Julia Bial - macau - Christian-Albrechts

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.