Zoned UltramaficComplexesofthe Kohistanpaleo - ETH E

DISS. ETH NO:. 15823
Zoned Ultramafic Complexes ofthe Kohistan paleo-island
Are
Petrological, structural and geochemicalevidence for kilometer-scalemeltconduits
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERALINSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURTCH
for the degree of
Doctor ofNatural Sciences
Presented
by
Oliver Jagoutz
Diplom-Geologe,
GeologischesInstitut der
Johannes Gutenberg-Universität, Mainz
Born 02.04.1971
Citizen of Austria
Accepted on the recommendation of
Prof. Jean-Pierre Burg
ETH Zürich
examiner
Prof. Peter Ulmer
ETH Zürich
co-examiner
Prof. Othmar Müntcner
Universität Bern
co-examiner
Prof. Jean-Louis Bodinier
Universite Montpellier
co-examiner
Zürich, 2004
Abstract
The Kohistan Island Are
Complex
was
initiated
some
time in the Jurassic above
a
north
dipping
intra-oceanic subduction zone, somewhere in the equatorial area of the Tethyan
Occan. The are, remnants of it are now located in NW Pakistan, got embedded between the
colliding Indian and Eurasian plate during the Himalayan orogeny. It is one ofthe few places
in the world where the lower are crust is fully exposed and lower crustal are building
mechanism can be studied.
This research work aimed at
elucidating three
main
questions: 1)
What
are
the mutual
relationships between the ultramafic units of the so-called Chilas Complex and the
surrounding large mass of gabbronorite; 2) Which effects had this large intrusion on the
tectono-magmatic evolution of the Kohistan are; 3) What is the time relationship between
aecretionary / obduetion events and deformed plutonites ofthe KohistanBatholith? To answer
the first two question detailed field mapping and structural traverses were carried out in the
area around the town Chilas in NW Pakistan.
Petrological and geochemical analyses were
conducted at key lithologies within the Chilas Complex. Geochronologicalmeasurement (UPb zireon ages) on various intrusive units exposed in the vicinity ofthe town Dir were carried
out to reveal the intrusion and deformation history ofthe so-called Kohistan Batholith and the
associatedDir-Utror volcanite.
The so-called Chilas Complex is
large (<250 km long and 30 km wide) mafic-ultramafic
monotonous, homogeneous, dominantly gabbronoritic to
a
intrusion. The vast mafic part, a
gabbroie sequence is associated with
numerous
meter- to kilometer
scale ultramafic bodies.
Field relations indicate intrusion ofthe ultramafic roeks under sub-solidus conditions into
partially
Consolidated
gabbronorite mush,
ultrabasic rocks. The mineral
a
which in turn has intruded and reacted with the
major and trace element chemistry and the Nd isotopic signature
of the ultramafite and the surrounding gabbronorite sequence indicate fractionation of the
both from a common magma. The trace elements ofthe melt parental to the entire Chilas
Complex indicates melting within the spinel stability field in the upper mantel (<l .5 GPa). An
external component is necessary to explain the LREE signature of the parental melt. The
calculated component is most similar to a low percentage partial melt of an eclogitised
MORB probably derived from a subdueted slab. Based on field Observation and geochemical
arguments the dunitic core ofthe ultramafite bodies, are interpreted as replacive in origin due
to extensive interaction between the melt parental to the Chilas Complex and ultramafite
10
rocks. Therefore the ultramafite bodies
continuous melt Channels
through
be surface exposure of vertically
which the mafic part ofthe Chilas Complex was fed.
are
thought
to
Since the base of the Kohistan are prior to intrusion of Chilas Complex reached down to
pressures of -1.8 GPa, intrusion of the Chilas Complex was associated with significant
decompression and associated uplift of the Kohistan are base. The uplift is interpreted to
result from are wide intra-arc extension.
Syn-magmatic structures within the mafic part ofthe Chilas Complex additional indicate an
extensional setting during the intrusion. rfhe dominantly south dipping orientation of planar
magmatic fabric implies intrusion along a south-dipping, listric, normal fault. Vertical
extensional veins of late hornblende pegmatitc suggest that original orientations have been
preserved. The generally north dipping attitude of the southern part of the Kohistan are
predates the intrusion and can be explained by antithetic rotation of the hanging wall during
the intra are extension.
The intrusion age of various plutons near the town Dir span a continuous spectrum of ages
ranging from 75 Ma to 44 Ma. 72 Ma old granites intrusive into the so-called Utror-Dir
volcanite imply a significantly older minimum age for the volcanite than previously assumed.
The chemical characteristic of some Dir-Utror volcanite is similar to the mafic sequence of
the Chilas Complex. The Dir-Utror volcanite are interpreted, at least in part, as the effusive
equivalent of the Chilas Complex intrusion. They are deposited in an intra are basin
associated with the intra-arc rifting period.
II
Zusammenfassung
Der Kohistan Inselbogen
Komplex entstand, vermutlich im Jura, durch nordwärts gerichtete
intraozeanische Subduktion im äquatorialen Bereich der Tethys. Der Insclbogen, von dem
Teile heute im NE von Pakistan aufgeschlossen sind, wurdewährend der Gebirgsbildungdes
Himalaya in die Kollisonszone zwischen der indischen und eurasischen Kontinentalplatte
miteinbezogen. Aufgrund der hervorragenden Aufschlussverhältnisse bietet der Kohistan
Inselbogen Komplex die weltweit seltene Möglichkeittiefkrustalc Prozesse, die seinerzeit zur
Bildung des Inselbogen führten, zu studieren.
Diese Arbeit zielt darauf ab drei essentielle Fragen zu erörtern: 1) Welche gegenseitigen
Beziehungen bestehen zwischen den ultramafischen Gesteinen des Chilas Komplexes und den
sie umschließenden Gabbronoriten ? 2) Welche Effekte hatte die Intrusion dieses riesigen
Komplexes auf die tectonisch-magmatische Entwicklung des Inselbogens ? 3) Im welchen
zeitlichen Verhältnis stehen Akkretion/Obduktion des Inselbogens und Deformation der
Plutonite des KohistanBatholithes ?
Um die beiden ersten
Fragen
Umgebung der Stadt Chilas
detailliert geologisch kartiert. Anschließend wurden petrologische und geoehemische
Untersuchungen an wichtigen Lithologien des so genannten Chilas Komplexesdurchgeführt.
Um die dritte frage zu beantworten wurden geochronologischeBestimmungen (U-Pb an
Zirkonen)von verschiedenen intrusiven Gesteinen, aufgeschlossen in der Nähe der Stadt Dir,
wurden durchgeführt, um die Deformationsgeschichte der so-genannten Kohistan Batholithe
zu
beantworten wurde in der
und der assoziierten Dir-Utror Vulkanite zu erleuchten.
Der Chilas Komplex ist eine riesige (<250 km lang und 30 km breit) mafische-ultramafische
Intrusion. Der beherrschende mafische Teil, bestehend aus eintönigen, homogenen,
hauptsächlich gabbronorifischen bis gabbroischen Gesteinen, ist assoziiert mit einer Vielzahl
von ultramafischen Komplexen, deren Ausmaße von
wenigen Metern bis zu einigen
Kilometern reichen. Die Geländeverhältnisse deuten eine Intrusion der ultramafischen
Komplexe unter sub-solidus Bedingungen in partiellverfestigten gabbronorifischen Einheiten
die im
Gegenzug die
Ultramafite intrudieren und mit ihnen reagieren. Die Mineralchemie
der ultramafischen und mafischen Gesteine und ihre Nd isotopische Signaturen deuten darauf
an,
hin, dass beide Serien durch Fraktionierung eines gemeinsamenMagmas entstanden sind. Die
Konzentrationenvon Spurenelementen der Schmelze, welche den gesamten Chilas Komplex
geschaffen hat, indizieren Aufschmelzung des oberen Mantels innerhalb des Spinel
12
(<1.5 GPa). Eine externe Komponente ist jedoch notwendig um die leichten
Spurenelemente der Schmelze zu erklären. Die Chemie dieser berechneten Komponente hat
große Ähnlichkeit mit einer Schmelze die durch geringe Aufschmelzung eines cklogitisierten
MOR Basaltes entstanden ist. Diese Komponente könnte von der subduzierten ozeanischen
Platte stammen. Feldbeobachtungen und geochemischen Argumenten lassen darauf
schliessen, dass die dunitischen Kerne der ultramafischen Körper durch Interaktion zwischen
der Schmelze die den Chilas Komplex gebildet hat und ultramafischen Gesteinen entstanden
Stabilitäts-Feldes
sind. Deshalb werden die Ultramafite als das Oberflächen Abbild eines in die Tiefe
fortlaufenden Förderkanals, durch den die Schmelze, die später den mafischen Teil des Chilas
Komplexesgeformt hat, aufgestiegen ist, interpretiert.
Da der untere Teil des Kohistan Inselbogens, vor der Intrusion des Chilas Komplexes, schon
Tiefen, die einem Druck von ca. 1.8 GPa entsprechen, erreichte, muss im Zusammenhang mit
der Intrusion der untere Teil des Inselbogens signifikant angehoben worden sein. Diese
Anhebung wird interpretiert als das Ergebnis einer Extension die den gesamten Inselbogen
erfasst hat.
Syn-magmatische
Strukturen innerhalb des mafischen Teiles des Chlias
Komplexes deuten
Spannungen während der Intrusionsphase an. Die dominant nach
Süden einfallenden, magmatischen, planaren Gefüge indizieren, dass der Chilas Komplex
entlang einer nach Süden einfallenden, listrisch verlaufenden Abschiebung intrudiert ist. Die
heutzutage vertikale Orientierung von spät-magmatischen Flornblende-Pcgmatiten lässt
vermuten, dass der Komplex noch immer seine originale Orientierung im Raum beibehalten
hat. Die Rotierung der im Süden des Chilas Komplex aufgeschlossenen Serien, die
vornehmlich nach Norden einfallen, muss dementsprechend vor der Intrusion stattgefunden
haben. Eine anhhetische Rotierung des Hangendens, entlang einer listrischen Abschiebung,
könnte eine Erklärung für diese Rotation liefern.
Die Intrusionsalter verschiedener Plutonen, die in der Nähe der Stadt Dir aufgeschlossen sind,
ergeben ein kontinuierlichesSpektrum, das von ca. 75 Ma bis 44 Ma reicht. Intrusivc Granite
zusätzliche extensionale
innerhalb der sogenannten Dir-Utror Vulkanite sind 72 Ma alt und deuten damit ein
signifikant älteres Alter der Vulkanite an als ursprünglich angenommen. Die chemischen
einiger Vulkanite kann man mit denjenigen der mafischen Sequenz des
Chilas Komplexes vergleichen.Dementsprechend werden die Dir-Utror Vulkanite, zumindest
zum Teil, als vulkanische
Äquivalente des Chilas Komplexes interpretiert. Sie wurden in
einem Graben innerhalb eines Bogens abgelagert, der während der Extensionsphase
Charakteristiken
entstanden ist.