Julia Bial - macau - Christian-Albrechts
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The Mesoproterozoic evolution of the central Namaqua Metamorphic Complex (South Africa and Namibia): Petrology, geochemistry and geochronology Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel vorgelegt von Julia Bial Kiel, 2015 Erster Gutachter: Prof. Dr. Romain Bousquet Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Thorsten Nagel Tag der mündlichen Prüfung: 16.01.2015 Zum Druck genehmigt: 02.02.2015 gez. Prof. Dr. Wolfgang J. Duschl, Dekan Abstract The Namaqua Metamorphic Complex (NMC), a Mesoproterozoic orogenic belt in western South Africa and southern Namibia, developed during the amalgamation of the supercontinent Rodinia (1.3 – 1.0 Ga). The metamorphic belt along the western and southern margins of the Kaapvaal Craton is of low-pressure amphibolite to granulite facies. Several authors described since the 1980s two high-grade metamorphic events at ∼1200 Ma and ∼1000 Ma, which coincide in age with two of three stages of granitoid emplacement at 1220 – 1180 Ma, ∼1100 Ma and 1040 – 1020 Ma. The latter of these magmatic stages exits only in western Namaqua. However, the timing of the high-temperature metamorphism reaching > 800 ◦ C is still controversial discussed and the reasons for the unusual high geotherms are unresolved. Collisional settings have often been proposed as geodynamic model for the development of the NMC, although direct evidences, such as mafic rocks that could be interpreted as former ophiolites, high-pressure rocks, alpine-style nappe tectonics, or orogenic suture zones, are missing. This renders the problem of the tectonic setting of the NMC in the Mesoproterozoic largely unresolved. This thesis aims to solve some of the open questions regarding the formation processes of the NMC by using petrography, texturally controlled in situ dating techniques to combine metamorphic textures with age results and geochemistry of rocks from the central NMC (Kakamas Terrane). The Kakamas Terrane is dominated by granitoid rocks/gneisses intercalated with metapelites and subordinate calc silicates and mafic rocks. The major, trace and rare earth element geochemistry of the granitoids indicate two contrasting types of melts. (i) High-potassium, ferroan, peralumnious granitoids with A-type characteristics and minimum magma temperatures of ∼800 ◦ C. Such granitoids are common in other Mesoproterozoic terrains worldwide and are usually associated with dioritic, tonalitic or similar lower crustal sources, or are mantle derivatives. (ii) Peralumnious granitoids and leucogranites with low magma temperatures of ∼670 –725 ◦ C. Composition and magma temperature suggest fluid-present partial melting of sedimentary crustal sources as their most likely mechanism of formation. Both types of magmas were emplaced during a relatively short time interval of 30 – 40 million years between ∼1220 and 1180 Ma, which seems to be the main crust forming event in the study area. Metamorphic rims around magmatic zircon cores indicate a metamorphic overprint of these plutons at ∼1100 Ma. Petrographic studies reveal HT to UHT metamorphic conditions during peak metamorphism. Osumilite, spinel + quartz and corundum + quartz have been stable during the thermal peak in the highest-grade parts of the belt, indicating metamorphic conditions of at least 800 – 900 ◦ C at ∼5 kbar (obtained from equilibrium assemblage modelling of spinel + quartz bearing metapelites). Osumilite may have formed at somewhat higher temperatures. In shallower crustal levels metamorphism reached 640 – 680 ◦ C at 4.0 – 4.5 kbar, followed by minor decompression to 3.5 kbar. These conditions are in the same range than P-T condition during retrograde metamorphism of the highest-grade rocks, where biotite+sillimanite+quartz intergrowths replaced peak metamorphic phases. The most common zircon and monazite forming stage was dated at ∼1200 Ma and is associated with the common peak metamorphic textures including spinel + quartz and corundum + quartz. In addition, zircon in osumilite bearing rocks indicates an early Mesoproterozoic stage of anatexis at 1351 – 1299 Ma. Hence, the possibility exits that UHT (growth of osumilite) took place very early in the Namaquan history. The oscillatory-zonation of this zircon generation surely indicates that metamorphic conditions at this early stage have been already high enough to facilitate partial melting in metapelites (> 650 ◦ C). Minor re-heating after retrogression (640 – 680 ◦ C → 700 – 750 ◦ C) slightly overprints the peak/retrograde textures due to the growth of a new generation of garnet. Metamorphic zircon rims and recrystallized monazite indicate an age of ∼1100 Ma for this stage of the Mesoproterozoic history. Metapelites in the northern part of the Kakamas Terrane in southern Namibia near Grünau transmit similar peak metamorphic textures in undeformed rocks, including the assemblages spinel + quartz and cordierite + quartz. Peak metamorphic conditions of 800 – 850 ◦ C and 4.0 – 4.5 kbar are in the same range than deduced from metapelitic rocks further south. Single phased monazite within these rocks reveals an age of 1210 – 1180 Ma, which reflects the timing of granulite facies peak metamorphism. This indicates that the rocks of the Kakamas Terrane exposed in South Africa and southern Namibia share a common history during the Mesoproterozoic, as metamorphic conditions as well as age results coincide. Metapelites located within a ∼10 km wide shear zone in the northern part of the study area in southern Namibia are intensively deformed or even mylonitised. Relicts of the hightemperature metamorphic event are in parts preserved, but lower-grade metamorphic parageneses containing biotite, quartz, alkali feldspar, plagioclase, sillimanite and cordierite or muscovite, which developed during deformation, are more common. Equilibrium assemblage models indicate conditions of 590 – 650 ◦ C at 3.5 – 5.0 kbar during deformation. Monazite grains in these rocks transmit two age populations of ∼1200 Ma and 1140 – 1110 Ma. The latter of these age populations is interpreted to reflect the timing of the post metamorphic deformation. Mineral assemblages of the undeformed, high-grade rocks are almost dry, whereas the deformed metapelites contain numerous (OH)− /water bearing minerals (biotite, muscovite, gedrite, cordierite), indicating that H2 O-rich fluids were involved during deformation. The recorded long-lasting high-temperature history (> 650 ◦ C) between ∼1350 Ma and ∼1100 Ma with temperatures of > 850 ◦ C at near-constant pressures is not compatible with crustal thickening and continent-collision models. Such long-lasting isobaric high-temperature history is best compatible within a long-lasting, steady heat transfer from the mantle into a thinned and hot lithosphere in a continental mobile belt setting. Largely stable crust was exposed to persistent heat influx that kept the geothermal gradients high over a time span of 200 – 300 m.y., causing UHT metamorphism at crustal depths below ∼20 km. Several heat pulses may account for the two main metamorphic stages at ∼1200 Ma and ∼1100 Ma. Zusammenfassung Der Namaqua Metamorphic Complex (NMC), ein Gebirgsgürtel entlang der westlichen und südlichen Grenze des Kaapvaal Kratons im westen von Südafrika und im Süden von Namibia, steht im Zusammenhang mit der Bildung des Superkontinentes Rodinia vor 1.3 – 1.0 Mrd. Jahren. Der NMC unterlag einer amphibolit- bis granulitfaziellen Metamorphose bei geringen Drücken, welche in der Literatur seit den 1980er Jahren für gewöhnlich als zweistufige Metamorphose mit Phasen vor ∼1200 Ma und ∼1000 Ma dargestellt wird. Diese metamorphen Ereignisse überschneiden sich im Alter mit zwei von drei beschriebenen Zyklen magmatischer Aktivität, bei der Granitoide um 1220 – 1180 Ma, ∼1100 Ma und 1040 – 1020 Ma in die Kruste intrudierten. Der letzte dieser Zyklen beschränkte sich allerdings auf die westlichen Bereiche des NMC und ist in anderen Teilen nicht beschrieben. Kontrovers diskutiert wird jedoch das zeitliche Auftreten der > 800 ◦ C heißen Metamorphose und die Gründe, welche zu diesem ungewöhnlich hohen geothermischem Gradient führten. Obwohl direkte Hinweise, wie z.B. die Existenz von mafischen Gesteinen, welche als Reste ozeanischer Kruste interpretiert werden könnten, Hochdruck Gesteine, Alpin-ähnliche Decken-Tektonik, oder orogene Nahtstellen, fehlen, wurden Kontinent-Kollisions Szenarien häufig als geodynamisches Modell für die Entstehung des NMC herangezogen. Daher sind die geodynamischen Hintergründe, welche zur Entstehung des NMC im Mesoproterozoikum führten, weitestgehend unverstanden. Diese Arbeit beantwortet einige der offenen Fragestellungen bezüglich der Entstehungsprozesse des NMC. Dabei wurden Techniken aus der Petrographie, der Geochemie und der strukturellkontrollierten Datierung an Gesteinen aus dem zentralem Teil des NMC (Kakamas Terrane) herangezogen. Das Kakamas Terrane besteht hauptsächlich aus Granitoiden oder Granitoid-Gneisen, welche mit Metapeliten und untergeordnet Kalksilikat-Gesteinen und Mafiten assoziiert sind. Die Haupt-, Spuren- und seltene Erd-Element Geochemie dieser Granitoide zeigt, dass es zwei unterschiedliche Typen von magmatischen Schmelzen gegeben haben muss. (i) Kalium- und Eisen-reiche, peralumnische Granitoide mit A-typ Charakteristiken, deren Schmelze hohe Schmelztemperaturen von mindestens ∼800 ◦ C besessen haben muss. Ähnliche Granitoide scheint es häufig in Gebieten mesoproterozoischen Alters in anderen Teilen der Welt zu geben. Sie werden für gewöhnlich mit Schmelzen assoziiert, die bei der Aufschmelzung dioritischer, tonalitischer oder ähnlicher Unterkruste entstanden sind, oder sie sind mit der Differentiation von Mantelschmelzen assoziiert. (ii) Peralumnische Granitoide und Leukogranite, deren Schmelzen geringere Schmelztemperaturen von ∼670 – 725 ◦ C besaßen. Die Zusammenset- zung und die geringen Schmelztemperaturen dieser Gesteine deuten auf eine Entstehung durch partielles Aufschmelzen einer sedimentären Quelle in Anwesenheit von Wasser hin. Beide Magmentypen intrudierten innerhalb eines kurzen Zeitintervalls von 30 – 40 Million Jahren zwischen ∼1220 und 1180 Ma vor heute in die Kruste. Dieses magmatische Ereignis war das wichtigste krusten-bildende Ereignis dieser Zeit. Metamorphe Ränder um magmatischzonierte Zirkonkerne zeigen zudem eine metamorphe Überprägung einiger dieser um 1200 Ma entstandener Granitoide vor ∼1100 Ma. Petrographische Untersuchungen indizieren eine Metamorphose unter Hochtemperatur bis Ultra-Hochtemperatur Bedingungen während des Maximums der Metamorphose. Osumilit, Hercynit+Quarz und Korund+Quarz waren während dieses Maximums in den Gebieten mit höchstem Metamorphosegrad stabil. Gleichgewichts-Phasen-Diagramme deuten dabei auf metamorphe Bedindungen von mindestens 800 – 900 ◦ C bei ∼5 kbar hin. Osumilit könnte sogar bei etwas höheren Temperaturen gewachsen sein. Die maximalen MetamorphoseBedingungen etwas flacherer Krustenniveaus lagen bei 640 – 680 ◦ C und 4.0 – 4.5 kbar mit anschließender Druckentlastung auf 3.5 kbar. Diese Druck- und Temperaturbedingungen sind identisch mit den retrograden Druck- und Temperaturbedingungen der tiefer gelegenen Gebiete. Die bedeutendste Zirkon- und Monazit-bildende Phase wurde auf ∼1200 Ma datiert und wurde mit den metamorphen Gefügen (Osumilit, Hercynit + Quarz, Korund + Quarz) während des Metamorphose-Maximums in Verbindung gestellt. Allerdings zeigt Zirkon in dem Gestein, welches auch Osumilit enthält, zusätzlich eine frühe Phase der Schmelzbildung vor 1351 – 1299 Ma. Daher kann nicht ausgeschlossen werden, dass das Ultra-Hochtemperatur Ereignis sehr früh in der mesoproterozoischen Geschichte des Arbeitsgebietes stattfand. Die oszillierende Zonierung dieser 1300 Ma alten Zirkone deutet jedoch darauf hin, dass die Druckund Temperaturbedingungen zu dieser Zeit bereits so hoch waren (>650 ◦ C), dass partielle Schmelzbildung in Metapeliten möglich war. Eine zweite geringe Aufheizung der Gesteine im Anschluss an die retrograde Metamorphose von 640 – 680 ◦ C auf 700 – 750 ◦ C führte zu einem Neuwachstum von Granat. Die Datierung metamorpher Zirkonränder und rekristallisierter Monazite zeigt ein Alter von ∼1100 Ma für dieses Stadium der mesoproterozoischen Geschichte des NMC. Metapelite, welche aus einem Teil des Kakamas Terrane weiter nördlich im Süden Namibias stammen, besitzen ähnliche Mineralgefüge in undeformierten Gesteinen wie die höchstmetamorphen Gesteine weiter südlich. Die Stabilität von Hercynit + Quarz und Hercynit + Cordierit ist auch in diesen Gesteinen typisch. Druck- und Temperaturbedingungen während des metamorphen Maximums lagen bei 800 – 850 ◦ C und 4.0 – 4.6 kbar. Monazit zeigt in diesen Gesteinen nur eine Wachstumsphase und ist auf ein Alter von 1210 – 1180 Ma datiert. Dieses Zeitspanne entspricht demnach dem Alter der granulitfaziellen Metamorphose. Damit zeigen sowohl die Gesteine in Namibia als auch die Gesteine in Südafrika eine gran- ulitfazielle Metamorphose mit ähnlichen Druck- und Temperaturbedingungen vor ∼1200 Ma. Eine gemeinsame Entstehungsgeschichte dieser zwei Aufschlussgebiete im Mesoproterozoikum ist demnach wahrscheinlich. Metapelite aus einer ∼10 km breiten Scherzone im Norden des Arbeitsgebietes in Namibia sind stark deformiert oder sogar mylonitisiert. Relikte eines ehemaligen Hochtemperatur Gefüges sind erhalten, jedoch haben weniger stark metamorphe Mineral-Paragenesen bestehend aus Biotit, Quarz, K-Feldspar, Plagioklas, Sillimanit und Cordierit oder Muskovit diese während der anschließend Deformation ersetzt. Gleichgewichts-Phasen-Modellierungen ergaben während der Deformation herrschende Druck- und Temperaturbedingung von 590 – 650 ◦ C und 3.5 – 5.0 kbar. Monazit zeigt in diesen deformierten Gesteinen ein zweistufiges Wachstum vor ∼1200 Ma (Monazit-Kerne) oder 1140 – 1110 Ma (Monazit-Ränder). Das jüngere dieser Alter wird mit dem Deformationsereignis der Gesteine korreliert. Die Minerale in den granulitfaziellen Gesteinen sind vorwiegend wasserfrei. Die deformierten Gesteine beinhalten allerdings zahlreiche Mineralarten wie z.B. Biotit, Muskovit oder Cordierit, welche Wasser oder (OH)− Anionen in ihrer Kristallstruktur einbauen. Dies zeigt, dass wahrscheinlich wasserhaltige Fluide während der Deformation beteiligt waren. Die langandauernde Hochtemperatur Geschichte (> 650 ◦ C) zwischen ∼1350 Ma und ∼1100 Ma mit Temperaturen von > 850 ◦ C in der Spitze, bei relativ gleichbleibenden Drücken ist nicht im Einklang mit einer Entstehung durch Krustenverdickung oder Kontinent-Kollision. Ein solch langanhaltener, isobarer Hochtemperaturverlauf ist am besten vereinbar mit einem langanhaltendem Wärmezufluss aus dem Mantel in eine ausgedünnte und heiße Lithosphäre innerhalb eines kontinentalen Back Arc Beckens. Ist ein stabiler Krustenblock andauerndem Wärmezufluss ausgesetzt, führt dies zu hohen geothermischen Gradienten, welche über Zeitspannen von 200 – 300 Millionen Jahren ungewöhnlich hoch bleiben können. Dieses Szenario führte zu einer Ultra-Hochtemperatur Metamorphose in Krustentiefen von unter ∼20 km. Einzelne Wärmeimpulse könnten für die zwei metamorphen Ereignisse vor ∼1200 Ma und ∼1100 im Arbeitsgebiet verantwortlich gewesen sein.
