Zircon Geochronology of Ash Beds in the Marcellus Shale

Jaime Toro, Jessica Hayward, ChantelleParrish, Amy Weislogel,  Joe Wooden

West Virginia UniversityStanford University

Clastic Wedges of the Appalachian Basin

Ettensohn, 2004

Eifelian

Conodont Biostratigraphy

Marcellus Shale is of Middle Devonian (Eifelian) age   (Harris et al. 1994)

Eifelian:     392 ± 3  to 398 ± 3 MaGeological Time Scale 2009

Acadian Paleogeography

Foreland basin

Blakey Paleogeography Maps Wind direction from Parrish, 1982

C

Timor Sea Analog

Australia

Timor

Sea

Acadian Orogeny

Ver Straeten, 1994

Tioga “Bentonite”

Eyjafjallajökull eruption, 2010

‘Tioga K‐Bentonites’

(Ver Straeten, 2008)

Stratigraphy

Previous Geochronology

–Tioga Middle Coarse Zone:• 391.4 ± 1.8 Ma, Wytheville, VA, U‐Pb in Zircon (Tucker et al. 1998) 

–Tioga A‐G:• 390.0 ± 0.5 Ma, Union Co,  PA, U‐PbMonazite (Roden et al. 1990)

–Eifelian: 392 ± 3  to 398 ± 3 Ma

Armstrong Well Ashes in cores

ECA Coldstream Well, Clearfield Co, PA

Ashes in Core

•Thinly laminated tuffaceousshale

•Graded beds of white mica and pyrite 0.5 – 14 cm thick

Ashes in  Core

•Winner 4‐8 core Ash #3 at 1.57 inches thick

•Three visible graded bed layers 

•Fining upwards with sharp contacts between shale and ash

•White mica and pyrite visible at base

PetrographyEQT1

COLD1

Zircon displays radiation damage ring. Abundant pyrite and opaques in small clusters. Tattered grains suggest some reworking.

Base of ash layer. White micas are elongated and flattened along probable bedding plane and comprise most of matrix, suggesting very little reworking at base.

Sample Preparation

Zircon Mount Preparation

• Grains positioned on epoxy 

• Epoxy is polished to visualize specimens and expose grains

• Sample is covered with 10 nm of gold

Zircon Under Transmitted Light

• Goff Well Ash#2 @  7231.24 ft depth

Goff #55‐ Ash 2

Cathodoluminescence SEM‐CL

324.2 ±2.2High U

1310±8.8Evidence of older core

394.9± 3.4Accurate!

393.0 ± 4Accurate!

398.7± 3.3Accurate!

402.0± 2.3Accurate!

407.3± 2.8High U 

Zircon Types

– Primatic Middle Devonian volcanic zircons

–Equant zircons with inherited Proterozoic cores

–No rounded detrital  zircon crystals

• Primary air‐fall deposits

Prismatic Zircon

Equant Zircon

Coldstream ash #2 zircons

Parent Daughter Abundance Half-life238U 206Pb 99.30% 4.47 Billion Years235U 207Pb 0.70% 0.7 Billion Years232Th 208Pb 100% 14 Billion Years

Three independent dates can be obtainedClosed system?.

U‐Th/Pb Dating: How it works

t= 1/λ ln(1+D/P)

λ decay constant, D daughter isotope, P parent isotope

Concordia Diagram

U‐Pb dating techniques

TIMS: Thermal Ionization Mass Spectrometry

LA-ICPMS: Laser Ablation Induced Coupled Plasma Mass Spectrometry

SHRIMP: Sensitive-High Resolution Ion Microprobe

Ion Probe‐ SHRIMP‐RG

SHRIMP RG LAB in Stanford University

SHRIMP‐RG Analysis in Progress

SHRIMP RG LAB in Stanford University

Zircon Age AnalysisColdstream 1MH Example

Weighted Mean 238 U/ 206 PbAge:

396.7± 3.0 Ma

Weighted mean

When was the Eruption?

Goff 55 # 1 Ash

17 analyses

Tioga Ashes‐ DatedWell NameCounty, State

Sample ID

Ash #(depth in ft)

Ash Thickness (inches)

Average206Pb/238U Age (Ma)

EQT 511391Wetzel, WV

EQT1 1 (7114.9) 0.47 403.8 ±4.0EQT2 2 (7117.05) 2.36 402.1 ± 1.8

Goff #55Harrison, WV

Goff1 1 (7227.45) 3.15 385.24 ±2.8Goff2 2 (7231.24) 0.866 396.79 ±2.6

Armstrong #1Taylor, WV

Arm1 1 (7755.27) 0.24 384.2 ±2.4Arm7 7 (7780.46) 0.48 380.9 ±2.0

St. Whipkey #1Greene, PA

Whip2 2 (7893.6) 2.17 390.0 ±2.1Whip4 4 (7897.5) 0.787 389.9 ±2.1

Coldstream #1Clearfield, PA

Cold1 1 (7156.7) 1.18 400.74 ±2.2Cold2 2 (7157.2) 1.97 394.0 ±1.3Cold3 4 (7162.4) 3.94 398.5 ±1.3Cold4 5 (7163.5) 0.98 396.7 ±2.0

Winner 4‐8Clinton, PA

Win23 1 (8023.5) 0.88 383.6 ±1.4Win32 2 (8032.6) 2.76 391.1 ±1.5

Win35 3 (8035.4) 1.57 391.0 ±3.1Win41 4 (8041.5) 5.51 388.6 ± 1.5

All Age Histogram

395.8

390.4

385.4

Eifelian: 392 ± 3 to 398 ± 3 Ma

Age of the Base of the Marcellus

391.1±1.5

Rome Trough

?

?

394.0±1.3

391.1±1.5

403.8±4.0

384.2±2.4

390.0±2.1

385.2±2.8

EQT 511391WETZEL

WV

Goff #55HARRISON

WV

Armstrong #1TAYLOR

WV

Tunnelton CV1PRESTON

WV

7025

7031

7038

7044

7050

7056

7063

7069

7075

7081

7088

7094

7100

7106

7113

7119

7125

7131

7138

7144

7150

7156

7163

7119

7125

7131

7138

7144

7150

7156

7163

7169

7175

7181

7188

7194

7200

7206

7213

7219

7225

7231

7238

7244

7250

7256

7263

7269

7275

7281

7650

7656

7663

7669

7675

7681

7688

7694

7700

7706

7713

7719

7725

7731

7738

7744

7750

7756

7763

7769

7775

7781

7788

7794

7800

7806

7813

7819

7825

7831

7756

7763

7769

7775

7781

7788

7794

7800

7806

7813

7819

7825

7831

7838

7844

7850

7856

7863

7869

7875

7881

7888

7894

7900

7906

7913

7919

7925

7025

7031

7038

7044

7050

7056

7063

7069

7075

7081

7088

7094

7100

7106

7113

7119

7125

7131

7138

7144

7150

7156

7163

7119

7125

7131

7138

7144

7150

7156

7163

7169

7175

7181

7188

7194

7200

7206

7213

7219

7225

7231

7238

7244

7250

7256

7263

7269

7275

7281

7650

7656

7663

7669

7675

7681

7688

7694

7700

7706

7713

7719

7725

7731

7738

7744

7750

7756

7763

7769

7775

7781

7788

7794

7800

7806

7813

7819

7825

7831

7756

7763

7769

7775

7781

7788

7794

7800

7806

7813

7819

7825

7831

7838

7844

7850

7856

7863

7869

7875

7881

7888

7894

7900

7906

7913

7919

7925

Onondaga

Marcellus

Mahantango

404 ± 4402 ± 2

385 ± 3397 ± 3 384 ± 2

381 ± 2

WestB

EastB’

EQT 511391WETZEL

WV

St. Whipkey #1GREENE

PA

Coldstream #1CLEARFIELD

PA

Winner 4-8CLINTON

PA

Fortuna FEI ThomasBRADFORD

PA

7025

7031

7038

7044

7050

7056

7063

7069

7075

7081

7088

7094

7100

7106

7113

7119

7125

7131

7138

7144

7150

7156

7163

7744

7750

7756

7763

7769

7775

7781

7788

7794

7800

7806

7813

7819

7825

7831

7838

7844

7850

7856

7863

7869

7875

7881

7888

7894

7900

7906

7913

7919

7925

7931

7013

7019

7025

7031

7038

7044

7050

7056

7063

7069

7075

7081

7088

7094

7100

7106

7113

7119

7125

7131

7138

7144

7150

7156

7163

7169

7175

7181

7188

7194

7850

7856

7863

7869

7875

7881

7888

7894

7900

7906

7913

7919

7925

7931

7938

7944

7950

7956

7963

7969

7975

7981

7988

7994

8000

8006

8013

8019

8025

8031

8038

8044

8050

8056

8063

8069

8075

8081

8088

6163

6169

6175

6181

6188

6194

6200

6206

6213

6219

6225

6231

6238

6244

6250

6256

6263

6269

6275

6281

6288

6294

6300

6306

6313

6319

6325

6331

6338

6344

6350

6356

6363

6369

6375

6381

6388

6394

6400

6406

6413

6419

6425

6431

6438

7025

7031

7038

7044

7050

7056

7063

7069

7075

7081

7088

7094

7100

7106

7113

7119

7125

7131

7138

7144

7150

7156

7163

7744

7750

7756

7763

7769

7775

7781

7788

7794

7800

7806

7813

7819

7825

7831

7838

7844

7850

7856

7863

7869

7875

7881

7888

7894

7900

7906

7913

7919

7925

7931

7013

7019

7025

7031

7038

7044

7050

7056

7063

7069

7075

7081

7088

7094

7100

7106

7113

7119

7125

7131

7138

7144

7150

7156

7163

7169

7175

7181

7188

7194

7850

7856

7863

7869

7875

7881

7888

7894

7900

7906

7913

7919

7925

7931

7938

7944

7950

7956

7963

7969

7975

7981

7988

7994

8000

8006

8013

8019

8025

8031

8038

8044

8050

8056

8063

8069

8075

8081

8088

6163

6169

6175

6181

6188

6194

6200

6206

6213

6219

6225

6231

6238

6244

6250

6256

6263

6269

6275

6281

6288

6294

6300

6306

6313

6319

6325

6331

6338

6344

6350

6356

6363

6369

6375

6381

6388

6394

6400

6406

6413

6419

6425

6431

6438

Onondaga

Marcellus

Mahantango

390 ±2390 ± 2

401 ±2394 ±1399 ±1397 ± 2

384 ± 1391 ± 2391 ± 3389 ± 2

404 ±4402 ±2

SouthwestA

NortheastA’

Strike Section.

Age of Basal Marcellus

402.1

396.8380.9

389.9

396.7

388.6

Naïve Foreland Basin Sedimentation Model

Sedimentation Model

First Marcellus black shale in the basin while Onondaga is still being deposited on the platform

(Exaggerated vertical scale)

Onondaga Limestone Isopach

Boyce (2010)

Ettensohn, 2004

Eifelian

Marcellus

Onondaga

Sedimentation Rates

27.6 feet of uncompacted sediments deposited over 7.5 million years

Decompacted Sedimentation Rates for WINNER 4-8 wellGrenville Basement Material

• 13 inherited cores

• 206Pb/238U ages range from 1002 ± 7 Ma to  1517 ± 23 Ma

• Typical Grenville OrogenyAges

• Inherited zircons are interpreted to source from basement of Acadian arc 

1600

1400

1200

1000

0.14

0.18

0.22

0.26

0.30

1 2 3 4 5207Pb/235U

206 Pb

/238 U

Intercepts at 400±0 & 1633±270 Ma

MSWD = 324

data-point error ellipses are 2σ

Conclusions• Ashes are widespread but discontinuous

• Each ash may have zircons with ages spanning 15 my or more

• The base of the Marcellus is diachronous ranging from about 402 to 384 Ma

• The Marcellus is not simply Eifelian (or the Eifelian is not 392 to 398 Ma)

• Black shale was being deposited in the deep part of the basin while carbonate was accumulating to the east

• Sedimentation was very slow: 1‐2 meters /my

• Tioga magmas incorporated Grenville‐age crust