Occurrence of maar-diatreme volcanoes

GeoLines 

15 (2003)

78

GeoLines 

15 (2003)

79

of acidic in the larger basins also of intermediate to basic silica-

saturated magmas. One of the best exposed of these grabens is 

the  Carboniferous-Permian  Saar-Nahe  Basin  in  southwestern 

Germany. The diatremes studied in the Saar-Nahe Basin clearly 

show that their tephra, in addition to its juvenile ash grains and 

lapilli  (Fig. 5)  only  contains  the  individual  minerals  (quartz, 

feldspar, mica, clay-minerals) and rock pebbles (milky quartz, 

quartzite, black chert, rhyolite pebbles) of the surrounding pres-

ently indurated sediments. In addition, blocks of sedimentary 

material like sandstones subsided in the diatremes, and contain 

dykelets and stringers of juvenile clasts clearly showing that 

the  presently  indurated  sandstones  were  still  unconsolidated 

sediments  (sands)  at  the  time  of  subsidence  of  these  blocks 

inside the diatremes (Figs. 6, 7). From the known downward 

penetration of the diatremes below their original surface it is 

evident that at the time of volcanic activity the sediments had 

not been indurated yet to depths below the syneruptive surface 

of one to possibly two km (Lorenz 1986, Lorenz and Haneke 

2002). The Carboniferous Midland Valley is also a classic area 

for  volcanism  having  interacted  with  Carboniferous  water-

saturated unconsolidated sediments (Francis 1962, 1970, Leys 

1982). As in the late Variscan Saar-Nahe Basin, a great many 

diatremes, containing within their tephra the minerals and peb-

bles from the surrounding sediments but hardly any indurated 

sedimentary rock clasts, are associated with sills, laccoliths and 

intrusive-extrusive  domes. A  similar  environment  existed  for 

the volcanism in the Old Red basins in northwestern Europe 

which  represent  a  late  Caledonian  basin-and-range-like  prov-

ince. The Basin and Range Province in the western U.S.A. (Hei-

ken 1971), the continental rift zones of the Upper Rhine Graben 

and the Limagne Graben (de Goer et al. 1998) as well as the 

main part of the Miocene Hegau Volcanic Field in the Alpine 

Molasse Basin (Lorenz 1982a, Keller et al. 1990), they all show 

features related to former explosive interaction of magma with 

water-saturated unconsolidated sediments.

The  Upper  Proterozoic  diatreme  of  Argyle,  in  northern 

Western Australia formed when diamondiferous lamproite mag-

ma  interacted  explosively  with  thick  water-saturated  uncon-

solidated  littoral/coastal  sands  and  muds  (Boxer  et  al.  1989, 

Stachel et al. 1994).

The diamondiferous kimberlite pipes in northern European 

Russia are surrounded by very friable and water-saturated sand-

stones of Vendian (Upper Proterozoic) age (Sinitsin and Grib 

1995). At the time of the explosive phreatomagmatic activity, 

probably in Devonian times, the sandstones were in all prob-

ability also unconsolidated and water-saturated. The tephra con-

tains the individual minerals from the sandstones.

The Miocene Ellendale maar-diatreme volcanoes in West-

ern Australia, discussed in more detail in the following chapter, 

show  gently  sloping  former  inner  crater  walls  within  uncon-

solidated sands from the Permian Grant Group. These gently 

dipping crater walls must have been the result of the soft sedi-

ment  behaviour  of  the  water-saturated  unconsolidated  sands 

which  tend  to  flow  when  an  open  crater  is  formed  and  thus 

cannot form walls with steeper angles typical for newly formed 

maar craters in much more consolidated rocks. The Ellendale 

maar craters have been filled with younger pyroclastic and re-

worked deposits from the crater walls as well with lava lakes 

during the active eruptive period. Maar-diatremes with craters 

of such low angle walls and steep-walled diatremes are said to 

be champagne glass-shaped (Smith and Lorenz 1989, Stachel 

et al. 1994).

Combined hard-rock – soft-rock environments

Hard rocks overlain by soft rocks. A combined hard-rock – 

soft-rock environment exists when water-saturated unconsoli-

dated sediments overlie jointed hard rocks.

In the Miocene lamproitic Ellendale Volcanic Field, uncon-

solidated sands of the Permian Grant Group overlie Carboni-

ferous and Devonian jointed shales and limestones (Smith and 

Lorenz 1989, Stachel et al. 1994). The sands which still today 

are water-saturated and unconsolidated caused the maar craters 

to have evolved with very low wall angles and with collapse 

structures and sand flows towards the crater centre. In contrast, 

the underlying Carboniferous and Devonian hard rocks (shales 

and limestones) gave rise to steep-sided diatremes. In almost all 

of the 48 Ellendale maar-diatreme volcanoes in a second mag-

matic phase, magma of leucite lamproite or olivine lamproite 

composition erupted magmatically and formed lava domes (in 

the case of the more viscous leucite lamproites) or lava lakes 

(in the case of the less viscous olivine lamproites). The reason 

for this systematic change from phreatomagmatic to magmatic 

eruptive activity must have been that during the growth of the 

maar-diatreme volcanoes, the downward penetration of the dia-

treme root zones to the levels of Carboniferous and Devonian 

hard  rocks  (of  known  very  low  water  yield)  prevented  suffi-

cient access of groundwater to the rising magma thus causing a 

change to magmatic eruptions (Smith and Lorenz 1989, Stachel 

et al. 1994).

Fig. 7.  A block of feldspar-bearing sandstone in the Rödern 

diatreme  in  the  Carboniferous-Permian  Saar-Nahe 

Basin, SW Germany (Lorenz 1971). Tephra contain-

ing juvenile ash grains and lapilli (bright in colour) 

on the margin of this part of the block, following an 

irregular  serrated  contact,  shows  that  the  presently 

indurated  sandstone  blocks  were  not  indurated  yet 

at  the time  the  diatreme  formed  in  Carboniferous–

Permian times.

---