CORRELATION  OF  PALEOGENE  SECTIONS  IN  THE  EASTERN  RHODOPES                                 251

GEOLOGICA CARPATHICA, 55, 3, BRATISLAVA, JUNE 2004

251–260

LITHOLOGICAL AND MAGNETOSTRATIGRAPHIC CORRELATION

OF PALEOGENE SECTIONS IN THE EASTERN RHODOPES

(SE BULGARIA)

STILIYAN MOSKOVSKI

1

, VASSIL KARLOUKOVSKI

2

, ZLATKA MILAKOVSKA

3

,

ALEXANDRA HARKOVSKA

3

 and MALCOLM PRINGLE

4

   1

Faculty of Geology and Geography, Sofia University, Tzar Osvoboditel Bld. 15,

1500 Sofia, Bulgaria

   2

CEMP, Department of Geography, Lancaster University, Lancaster LA1 4YB,

United Kingdom;  v.karloukovski@lancs.ac.uk

   3

Geological Institute, Bulgarian Academy of Sciences, Acad. G. Bonchev Str. 24 Bl.,

1113 Sofia, Bulgaria;  zlatkam@geology.bas.bg, avhar@geology.bas.bg

   4

Manager, SURRC/NERC Argon Isotope Facility, Scottish Universities Research and Reactor Centre,

Scottish Enterprise Technology Park, Rankine Avenue, East Kilbride G75 0QF, Scotland, United Kingdom;  m.pringle@surrc.gla.ac.uk

(Manuscript received December 11, 2002; accepted in revised form October 2, 2003)

Abstract: Two multiple stratified volcano-sedimentary Paleogene sections built of breccia-conglomerates and sand-

stones (incl. epiclastic), marls, limestones (incl. reef and bioclastic) and zeolitized pyroclastic rocks (interpreted as

pyroclastic flow deposits mainly) were studied and correlated. The deposits are divided into superposed and interfingered

informal lithostratigraphic units. The natural remanent magnetization of the zeolitized pyroclastics was determined as

thermal remanent magnetization (TRM) or partial TRM, and that of the sediments — as detrital remanent magnetization

and post-detrital remanent magnetization. The characteristic remanent directions allowed straightforward construction

of magnetostratigraphic profiles and yielded 12 reliable magnetic polarity zones and sequences of zones in the sections

studied. The correlation of the sections was based on the magnetic polarity zones position, lithological features of the

rocks and three 

40

Ar/

39

Ar age determinations of the zeolitized pyroclastics from different levels of the sections. The

consistent (Rupelian — 32.28±0.07 to 31.82±0.07) ages plot entirely into the 12r polarity chron on the Geomagnetic

Polarity Time Scale (GPTS) (Cande & Kent 1995). The data presented show that the polystage formation of the pyroclas-

tic flows and the change of the contemporaneous sedimentation from clastic to biogenic took place in a relatively short

time span of about 0.46 Ma.

Key words: Paleogene, Bulgaria, Eastern Rhodopes, correlation, lithology, magnetostratigraphy, 

40

Ar/

39

Ar age.

Introduction

During  Late  Eocene  (Priabonian)–Oligocene  the  territory  of

South Bulgaria was affected by intensive processes of differ-

ential block movements, contemporaneous terrigenous (conti-

nental and marine) sedimentation and orogenic, collision relat-

ed,  magmatism  (Dabovski  et  al.  1989).  At  the  end  of  the

Priabonian  and  during  the  Rupelian  the  Eastern  Rhodopes

were a complex archipelago in a vast shelf. Most of the islands

were of volcanic origin. Apart from the tectonic regime, two

groups  of  factors  controlled  their  places,  dimensions  and

shapes: a) polystage and polystyle activity of subaerial volca-

noes composed of acid or/and intermediate volcanics and vol-

caniclastics and b) simultaneous (s.l.) processes of intensive

catastrophic and erosional destruction of the volcanic edifices.

The  time  and  space  combination  of  volcanic  processes  and

marine sedimentation resulted in an accumulation of various

clastic (incl. epiclastic), biogenic (incl. reef limestones), pyro-

clastic and diverse volcano-sedimentary deposits. In their rela-

tionships a dominating superposition is combined with com-

plex  interfingering  and  gradual  lateral  transition.  Such

lithological variability poses serious problems both from the

litho- and chronostratigraphic points of view, which have not

been solved satisfactorily on the basis of paleontological data

only.

The  aim  of  the  investigations  reported  is  to  correlate  two

Eastern  Rhodopes  volcano-sedimentary  sections  using  litho-

logical,  magnetostratigraphic  and  radiometric  (

40

Ar/

39

Ar)

methods.

Geological setting and lithology of the sections

studied

Two multiple Paleogene sections (A and B) from the Mom-

chilgrad-Arda  magmatic  region  were  studied  (ϕ = 41.5° N,

λ = 25.5° E). Section A is located to the west of Momchilgrad

(Fig.  1)  and  consists  of  six  segments  situated:  to  the  west-

northwest of Sofiytsi, to the east of Vurhari, to the west and

southwest  of  Gradinka,  to  the  southwest  of  Sedlari,  to  the

southeast of Slunchogled and to the east of Tyutyunche (the

last lies outside the territory presented on Fig. 1). Section B is

located  to  the  southeast  of  Momchilgrad,  consisting  of  four

segments — to the west of Kos, to the southeast of Lale, to the

north of Chayka and to the west-northwest of Karamfil (Fig.

2). The well stratified sedimentary (incl. epiclastic) and bed-

252                                                                                      MOSKOVSKI  et al.

ded pyroclastic rocks cropping out along the sections are di-

vided into six informal lithostratigraphic units:

Formation of breccia-conglomerates and sandstones

It overlays an uneven surface of Pre-Cambrian (?) gneisses

and serpentinized ultramafic rocks (Fig. 1). The formation is

built by polymict breccia-conglomerates and sandstones. The

breccia-conglomerates  (gravel-  to  cobble-size)  are  unsorted,

with clasts from the basement’s metamorphics mainly (gneiss-

es,  mica-schists,  calc-silicate  schists,  marbles  and  metamor-

phic quartz). Well rounded clasts of serpentinized ultramafic

rocks, polymict sandstones, polymict conglomerates and silt-

stones are rarely present. The sandstones are thick-bedded and

Fig. 1. Geological setting of the segments of the multiple section A

(to the west of Momchilgrad). Segment Tyutyunche is located out-

side of the map. The map is according to Moskovski et al. (1990).

Fig. 2. Geological setting of the segments of the multiple section B

(to the south-east of Momchilgrad). The map is according to Moskov-

ski et al. (1990).

CORRELATION  OF  PALEOGENE  SECTIONS  IN  THE  EASTERN  RHODOPES                                 253

fine-grained.  They  are  interbedded  by  thin  siltstone  layers.

Their  terrigenous  component  (quartz,  feldspars  and  musco-

vite) is cemented by carbonate mineral.

The thickness of the formation varies from 0.4 to 25 m. Re-

cently this formation was referred to the “conglomerate-sand-

stone packet” of the Oligocene “formation of the first acid vol-

canism” (Kozhoukharov et al. 1989).

Formation  of  zeolitized  acid  pyroclastics,  epiclastics  and

limestones

It covers the previous formation nearly sharply (Fig. 1). The

formation consists of an irregular alternation of zeolitized acid

pyroclastics (former pyroclastic flows deposits) and packets of

sedimentary  rocks  (sandstones,  siltstones  and  limestones),

containing epiclastic volcanic components in strongly variable

quantities. The zeolitized pyroclastics are grey to white, grey-

green, light green or grey-pink and are built mainly of former

vitroclasts (Fig. 3). They also contain crystalloclasts of sani-

dine,  acid  plagioclase,  biotite,  cognate  phenorhyolitic  clasts

and foreign clasts of phenoandesites and metamorphics. The

thickness of the zeolitized pyroclastic packets varies from 10–

12 to 65 m. The  epiclastic sandstones and siltstones  contain

clasts  of  phenorhyolites,  metamorphics  and  zeolitized  pyro-

clastics, together with grains of acid plagioclase, hornblende,

biotite, quartz and sanidine (Fig. 4). Rare bivalvian, foramin-

iferal,  echinoidean,  algal  and  bryozoan  fragments  are  also

present. The matrix is polymict, with calcite grains in some

places.  The  limestones  are  micrite  to  biomicrite  (acc.  to  the

Folk’s 1962 classification) or wackestones (acc. to the Embry

& Klovan 1972 classification), sandy, with the epiclastic com-

ponent dominating (Fig. 5).

The formation is about 150 m thick. On the geological map,

scale 1:100,000 (Kozhoukharov et al. 1989) it is included into

the  Oligocene  formations  of  “first  acid  volcanism”  and  of

“second intermediate volcanism”.

Fig. 3. Zeolitized acid pyroclastic rock: completely zeolitized pum-

ices  (zp),  crystalloclasts  of  plagioclase  (Pl),  sanidine  (Sn)  and

quartz (Qz). N II. (Segment Sofiytsi, section A.)

Fig. 4. Medium to fine epiclastic sandstone. Unrounded and unsorted

grains  of  plagioclase  (Pl),  biotite  (Bi)  and  zeolitized  pumice  frag-

ments (zp) in microsparite groundmass. N II. (Segment Gradinka, sec-

tion A.)

Fig.  5.  Sandy  fossiliferous  microsparite  limestone  (wackestone).

Unrounded and unsorted fresh clasts of plagioclase (Pl) and slightly

altered glass shards (g). Biofragments of benthic and planktonic for-

aminifers (f). N II. (Segment Sofiytsi, section A.)

Fig.  6.  Zeolitized  acid  pyroclastic  flow  deposit.  The  zeolitized

glass shards and pumice fragments contact by clay (Cl) rim; crys-

talloclasts of plagioclase (Pl). N II. (Segment Gradinka, section A.)

254                                                                                      MOSKOVSKI  et al.

Formation of zeolitized acid  pyroclastics

In section A (Fig. 1) it overlays the rocks of the previous

formation conformably and with sharp contact. The zeolitized

rocks (Boschinov 1976; Kirov et al. 1976) in that section are

grey-white, thick-bedded to massive. They were formed as a

result of alteration of ash-size pyroclastics mainly (Figs. 6, 7)

and have a total thickness of about 90 m. It has to be noted

that both their foreign volcanic clasts of intermediate compo-

sition and their acid cognate clasts contain early biotite, en-

closed into pyroxene and plagioclase phenocrystals. This pe-

culiarity  is  typical  for  the  volcanics  from  the  region  of  the

Borovitsa caldera, located in the westernmost part of the East-

ern Rhodope Paleogene magmatic area (unpublished data of

P. Marchev in Moskovski et al. 1990). A genetic link between

section A’s former pyroclastics and the Borovitsa caldera ac-

tivity was also suggested by Yanev (1995) and Raynov et al.

(1997).

To the southeast of Momchilgrad (section B — Fig. 2) the

formation was deposited above a series of undivided volca-

nics  and  volcaniclastics,  which  were  not  included  into  the

sampling  program.  The  zeolitized  acid  pyroclastics  in  that

section  are  up  to  140 m  thick  and  are  mainly  composed  of

lapilli, to block varieties (Figs. 8, 9). Their primary pumice

clasts  and  glass  shards  are  completely  replaced  by  zeolite

minerals — clinoptilolite, mordenite, analcime (Djourova &

Aleksiev  1984;  Djourova  &  Boyadjiev  1999).  The  rocks  of

this formation are considered to be part of the “packet of rhy-

olitic and rhyodacitic tufaceous breccias, tuffs and tuffites” of

the  Oligocene  “formation  of  the  second  acid  volcanism”

(Kozhoukharov et al. 1989, 1992).

Sandstone formation

It  is  known  in  the  Bulgarian  literature  as  “Djebel  sand-

stones”. The formation is presented in section A only (Fig. 1)

where it overlays conformably the formation of the zeolitized

acid  pyroclastics.  Their  lowermost  10 m  consist  of  grey-

greenish  epiclastic  sandstones  and  siltstones,  followed  up-

ward  by  quartz-feldspar  sandstones,  interbedded  by  sandy

clays and siltstones (Bozhinov 1981). As a whole the rocks of

the sandstone formation are loose and because of this only the

lowermost 30 meters of their section were sampled for paleo-

magnetic studies. The lower level of the formation is referred

to  the  Lower  Oligocene  on  the  basis  of  macrofauna  assem-

blage (Sapoundjieva & Yanev 1984).

Fig. 7. Former pyroclastic flow deposit. Densely touched zeolitized

glass  fragments  (zg),  crystalloclasts  of  plagioclase  (Pl)  and  de-

formed biotite (Bi). N II. (Segment Slunchogled, section A.)

Fig. 8. Zeolitized pyroclastic flow deposit rich in cognate rhyolitic

clasts (Rh) and zeolitized pumice fragments (ZP). The largest pum-

ice is about 2.5 cm long. (Segment Chayka, section B.)

Fig. 9. Microphotograph of the sample of Fig. 8. The pores between

the clasts are filled by zeolite crystals (z). N II.

Fig.  10.  Bedded  epiclastic  sandstones  near  Karamfil.  (Segment

Karamfil, section B.)

CORRELATION  OF  PALEOGENE  SECTIONS  IN  THE  EASTERN  RHODOPES                                 255

Formation  of  phenoandesite  epiclastics  (Moskovski  et  al.

1993; Harkovska et al. 1994)

This formation is presented in section B only. It overlays

the formation of zeolitized pyroclastics (Fig. 2). Grey to yel-

lowish thick bedded to massive sandstones and siltstones are

the main rock types (Fig. 10). The sandstones from the lower

levels  of  the  formation  pass  upward  into  fine-grained  sand-

stones and siltstones. In the upper levels the sandstones are in-

terbedded  with  lenses  of  unsorted  conglomerates  with  well-

rounded  pebble-  and  cobble-size  clasts  of  intermediate

volcanics (phenoandesites?). The presence of sparse small and

undeformed  pillows  of  intermediate  to  basic  composition  is

another typical feature of the upper levels of this formation.

Grains of acid plagioclase and clasts of phenorhyolites, rarely

of phenoandesites, pyroxene and amphibole, are also distin-

guished  as  terrigenous  components  in  the  epiclastic  sand-

stones (Fig. 11). Fragments of planktonic foraminifers and di-

atoms are also present. In some places the polymict matrix is

replaced by calcite groundmass. The thickness of the forma-

tion is about 50 m. Some years ago the age of its lowermost

levels  was  dated  as  Chattian  (nannoplankton  Zones  NP24–

NP25, Harkovska et al. 1998). On the geological map (scale

1:100,000) the rocks of the formation were referred to the Oli-

gocene  “formation  of  the  third  intermediate  volcanism”

(Kozhoukharov et al. 1992).

Formation of marls and bioclastic limestones (Moskovski et

al. 1993)

This is a locally developed formation, which is presented in

the section B only as a sequence overlaying the formation of

phenoandesite  epiclastics  (Fig.  2).  Dark  grey  sandy  to  silty

fine-bedded marls are its main rock type. The marls are inter-

bedded by lenses or thin beds of bioclastic limestones, sand-

stones and polymict conglomerates (Figs. 12, 13). This sedi-

mentary  sequence  is  about  65–75 m  thick.  On  the  recent

geological map (scale 1:100,000) it is included in the “forma-

tion  of  the  third  intermediate  volcanism”  (Kozhoukharov  et

al. 1992). The paleontological age of the sequence is a contro-

versial one: Priabonian — according to benthic foraminiferal

assemblage (Harkovska et al. 1992) or Rupelian (unpublished

nannoplankton determination of Kr. Stoykova). The undivid-

ed acid zeolitized pyroclastics, which crop out above this for-

mation were not sampled for paleomagnetic studies, because

they  belong  to  a  paleolandslide  (Harkovska  &  Djourova

1994).

Magnetostratigraphy

A total of 434 oriented samples were collected from the 429

meters of section A and the 340 meters of section B, their po-

sitions marked as ticks to the right of the magnetic polarity

profiles  on  Fig.  16.  The  average  spacing  between  sampling

levels was 2.2 m (section A) and 2.3 m (section B). The sam-

ples were divided into three main groups: a) zeolitized acid

pyroclastics;  b)  epiclastic  sandstones  and  siltstones;  and  c)

marls and bioclastic limestones. Their natural remanent mag-

Fig.  11. Coarse to medium epiclastic sandstone. Unsorted and un-

rounded  clasts  of  plagioclase  (Pl),  phenorhyolite  (Rh)  and  zeoli-

tized  glass  (zg).  The  matrix  is  polymict,  partially  replaced  by  mi-

crosparite. N II. (Segment Karamfil, section B.)

Fig.  12. Alternation of marls and bioclastic limestones in segment

Kos (section B).

Fig. 13. Biomicrite limestone (wackestone to packstone) with bryo-

zoan (br), algal (al) and foraminiferal (f) biofragments and rare pla-

gioclase (Pl) clasts. N II. (Segment Kos, section B.)

256                                                                                      MOSKOVSKI  et al.

netization  (NRM)  was  measured  at  the  School  of  Environ-

mental  Sciences,  University  of  East  Anglia  (Norwich)  with

spinner and cryogenic magnetometers. On the basis of their

relatively high Koenigsberg ratios Q

n

 (average Q

n

= 0.95), the

NRM  of  the  first  group  was  most  probably  a  thermorema-

nence (TRM) or, as in the case of the pyroclastics from seg-

ments  Karamfil,  Lale  and  Chayka,  which  contain  abundant

foreign  clasts  —  a  partial  TRM.  Alternating  field  (AF)  de-

magnetizations of these pyroclastics were completely chaotic,

while the thermal ones revealed linearity up to a certain point

only — the point of the emplacement temperature. With aver-

age Q

n

s of 0.43 and 0.24, respectively, the NRM of the epi-

clastic  rocks,  marls  and  limestones  was  detrital  (DRM)  or

post-detrital (PDRM).

A strong viscous overprint of normal polarity was frequent-

ly revealed in stepwise AF or high-temperature demagnetiza-

tion  in  all  rocks.  It  was  cleaned  after  200–250  °C  or  20–

25 mT  AF  field  (Fig.  14a),  after  which  point  straight  linear

segments  on  the  Zijderveld  plots  (Zijderveld  1967)  deter-

mined unambiguously characteristic remanent magnetization

(ChRM) directions of either normal or reversed polarity. The

sample’s ChRM directions were predominantly normal or re-

versed.  In  single  cases,  transitional  polarities  were  isolated,

and these were excluded from the analysis. The thermal de-

magnetization of the NRMs and of three-component isother-

mal  remanent  magnetization  (Lowrie  1990)  revealed  two

main  unblocking  temperatures  —  one,  around  300–400  °C,

corresponding  to  medium  titanomagnetites  (TM30–TM40)

(Heller et al. 1979), and a second, magnetite-like temperature

of 550–570 °C (Fig. 14b).

Hysteresis measurements in fields up to 1 T on a vibrating

sample  magnetometer,  modified  to  additionally  measure

back-field  curves,  identified  predominantly  multidomain

(MD) and some pseudo-single domain (PSD) carriers of rema-

nence in the zeolitized acid pyroclastics (J

rs

/J

s

= 0.03–0.2, H

cr

/

H

c

= 2.5–12) (Day et al. 1977). The sedimentary rocks were

magnetically harder, with mainly PSD and some MD medium

titanomagnetites and magnetites (J

rs

/J

s

=0.04–0.3, H

cr

/H

c

=2–8).

The demagnetization characteristics of 125 (29 %) of all py-

roclastic  and  sediment  samples  were  of  quality  (linearity,

number  of  demagnetization  points  and  span  of  the  segment

used to calculate the ChRM) high enough to be comparable to

that of the intermediate and acid volcanic bodies from the area

between  sections  A  and  B  studied  alongside  them  (Karlou-

kovski 2000). These pyroclastic and sediment samples came

from four segments to the west of Momchilgrad and from one

segment — to the east of Momchilgrad. Their site-averaged

ChRM directions are given in Table 1 and are plotted on Fig.

15. The mean positive and the mean negative ChRM directions

(D = 6.5°,  I = 54.8°,  α

95

= 14.4°  and  D = 182.7°,  I=–53.3°,

α

95

= 9.7°  correspondingly)  pass  McFadden  &  Elhinney’s

(1990) reversal test and are essentially antipodal (Karloukovs-

ki 2000). The antipodality is an important indicator of the ade-

quate removal of secondary overprints and of the primary na-

ture  of  the  isolated  ChRMs,  especially  in  view  of  the

closeness of the mean positive ChRM direction to the modern

axial dipole field for the area (D = 0°, I = 60.5°) (Fig. 15). The

mean ChRM direction from all sediments and pyroclastics (D =

184.5°, I = –54.1°, α

95 

= 7.0°) is close to the mean direction

Fig. 14. Typical AF (a) and thermal (b) demagnetization characteristics of NRM. Zeolitized acid pyroclastics (sample D261, segment Sed-

lari, section A) were used in (a), and epiclastic sandstones (sample D291, segment Vurhari, section A) — in (b).

 

Segment 

N 

D (º) 

I (º)  á

95

 (º) 

Kos (marls, limestones) 

14 

0.1 

39.7 

10.8 

Lulichka (marls, limestones) 

6 

18.1 

47.3 

13.9 

Sedlari (pyroclastics) 

13 

171.4 

–50.6 

  9.5 

Vurhari, negative (pyroclastics) 

22 

178.3 

–52.2 

19.5 

Vurhari, positive (pyroclastics) 

5 

7.1 

64.4 

14.3 

Gradinka, negative (pyroclastics)  44 

189.5 

–54.4 

 4.5 

Gradinka, positive (pyroclastics)  21 

4.6 

62.5 

 6.4 

Mean (negative) 

3 

182.7 

–53.3 

 9.7 

Mean (positive) 

4 

6.5 

54.8 

14.4 

Mean (all) 

7 

184.5 

–54.1 

 7.0 

 

Table 1: Site mean directions in the pyroclastics and the sediments.

Segment Lulichka is located to the south of Karamfil (Fig. 2), out-

side the map. N — number of samples; D, I — site mean declination

and inclination; α

95

 — confidence limit.

CORRELATION  OF  PALEOGENE  SECTIONS  IN  THE  EASTERN  RHODOPES                                 257

(D = 182.9°, I = –51.4°, α

95 

= 5.2°, 12 sites) obtained from the

neighbouring  lava  rocks  (Karloukovski  2000).  This  would

suggest a PDRM rather than a DRM origin of the NRMs in

the sediments due to the lack of inclination shallowing.

The magnetic polarity section between the radiometric data

(32.28 to 31.82 Ma) includes at least 7 polarity events, five of

which (N4 to N6, N8 and N9) are securely attested in multiple

sections. Some of them, like N6, are most certainly polarity

excursions and could not have been registered on the GPTS.

Others are 10 to 20 meters high (N4, N8 — in sediments) and

probably 10 to 20 ka in duration. We think that some of them

correspond to the three registered cryptochrons of normal po-

larity in the 12r chron — C12r-5, C12r-4, C12r-3 (Cande &

Kent 1995).

The ChRM directions of the sediments and pyroclastics al-

lowed straightforward construction of the magnetostratigraph-

ic profiles, and yielded reliable magnetic polarity zones and

sequences of zones in the two multiple sections studied (the

normal zones being numbered through N1 to N12 from bot-

tom to top) (Fig. 16).

Radiometric data

Three samples of zeolitized acid pyroclastic rocks from the

both  sections  studied  were  crushed,  sieved  and  passed

through Franz separator, before single crystals of sanidine and

biotite could be hand-picked. The samples were analysed at

SURRC in East Kilbride, UK using a mass spectrometer and

gas line devoted to low radiogenic argon content rocks. Step-

heating experiments were combined with single-crystal fusion

analyses  for  best  total  average  age.  Analytical  procedures

were similar to those used by Singer et al. (1999). The sam-

ples,  along  with  27.92 Ma  sanidine  standard  Tcr-2a,  were

placed in quartz vials and irradiated at the Oregon State Uni-

versity Triga reactor in the cadmium lined in-core irradiation

tube (CLICIT). Prior to the analyses, samples were degassed

in  a  vacuum  for  approximately  2  weeks  to  remove  any  ab-

sorbed air. To release the radiogenic and potassium-derived

argon, individual samples were heated to progressively higher

temperatures in a double vacuum furnace from around 500 to

1200 °C over 9–12 steps. Reactive gases were removed using

a two-stage gas clean up, incorporating hot (450 °C) and cold

(room  temperature)  ZrAl  getters.  A  zeolite  cold  finger  was

used to trap hydrocarbons. Relative amounts of the different

argon isotopes in the cleaned gas fraction were measured with

a MAP-215 spectrometer. The 

40

Ar/

39

Ar ratios used to calcu-

late the age for each step were corrected for Ca-derived 

39

Ar,

air-derived 

40

Ar, the equipment blank and mass spectrometer

mass discrimination. The analytical errors of all these quanti-

ties were included in the standard deviation. Criteria for se-

lecting  reliable  results  have  been  established  by  Singer  &

Pringle (1996).

All the three ages obtained plot onto the Rupelian time span

of the Gradstein & Ogg’s (1996) timescale — Table 2.

Correlations

The following correlations of the sections studied could be

made using the data reported:

1. The specific alternation of the normal polarity zones from

N7 to N9 (Fig. 16), revealed in the both sections, led to their

secure leveling (Karloukovski 2000) and could be used as a

marker in the magnetostratigraphic correlations:

a) The lowermost levels of the sandstone formation in sec-

tion  A  (epiclastic  rocks  in  segments  Tyutyunche  and  Slun-

chogled)  and  the  lowermost  levels  of  the  formation  of  phe-

noandesite epiclastics in section B (segment Karamfil) have to

be  correlated  because  they  belong  to  the  N8  polarity  zone.

These levels are also very well comparable from the lithologi-

cal point of view.

b) The uppermost 40 m of the formation of zeolitized acid

pyroclastics  in  section  A  and  the  whole  140 m  of  the  same

formation in section B have to be correlated not only on the

basis of the magnetostratigraphic data (both intervals belong

Fig. 15. Stereoplot of the site-mean directions in the sediments and

pyroclastics.  The  star  indicates  the  direction  of  the  present  dipole

magnetic field. Open and closed symbols denote the lower and up-

per hemisphere projections, correspondingly.

 

Sample 

Number 

Mineral 

Number of 

crystals 

Number of 

analyses 

Age  

(Ma) 

I         

(Ma) 

Section and 

segment 

Geological age according to 

Gradstein & Ogg (1996) 

D337 

Sanidine 

6 

15 

32.28 

±0.07 

A, Vurhari 

Rupelian 

D227 

Sanidine 

6 

10 

32.00 

±0.06 

A, Sedlari 

Rupelian 

D462 

Biotite 

6 

6 

31.82 

±0.07 

B, Karamfil 

Rupelian 

I — standard deviation of the normal distribution 

Table 2: 

40

Ar/

39

Ar ages of zeolitized acid pyroclastics.

258                                                                                      MOSKOVSKI  et al.

Fig. 16. Magnetostratigraphy and proposed correlation of the sections studied. The normal polarity zones on the magnetostratigraphic col-

umns are shown in black and are numbered from N1 to N12, the reverse ones — in white, the transitional zones are hatched.

CORRELATION  OF  PALEOGENE  SECTIONS  IN  THE  EASTERN  RHODOPES                                 259

Fig. 17. Position of the combined magnetic polarity profile of the sections stud-

ied on the Geomagnetic Polarity Time Scale (Cande & Kent 1995) and on the

Geological Timescale of Gradstein & Ogg (1996).

to  the  N7  polarity  zone),  but  according  to  their

40

Ar/

39

Ar ages and lithological features as well.

2.  On  the  Geomagnetic  Polarity  Time  Scale

(GPTS) the dated part of section A (between sam-

ples D337 and D227), which corresponds to a time

span  of  0.46  Ma,  falls  entirely  within  the  lower

part of the 12r polarity chron (Fig. 17). This result

is  in  agreement  with  the  paleomagnetic  data  on

previously studied volcanic bodies from a territory

situated  between  the  sections  studied  (Dola-

pchieva et al. 1986).

3. The 

40

Ar/

39

Ar age of biotite (31.8±0.07 Ma

—  Sp.  No.  D462,  segment  Karamfil,  section  B;

Table  2)  is  consistent  with  the 

40

Ar/

39

Ar  age  of

plagioclase  (31.39±0.50  Ma)  from  similar  pyro-

clastics near Karamfil (Singer & Marchev 2000).

The cited authors interpreted these pyroclastics as

“outflow tuffs” of the Borovitsa caldera. The same

origin could be suggested for all the zeolitized py-

roclastic  flows  deposits  in  section  A,  having  in

mind their age and the common petrographic fea-

tures  of  their  foreign  and  cognate  clasts  on  one

hand and the intermediate and acid volcanics from

the Borovitsa volcanic region — on the other.

4.  The  differences  in  the  dimensions  of  the

former pyroclasts and cognate clasts in the zeoli-

tized  acid  pyroclastics  in  section  A  as  compared

with those in section B could be explained with a

suggestion that the respective pyroclastic flow de-

posits were related to different explosive events in

the Borovitsa caldera realm.

Conclusions

1.  The  study  shows  that  the  combination  of

lithostratigraphic, magnetostratigraphic and high-

resolution  radiometric  (

40

Ar/

39

Ar)  data  can  be  a

very useful tool for correlation of complex strati-

fied volcano-sedimentary sections and for discrim-

ination of the respective volcanic events and pro-

cesses:

a)  Two  lithostratigraphic  units  of  different  li-

thology  (sandstone  formation  —  section  A  and

formation of epiclastics — section B) were com-

pletely correlated.

b)  Two  lithostratigraphic  units  of  completely

comparable lithology (formation of zeolitized acid

pyroclastics) were partially only correlated.

2. The polystage formation of pyroclastic flows,

their zeolitization into the Rupelian marine basin

and  the  contemporaneous  sedimentation  took

place  in  a  relatively  short  time  span  of  approxi-

mately 0.46 Ma, as is shown by the 

40

Ar/

39

Ar dat-

ing of different levels of section A.

260                                                                                      MOSKOVSKI  et al.

3. The accumulation of the rocks in the area of section A is

a result of sedimentation and contemporaneous acid explosive

volcanic  activity  in  the  Borovitsa  caldera  realm.  Volcanic

products  related  to  centre(s)  of  intermediate  composition

(mentioned by many previous authors) were not recorded in

the territory in question.

Acknowledgments: The paleomagnetic and 

40

Ar/

39

Ar studies

were financed by Lord Zuckermann’s studentship at the Uni-

versity of East Anglia, Norwich. The geological maps (Fig. 1

and Fig. 2) are from the report of the Project 16604-K (Sub-

project 2), Sofia University. The authors would like to express

their gratitude to the reviewers Dr. N. Yordanova, Dr. A. Di

Stefano and Dr. I. Túnyi for the critical and helpful comments.

Y. Zagorcheva drew figures 1 and 2.

This paper was presented at the XVIIth Congress of Car-

pathian-Balkan  Geological  Association  held  in  Bratislava,

SR, in September 2002.

References

Boschinov K. 1976: Über die Ausdehnung und über die mineralche-

mische Charakteristik einer Schicht Öligozänisch-vulkanischer

Tuffe von den Südöstlichen Rhodopen. Ann. de l’Univ. de So-

fia “Kl. Ohridski”, Ser.  1 — Geol. 68, 1, 279–288 (in Bulgari-

an, German abstract).

Bozhinov  K.  1981:  Composition  of  the  Djebel  sandstones.  Rev.

Bulg. Geol. Soc. 42, 1, 130–137 (in Bulgarian).

Cande S. & Kent D. 1995: Revised calibration of the geomagnetic

polarity  time  scale  for  the  Late  Cretaceous  and  Cenozoic.  J.

Geophys. Res. 100, 6093–6095.

Dabovski C., Harkovska A., Kamenov B., Mavroudchiev B., Stani-

sheva-Vassileva G. & Yanev Y. 1989: Geodynamic model of

the Alpine magmatism in Bulgaria. XIV Congress CBGA. Re-

ports, Sofia, 44–66.

Day R., Fuller M. & Schmidt V. 1977: Hysteresis properties of tita-

nomagnetites: grain size and compositional dependence. Phys.

Earth Planet. Inter. 13, 260–267.

Djourova  E.  &  Aleksiev  B.  1984:  Zeolitic  rocks  deposits  of  eco-

nomic value in the North-Eastern Rhodopes. Ann. de l’Univ. de

Sofia “Kl. Ohridski”, L.  1 — Geol. 78, 256–262 (in Bulgarian,

English abstract).

Djourova E. & Boyadjiev S. 1999: The zeolitic rocks in the vicinity

of Karamfil village, Haskovo district — mineralopetrographic

and  geochemical  characteristics.  Geology  and  Mineral  Re-

sources 7, 18–23 (in Bulgarian, English abstract).

Dolapchieva  M.,  Nozharov  P.  &  Petkov  N.  1986:  Paleomagnetic

characteristics of the young volcanics of the Eastern-Rhodope-

an depression. Bulg. Geophysical J. 12, 2, 114–126 (in Bulgar-

ian, English abstract).

Embry E. & Klovan J. 1972: Absolute water depth limits of late De-

vonian paleoecological zones. Geol. Rdsch. 61, 672–686.

Folk  R.  1962:  Spectral  subdivision  of  limestone  types.  In:  Ham

W.E.  (Ed.):  Classification  of  carbonate  rocks.  Amer.  Assoc.

Petrol. Geol. Mem. 1, 62–84.

Gradstein F. & Ogg J. 1996: Geological timescale. Episodes 19, 1–2.

Harkovska A. & Djourova E. 1994: Petrologic features and slump

redeposition  of  Paleogene  rhyolitic  tuffs  from  Eastern

Rhodopes (Bulgaria). Int. Volcanol. Congr. IAVCEI 1994, An-

kara, Abstracts, 1–69.

Harkovska  A.,  Moskovski  S.  &  Jouranov  S.  1992:  Upper  Eocene

(Priabonian) rhyolite tuffs in the region of Dambaluk Mountain

(East Rhodopes, Bulgaria). Geol. Balcanica 22, 1, 74.

Harkovska A., Moskovski S. & Nedyalkov R. 1994: Paleogene vol-

canomictic sediments (epiclastics) in the south-eastern parts of

the Momchilgrad-Ardino volcanic region (SE Bulgaria). C. R.

Acad. Bulg. Sci. 47, 10, 53–56.

Harkovska  A.,  Pe-Piper  G.,  Stoykova  K.,  Nedyalkov  R.  &  Mosk-

ovski  S.  1998:  Late  Oligocene  (Chattian)  epiclastics  and  lava

flows of intermediate composition from the Eastern Rhodopes

(Bulgaria). C. R. Acad. Bulg. Sci. 51, 7–8, 53–58.

Heller F., Markert H. & Schmidtbauer E. 1979: Partial self-reversal

of NRM of an historical lava flow of Mt. Etna (Sicily). J. Geo-

phys. 45, 235–257.

Karloukovski  V.  2000:  Magnetostratigraphy  and  palaeomagnetism

of the area around the Momchilgrad Paleogene depression, the

East Rhodope massif. PhD Thesis, University of East Anglia,

Norwich, 1–343.

Kirov G., Pechigargov V. & Chelebiev E. 1976: Effect of the grain

size of volcanic glass on the mineral composition of its alter-

ation  products.  Geochemistry,  Mineralogy  and  Petrology,  4 ,

83–90 (in Bulgarian, English abstract).

Kozhoukharov D., Boyanov I., Goranov A., Yanev Y., Shilyafova J.

&  Rousseva  M.  1989:  Geological  map  of  Bulgaria,  Scale

1:100,000, Sheet Kurdjali, Sofia.

Kozhoukharov  D.,  Boyanov  I.,  Goranov  A.  &  Kozhoukharova  E.

1992:  Geological  map  of  Bulgaria,  Scale  1:100,000,  Sheet

Kroumovgrad and Sape, Sofia.

Lowrie W. 1990: Identification of ferromagnetic minerals in a rock

by coercivity and unblocking temperature properties. Geophys.

Res. Lett. 17, 159–162.

McFadden P. & McElhinny M. 1990: Classification of the reversal

test in paleomagnetism. Geophys. J. Int. 103, 725–729.

Moskovski S., Harkovska A. & Marchev P. 1993: New data on the

stratigraphy of the Paleogene in the Dambaluk volcanic massif.

C. R. Acad. Bulg. Sci. 46, 6, 61–64.

Moskovski S., Harkovska A., Marchev P., Jouranov S. & Lilov P.

1990:  Stratigraphic,  petrologic  and  structural-volcanologic

studies  in  the  Dambaluk  volcanic  massif.  Project  16604-K,

Subproject 2. Fac. of Geol. and Geogr., Sofia University, Sofia

(in Bulgarian, unpublished).

Raynov N., Popov N., Yanev Y., Petrova P., Popova T., Hristova V.,

Atanasova R. & Zankarska R. 1997: Geological, mineralogical

and  technological  characteristics  of  zeolitized  (clinop-

tilolitized) tuff deposits in the Eastern Rhodopes, Bulgaria. In:

Kirov G., Filizova L. & Petrov O. (Eds.): Natural zeolites. So-

fia’95. PENSOFT, Sofia–Moscow, 263–275.

Sapoundjieva V. & Yanev Y. 1984: Fauna from the sandstones near

Djebel, East Rhodopes. Rev. Bulg. Geol. Soc. 45, 308–317 (in

Bulgarian, English abstract).

Singer B. & Marchev P. 2000: Temporal evolution of arc magma-

tism  and  hydrothermal  activity,  including  epithermal  gold

veins,  Borovitsa  caldera,  Southern  Bulgaria.  Econ.  Geol.  95,

1155–1164.

Singer B., Hoffman K., Chauvin A., Coe R. & Pringle M. 1999: Dat-

ing  transitionally  magnetised  lavas  of  the  late  Matuyama

Chron:  toward  a  new 

40

Ar/

39

Ar  timescale  of  reversals  and

events. J. Geophys. Res. 104, 679–693.

Singer B. & Pringle M. 1996: Age and duration of the Matuyama–

Brunhes  geomagnetic  polarity  reversal  event  from 

40

Ar/

39

Ar

incremental heating analyses of lavas. Earth Planet. Sci. Lett.

139, 47–61.

Yanev Y. 1995: General characteristics of the Late Paleogene colli-

sion  volcanism  in  the  Rhodopes.  In:  Aleksiev  B.  (Ed.):  Sofia

Zeolite Meeting ’95, International Symposium and Exhibition

on Natural Zeolites, June 18–25, 1995, Sofia, Bulgaria. Guide

to the Post-Meeting Field Trip, 3–19.

Zijderveld J. 1967: A.C. demagnetization of rocks: Analysis of re-

sults. In: Collinson D., Creer K. & Runcorn S. (Eds.): Methods

in palaeomagnetism. Elsevier, Amsterdam, 254–286.