Metamorphic zircon formation in gabbroic rocks – the tale of microtextures

Abstract

Dating of metamorphic events is crucial for the understanding and reconstruction of large-scale geological processes such as orogenesis. Zircon is one of the most commonly used minerals for dating of igneous and metamorphic events. Zircon incorporates uranium and excludes lead during crystallization, and with time the uranium decays to lead. The diffusion rates of both elements are slow, making zircon resilient to isotopic resetting. However, in order to date geological events, it is imperative to know exactly by which process the dated zircon formed. For example, regional metamorphism is a dynamic process taking place over millions of years. During tectonic burial and heating the rock gradually responds to the increasing temperature and pressure, giving rise to prograde mineral assemblages, whereas retrograde metamorphism takes place during cooling and exhumation. So, in a regionally metamorphosed rock, does the zircon age date the tectonic burial or the exhumation? The interpretation of how zircon formed has direct influence on the tectonic interpretation.
Zircon can form or recrystallize within a wide range of metamorphic pressures and temperatures and by several different processes. This means that, for meaningful interpretation of a metamorphic zircon age, the zircon growth needs to be linked to the mineral reactions in the rock. Due to the high closure temperature of zircon (the temperature below which zircon will not undergo isotope diffusion), zircon ages have traditionally been assigned to date the peak of metamorphism (the highest temperature). On the other hand, mass balance models suggest that, in mafic rocks, zircon dissolves during prograde and grows during retrograde mineral reactions and therefore generally dates cooling and exhumation.
If hydrous fluids are not present, mafic igneous rocks may remain largely unaffected during a metamorphic event. Coarse-grained mafic rocks such as gabbro are the least permeable, and may record the gradual transition from pristine gabbro to its completely metamorphic recrystallized equivalent. Such metamorphic transitions zones provide information about how metamorphic zircon formed. Two different metamorphic transition zones have been investigated in detail in this thesis: a) a gabbro to eclogite transition at Vinddøldalen in south-central Norway and, b) a gabbro to garnet amphibolite transition at Herrestad in South-central Sweden. The aim has been to link reaction textures to zircon growth and to obtain a direct U-Pb age of the metamorphic process. A third study investigates and reviews the zircon-forming textures in a number of metagabbro and metadolerite bodies metamorphosed at different pressures and temperatures.
The results in this thesis show that zircon formation is remarkably similar in all of the investigated metagabbroic rocks, and that zircon is mainly produced by the breakdown of igneous baddeleyite during prograde mineral reactions. The metamorphic mineral reactions and the associated zircon formation in gabbroic rocks are tightly linked to deformation and infiltration of hydrous fluids, and to a lesser extent dependent of variations in pressure and temperature. Therefore, in most gabbroic rocks, zircon formation will take place at the earliest stage of metamorphic recrystallization.

Abstract (Swedish)

Jordens plattektoniska rörelser leder till tektoniska skeenden vid plattgränserna, bland annat bergskedjebildning, då berggrunden utsätts för förändringar i tryck och temperatur. Vid ändrat tryck och ändrad temperatur förändras också bergarter: de ursprungliga mineralen konsumeras i kemiska reaktioner och i stället bildas nya mineral som är stabila vid de nya fysikaliska förhållandena - en process som kallas metamorfos. Under tektonisk förtjockning av jordskorpan ökar både tryck och temperatur, viket ger upphov till prograd metamorfos (ökande temperatur); retrograd metamorfos sker då temperaturen minskar under avsvalning och upplyftning. Datering av prograd respektive retrograd metamorfos är avgörande för vår förståelse av storskaliga geologiska processer, så som bergskedjebildning.

Mineralet zirkon (ZrSiO4) är ett av de mest använda för datering av magmatiska och metamorfa skeenden. När zirkon bildas innesluts uran men inte bly i kristallgittret, men bly bildas med tiden genom radioaktivt sönderfall från uran. Därmed fungerar uran- och bly-isotoperna i zirkon som en radioaktiv klocka. Diffusionshastigheterna för uran och bly i zirkon är båda låga, vilket gör att den radioaktiva klockan inte ställs om även om bergarten utsätts för hög temperatur.

Metamorfos under bergskedjebildning är en dynamisk process som äger rum över miljontals år. För en kunna tolka en datering med mineralet zirkon är det därför nödvändigt att förstå genom vilken process zirkonkristallerna bildades. Daterar zirkonåldern uppvärmning i samband med tektonisk förtjockning av jordskorpan (prograd metamorfos) eller sen avsvalning (retrograd metamorfos)? Tolkningen av vid vilken process zirkonkristallerna bildades har därmed direkt inverkan på den tektoniska tolkningen.

Metamorf zirkon kan bildas i flera olika geologiska miljöer, under olika tryck och temperatur och genom flera olika processer. Detta innebär att för att kunna sätta en datering i sitt sammanhang måste man kunna knyta den zirkonbildande processen till de metamorfa mineralreaktionerna i bergarten. Ett vanligt antagande har varit att en zirkonålder daterar tidpunkten då den högsta temperaturen uppnåddes. Detta förenklade antagande beror delvis på att zirkon har en mycket hög blockeringstemperatur, c. 900°C, under vilken den radiometriska klockan inte nollställs. Å andra sidan visar massbalans-modeller att i basiska bergarter bör zirkon bör lösas upp under prograd metamorfos, för att i stället bildas under avkylning och upplyftning.

Om vattenrika fluider saknas under en metamorfos kan basiska intrusivbergarter, som gabbro och diabas, förbli i stort sett opåverkade. I synnerhet grovkorniga gabbrobergarter är vanligen motståndskraftiga mot deformation och associerad fluidinfiltration. Gabbrobergarter kan därför uppvisa gradvisa övergångar från välbevarad gabbro till en fullständigt metamorft omkristalliserad metagabbro. Sådana metamorfa övergångszoner ger värdefull information om hur metamorf zirkon bildades, och vid vilket stadium av den metamorfa utvecklingen.

I denna avhandling har två metamorfa övergångszoner undersökts i detalj: en övergångszon från gabbro till eklogit i Vinddøldalen, södra Norge, samt en övergångszon från gabbro till granatamfibolit i Herrestad, Småland. Syfte med studierna har varit att systematiskt dokumentera reaktionstexturer och mekanismer för bildningen av metamorf zirkon, och att erhålla en direkt åldersbestämning metamorfosen. En tredje studie omfattar en undersökning och sammanställning av metamorf zirkonbildning i ett flertal olika gabbrobergarter, vilka har genomgått metamorfos vid olika tryck och temperatur. Sammantaget visar erhållna data att bildningen av metamorf zirkon är påfallande lika i samtliga fall, oberoende av tryck och temperatur, samt att den huvudsakliga zirkonbildningen skedde genom nedbrytning av det magmatiska mineralet baddeleyit (ZrO2). Detta betyder att metamorfa reaktioner och zirkonbildning i gabbrobergarterna i större utsträckning är beroende av fluidinfiltration (vanligen i sin tur beroende av deformation) än specifika tryck- och temperatur-förhållanden. Följaktligen bildas metamorf zirkon i gabbrobergarter generellt under det första tillfället av metamorf rekristallisation, vanligen under prograd metamorfos.

• author: Beckman, Victoria
• supervisor: Charlotte Möller; Ulf Söderlund
• opponent: Professor Austrheim, Håkon Olaf, Department of Geosciences, University of Oslo, Norway
• organization: Lithosphere and Biosphere Science
• publishing date: 2018-04
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: Zircon formation, metamorphism, prograde, gabbr, zircon, baddeleyite, zircon, baddeleyite, metamorphic, prograde, zircon textures
• in: Litholund theses
• issue: 33
• pages: 94 pages
• defense location: Lecture hall “Pangea”, Geocentrum II, Sölvegatan 12, Lund
• defense date: 2018-05-04 13:15:00
• external identifiers: scopus:85055143750
• ISSN: 1651-6648
• ISBN: 978-91-87847-40-0
• ISBN: 978-91-87847-41-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 2f1c46ed-ee41-46b8-a2b4-b1df08893c0f
• date added to LUP: 2018-04-10 11:10:17
• date last changed: 2024-03-01 17:08:04