P-T evolotion and High-temperature deformation of Precambrian eclogite, Sveconorwegian orogen

Abstract

The 1.1-0.9 Ga Sveconorwegian orogen is one of several Grenvillian-aged orogenic belts that mark the amalgamation of supercontinent Rodinia. The highest-pressure rocks in the Sveconorwegian orogen are eclogites in the Eastern Segment (SW Sweden). The eclogites occur in a nappe in the high-grade metamorphic level of the Eastern Segment that represents a window into the deepest part of this Precambrian mountain belt. The aim of this thesis is to reconstruct the metamorphic history of the eclogite-bearing nappe by characterizating the deformation associated with exhumation (Paper I) and by reconstructing the P–T evolution (pressure and temperature; papers II and III).
Paper I focuses on the deformation structures in the basal shear zone of the eclogite-bearing nappe. These structures developed during exhumation at high-temperature conditions. Top-to-the-east shear and east-directed flow produced intense folding, interpreted as formed by a combination of simple and pure shear. The interplay of shearing, folding, and melt localization lead to localized shear, high-temperature brittle fracturing, and the formation of high-temperature chevron folds in high-strain zones.
Paper II retraces the metamorphic evolution of the eclogite-bearing nappe by thermodynamic modelling (THERMOCALC©) and construction of P–T pseudosections for two different types of eclogite. One of the samples gave information on both the prograde and the retrograde paths, and an estimate of peak metamorphic conditions of 850–900 °C and ~18 kbar. The first stage of the prograde path, representing a medium P/T gradient, is recorded in the core of garnet grains. The second part of the prograde path and the retrograde path are both steep. The chemical growth zoning of garnet is preserved which, together with the shape of the P–T path, reflects short residence time at high temperatures.
Paper III reports the results of two independent trace element thermometers, which are based on the Zr-contents in rutile and Ti-contents in quartz. The combination of these two methods confirmed the P–T evolution calculated in Paper II. In particular, Ti-in-quartz thermometry are in agreement with the pseudosection estimates at high temperatures, and the minerals appear unaffected by diffusional resetting. A pseudosection model, showing the changes in modal abundance of different phases along the P–T path, demonstrates that rutile grains in the matrix recrystallized from smaller-sized rutile grains, and that this process was simultaneous with the main dehydration reaction in the rock (continuous breakdown of hornblende and formation of clinopyroxene). This study illustrates that Zr-in-rutile and Ti-in-quartz thermometry cannot only robustly constrain a prograde evolution, but when combined with a pseudosection model can also yield information on recrystallization processes. In fact, the combination of these methods provides an unrivalled tool for petrologic interpretation.
The data presented in this thesis testifies to westward tectonic burial of continental crust at ~65 km depth and 890 °C at a late stage of the Sveconorwegian orogenesis. The following foreland-directed tectonic exhumation of the eclogite-bearing nappe was associated with partial melting, ductile flow folding and shearing. The character of both prograde and retrograde P–T paths suggests rapid tectonic burial and exhumation consistent with collision at the end of the Sveconorwegian orogeny.

Abstract (Swedish)

Bergskedjor är uppbyggda av olika slags berggrund som skjutits samman i de zoner på Jorden där tektoniska plattor möts (konvergerar). Sådana processer sker i dag exempelvis i Himalaya, Alperna eller Anderna, men det finns också gamla, nu inaktiva, bergskedjor som de Skandinaviska Kaledoniderna (ca 400 miljoner år gammal) eller den Svekonorvegiska bergskedjan (ca 1000 miljoner år gammal, i sydvästra Sverige och södra Norge). De komplexa och långdragna processer som skapar bergskedjor kan vi förstå genom att klargöra den geologiska utvecklingen för bergskedjans olika delar. Denna utveckling inbegriper samverkande deformation och metamorfos (omvandling vid ökat tryck och ökad temperatur) samt, i vissa fall, magmatism. Nyckelelement vid rekonstruktion av bergskedjebildning är högtrycksmetamorf berggrund som innehåller blåskiffer, eklogit och/eller högrycksgranulit, därför att sådan berggrund ger information om jordskorpeförtjockning med tektonisk nedtryckning eller subduktion till stora djup.

Min forskning behandlar deformation och metamorfos i den högtrycksmetamorfa delen av den Svekonorvegiska bergskedjan i sydvästra Sverige, med särskilt fokus på en tektonisk enhet (skolla) som innehåller eklogit. Berggrunden här genomgick i sin helhet metamorfos vid mycket stora djup (35-40 km) och är det djupaste snittet av Prekambrisk jordskorpa som finns exponerat i den Fennoskandiska skölden. Berggrunden här är i många avseenden jämförbar med den världsberömda västra gnejsregionen (Western Gneiss Region) i norska Kaledoniderna. Ur ett vetenskapligt perspektiv är berggrunden i sydvästra Sverige ett fönster till de djupa delarna av en bergskedja som för tusen miljoner år sedan var del av en världsomspännande superkontinent, Rodinia. Mitt huvudsakliga mål har varit att karaktärisera den tektoniska och metamorfa utvecklingen av den Svekonorvegiska bergskedjan med utgångspunkt från den eklogitförande skollan i sydvästra Sverige.

Avhandlingen består av tre delar:

1) Framläggande av en strukturgeologisk och kinematisk modell för deformation i eklogitskollans basala skjuvzon. I denna studie undersökte vi deformationsstrukturer i fält och mätte deras orientering och geometri, i syfte att förstå hur den eklogitförande skollan har lyfts upp från stora djup. Vi kunde visa att skollan transporterades österut längs den basala skjuvzonen och att denna deformation skedde vid minskande tryck (upplyftning) och mycket hög temperatur. I den basala skjuvzonen blev bergarterna mycket starkt deformerade och veckade under hög temperatur, och vi visar exempel på de särskilda deformationsstrukturer som bildas under sådana förhållanden.
2) Rekonstruktion av den metamorfa utvecklingen för två typer av eklogit. När bergarter pressas ned på djupet och värms upp är de primära mineralen inte längre stabila. Då sker kemiska reaktioner och det bildas nya mineralsällskap som är stabila vid rådande tryck och temperatur. Detta kallas metamorfos. Vi beräknade, genom termodynamisk modellering och utifrån bergarternas kemiska sammansättning, isokemiska fasdiagram som förutsäger vilka mineralsällskap som är stabila vid olika tryck och temperatur för just dessa bergartssammansättningar. Genom att jämföra med faktiska mineralsällskap, hur mineralen förekommer texturellt, samt mineralens kemiska sammansättning, kunde vi jämföra med fasdiagrammet och rekonstruera den progressiva metamorfa utvecklingen: bergartens tryck- och temperaturutveckling (P-T-utveckling). Med denna metod kunde vi visa att eklogiterna tryckts ned till 65 km djup och där värmts upp till nästan 900 °C. Vi kan också se att de lyftes upp till ~35 km djup vid 850 °C. Texturerna, mineralkemin och P-T-utvecklingen visar att nedpressning och upplyftning skedde under en geologiskt sett kort tidsrymd. Denna typ av eklogit och dessa P-T-förhållanden är karaktäristiska för kontinent-kontinent-kollision.

3)Test, med en helt annan metod, av den P-T-modell som togs fram i studie 2. En del mineral tar upp ökande halter av spårelement vid ökad temperatur. Genom att mäta halterna av zirkonium i rutil och titan i kvarts kan vi “ta temperaturen” på bildningen av dessa mineral i olika texturella positioner i bergarterna. Studien visade på samstämmighet med den P-T-modell som framtogs i studie 2.

• author: Tual, Lorraine
• supervisor: Charlotte Möller
• opponent: PhD, professor Indares, Aphrodite, Memorial University of Newfoundland, St John’s, NL, Canada
• organization: Lithosphere and Biosphere Science
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology; Geosciences, Multidisciplinary
• keywords: Eclogite, Precambrian, P–T path, Basal shear zone, Sveconorwegian orogen, Deformation, thermometry
• in: Litholund theses
• issue: 26
• edition: Litholund Thesis
• pages: 110 pages
• defense location: Geocentre II, lecture hall “Pangea”, Sölvegatan 12, Lund
• defense date: 2016-05-04 13:00:00
• ISSN: 1651-6648
• ISBN: 978-91-87847-14-1
• ISBN: 978-91-87847-15-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: df1dfcfe-0b3d-4fe4-8e67-a5cf1a32d388
• date added to LUP: 2016-06-19 14:35:17
• date last changed: 2018-11-21 21:24:21