary bentonites are thin ash-falls deposited in quiet, brackish and marine waters (Speeton Clay, Ryazanian; Weald Clay, Barremian). Secondary bentonites are local accumulations of ash transported into the Cretaceous seas by rivers draining ash-blanketed, local land areas (London Platform, Portsdown Axis). These deposits are well-developed in the Sandgate Beds, Folkestone Beds and their contiguous deposits, and the lower part of the Gault (Upper Aptian-Middle Albian). The ash originated from penecontemporaneous, subaerial vulcanism located in the southern part of the North Sea. The most conspicuous phase of activity occurred during late Aptian times and has been dated by ⁴⁰Ar/³⁹Ar isotope analysis at 112 m.y. Bentonitic clays and marls are widespread accumulations of argillized ash that occur as a fine-grained fringing facies to glauconitic quartz sand facies. They make up the upper part of the Atherfleld Clay (Aptian) and the upper part of the Gault (Upper Albian), and they are associated respectively with the Hythe Beds (Aptian) and the Upper Greensand (Upper Albian). They may also occur in the lower part of the Lower Chalk (Cenomanian). The distribution pattern of these smectite-rich clays in southern England is related to the changing palaeogeography of the area in Cretaceous times, and the general coincidence of extensive glaueonite deposits and smectite-rich clays in the Middle and Upper Cretaceous of western Europe and along the eastern seaboard of North America is briefly discussed.

Resume

On décrit la minéralogie, la pétrologie et la géochimie des éléments traces des glauconites d'origine volcanique et des argiles riches en smectites qui sont liées aux assemblages des argiles dans les sédiments du Crétacé inférieur et supérieur de l'Angleterre méridionale et de l'Irlande du nord. Les grains de glauconite d'origine volcanique correspondent à des particules de lave de composition essentiellement mafique transformées en argiles; ils peuvent être issus d'un magmatisme basaltique sous-marin; ils existent dans tousles sédiments examinés (Aptien-Sénonien) et sont particulièrement abondants dans les sables verts Hiberniens d'Antrim (Cénomanien-Campanien). Les argiles riches en smectites du sud de l'Angleterre sont issues de cendres acides ou alcalines par argillisation pendant une première période de diagénèse. On reconnait trois types de dépôts d'origine volcanique. Les bentonites primaires sont des retombées de cendres fines dans des eaux tranquilles, saumâttres et marines (Speeton Clay, Ryazanien, Weald Clay, Barremien). Les bentonites secondaires sont des accumulations locales de cendres transportées dans les mers du Crétacé par des rivières drainant des zones terrestres couvertes de cendres (London Platform, Portsdown Axis). Ces dépôts sont bien développés dans les Sandgate Beds, Folkestone Beds et les dépôts voisins, ainsi que dans la partie inférieure du Gault (Aptien supérieur-Albien moyen). Les cendres sont originaires d'un volcanisme aérien presque contemporain situé dans la partie sud de la Mer du Nord. La phase la plus importante de cette activité se situe en fin d'Aptien et fut datée par analyse isotopique ⁴⁰Ar/³⁹Ar environ 112 M.A. Les marnes et argiles bentonitiques sont des accumulations assez répandues de cendrés argilisées rencontrées sous forme de faciès à grains fins à la limite de faciès à sables quartzeux et glauconitiques. Elles forment la partie supérieure d'Atherfield Clay et du Gault (Albien supérieur); elles sont associées aussi bien avec les Hythe Beds (Aptien) qu'avec les Sables Verts Supérieurs (Albien supérieur). On les rencontre aussi dans la partie inférieure des Craies (Cenomanien). La répartition de ces argiles riches en smectites en Angleterre du Sud est liée aux variations paléogéographiques de cette zone au temps du Crétacé. On discute brièvement de la coincidence générale de dépôts massifs de glauconite et d'argiles riches en smectites dans des formations du Crétacé Moyen et Supérieur aussi bien en Europe occidentale que sur les côtes orientales d'Amérique du Nord.

Kurzreferat

Die Mineralogie, Petrologie und Spurenelement-Geochemie von vulkanischen Glaukoniten und smectitreichen Tonen wird beschrieben und mit der Tonzusammensetzung in Sedimenten der Unteren und Oberen Kreide von Südengland und Nordirland in Beziehung gebracht. Glaukonitkörner vulkanischer Herkunft charakterisieren die zu Ton umgebildeten Lavateilchen aus basaltischem Magmatismus; sie befinden sich in allen untersuehten Sedimenten (Apt-Senon) und fehlen gelegentlich im Cenoman-Campan Hibernian Greensand von Antrim. Die smectitreiehen Tone in Südengland haben sich im Zuge der Tonbildung aus vorwiegend saurer oder alkalischer Asche während der Diagenese gebildet. Drei Arten vulkanogener Ablagerungen können unterschieden werden. Primäre Bentonite sind dünne Aseheregen, die in wenig bewegtem Brack- und Merrwasser abgelagert wurden (Speeton Clay, Ryazane; Weald Clay, Barrême). Sekundäre Bentonite bestehen aus lokalen Ascheanhäufungen, die in die Kreideseen durch Flüsse gelangten, welche ascheüberzogene, lokal begrenzte Landebenen durchzogen (London Platform, Portdown Axis). Recht gut entwickelt sind diese Ablagerungen in den Sandgate Beds, Folkestone Beds und ihren benachbarten Lagerstätten, sowie dem Unteren Gaultabschnitt (Oberes Apt-Mittleres Alb). Die Asche entstammt aus im südlichen Teil der Nordsee zur selben Zeit tätigen Oberflächen-Vulkanismus. Die höchste Aktivitätsphase war während des späten Apt und wurde mittels ⁴⁰Ar/³⁹Ar Isotopenanalyse auf 112 Mill. Jahre datiert. Bentonitische Tone und Mergel sind weitverbreitete Ablagerungen aus zu Ton umgebildeter Asche, welshe als feinkörnige Ausprägung, glaukonitische Quarzsandfacies umsäumt. Diese bilden den oberen Teil des Atherfield Tons (Apt) und des Gault (Oberes Alb), und stehen in einer Reihe mit den Hythe Beds (Apt) und dem Upper Greensand (Obere Alb). Auch können sie im unteren Abschnitt der Unteren Chalkformation auftreten. Das Verteilungsdiagramm dieser Smectitreichen Tone in Südengland steht in Bezug zur wechselnden Paläogeographie des Gebietes während der Kreide. Die generellen Gemeinsamkeiten von ausgedehnten Glaukonitablagerungen und smectitreichen Tonen der Mittleren und Oberen Kreide Westeuropas, sowie entlang der Ostküste Nordamerikas werden kurz erörtert.

Resumen

Se describen la mineralogia, petrologia y geoquimica de elementos traza de glauconitas y arcillas esmectiticas de origen volcanico, y se relacionan con las asociaciones arcillosas de sedimentos del Crectaceo inferior y superior de Inglaterra del sur y de Irlanda del Norte. Los granos de glauconita volcanogenica provienen de la alteraeion de particulas de lava de composicion predominantemente mafica procedentes de un magmatismo basaltico submarino; se presentan en todos los sedimentos examinados (aptense-senonense) y son particularmente abundantes en el cenomanense-campaniense del Greensand hibernico de Antrim. Las arcillas esmectiticas del sur de Inglaterra se han formado por alteracion de cenizas volcanicas predominantemente acidas o alcalinas durante una diagenesis precoz. Se han reconocido tres tipos de yacimientos de origen volcanico: Las bentonitas primarias son finos niveles de cenizas depositados en aguas tranquilas mas o menos marinas (formacion Speeton Clay, ryazanense; formacion Weald Clay, barremiense). Las bentonitas secundarias son acumulaciones locales de ceizas trasoortadas a mares cretacicos por rios que drenaban la zona de caida de las cenizas (plataforma londinense y eje de Portsdown). Estos yacimientos estan bien desarrollados en las formaciones Sandgate y Folkestone beds y en sus yacimientos contiguos, y en la parte inferior del Gault (aptense superior-albense medio). Las cenizas originadas por el volcanismo penecontemporaneo y submarino se localizan en la parte sur del Mar del Norte. La fase de actividad mas notable ocurrii durante el aptense final que se ha datado por analisis isotopico de ⁴⁰Ar/³⁹Ar como de 112 M.A. Las arcillas bentoniticas y margas son vastas acumulaciones de cenizas argilificadas que se presentan como facies de grano fino o en facies de arenas cuarzo-gluaconiticas. Todas estas forman las partes superiores de la formacion Atherfield Clay (aptense) y dal Gault (albense superior) y estan asociadas con las formaciones Hythe beds (aptense) y con el Greensand superior (albense superior) respectivamente. Tambien se pueden presentar en la partr inferior del Chalk inferior (cenomanense). La distribucion de estas arcillas esmectiticas en Inglaterra del sur se relaciona con los cambios en la paleogeografia del area durante el Cretaceo. Finalmente, se discute brevemente la coincidencia general de yacimientos extensos de glauconita y de arcillas esmectiticas en Cretaceo medio y superior de Europa occidental y a lo largo del borde del mar oriental de America del Norte.