UHP metamorphic rocks of the Eastern Rhodope Massif, NE Greece [Elektronische Ressource] : new constraints from petrology, geochemistry and zircon ages / Nina Kaarina Cornelius

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• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

UHP metamorphic rocks of the Eastern Rhodope Massif,
NE Greece: new constraints from petrology,
geochemistry and zircon ages
Dissertation
zur Erlangung des Grades
“Doktor der Naturwissenschaften“
im Promotionsfach Geologie-Paläontologie
am Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
der Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Nina Kaarina Cornelius
geb. in Kiel
Mainz, 2008Erklärung
Ich versichere hiermit, die vorliegende Arbeit selbständig und nur unter Verwendung der
angegebenen Quellen und Hilfsmittel verfasst zu haben.
Mainz, Juli 2008Abstract I
Abstract
In this PhD thesis, a multidisciplinary study has been carried out on metagranitoids and
paragneisses from the Eastern Rhodope Massif, northern Greece, to decipher the pre-Alpine
magmatic and geodynamic evolution of the Rhodope Massif and to correlate the eastern part with
the western/central parts of the orogen. The Rhodope Massif, which occupies the major part of
NE Greece and S Bulgaria, represents the easternmost part of the Internal Hellenides. It is
regarded as a nappe stack of high-grade units, which is classically subdivided into an upper unit
and a lower unit, separated by a SSE-NNW trending thrust plane, the Nestos thrust. Recent
research in the central Greek Rhodope Massif revealed that the two units correspond to two
distinct terranes of different age, the Permo-Carboniferous Thracia Terrane, which was
overthrusted by the Late Jurassic/Early Cretaceous Rhodope Terrane. These terranes are
separated by the Nestos suture, a composite zone comprising metapelites, metabasites,
metagranitoids and marbles, which record high-pressure and even ultrahigh-pressure
metamorphism in places.
Similar characteristic rock associations were investigated during this study along several well-
constrained cross sections in vincity to the Ada, Sidiro and Kimi villages in the Greek Eastern
Rhodope Massif. Field evidence revealed that the contact zone of the two terranes in the Eastern
Rhodope Massif is characterized by a mélange of metapelites, migmatitic amphibolites/eclogites,
strongly sheared orthogneisses and marbles. The systematical occurrence of this characteristic
rock association between the terranes implies that the Nestos suture is a continuous belt
throughout the Greek Rhodope Massif.
In this study, a new UHP locality could be established and for the first time in the Greek
Rhodope, metamorphic microdiamonds were identified in situ in their host zircons using Laser-
Raman spectroscopy. The presence of the diamonds as well as element distribution patterns of the
zircons, obtained by TOF-SIMS, indicate metamorphic conditions of T > 1000 °C and P > 4 GPa.
The high-pressure and ultrahigh-pressure rocks of the mélange zone are considered to have
formed during the subduction of the Nestos Ocean in Jurassic times at ~150 Ma. Melting of
metapelitic rocks at UHP conditions facilitated the exhumation to lower crustal levels.
To identify major crust forming events, basement granitoids were dated by LA-SF-ICPMS and
SHRIMP-II U-Pb analyses of zircons. The geochronological results revealed that the Eastern
Rhodope Massif consists of two crustal units, a structurally lower Permo-Carboniferous unitAbstract II
corresponding to the Thracia Terrane and a structurally upper Late Jurassic/Early Cretaceous unit
corresponding to the Rhodope Terrane, like it was documented for the Central Rhodope Massif.
Inherited zircons in the orthogneisses from the Thracia Terrane of the Eastern Rhodope Massif
indicate the presence of a pre-existing Neoproterozoic and Ordovician-Silurian basement in this
region. Triassic magmatism is witnessed by the zircons of few orthogneisses from the
easternmost Rhodope Massif and is interpreted to be related to rifting processes.
Whole-rock major and trace element analyses indicate that the metagranitoids from both terranes
originated in a subduction-related magmatic-arc environment. The Sr-Nd isotope data for both
terranes of the Eastern and Central Rhodope Massif suggest a mixed crust-mantle source with
variable contributions of older crustal material as already indicated by the presence of inherited
zircons.
Geochemical and isotopic similarity of the basement of the Thracia Terrane and the Pelagonian
Zone implies that the Thracia Terrane is a fragment of a formerly unique Permo-Carboniferous
basement, separated by rifting and opening of the Meliata-Maliac ocean system in Triassic times.
A branch of the Meliata-Maliac ocean system, the Nestos Ocean, subducted northwards in Late
Jurassic times leading to the formation of the Late Jurassic/Early Cretaceous Rhodope magmatic
arc on remnants of the Thracia Terrane as suggested by inherited Permo-Carboniferous zircons.
The ~150 Ma zircon ages of the orthogneisses from the Rhodope Terrane indicate that
subduction-related magmatism and HP/UHP metamorphism occurred during the same subduction
phase. Subduction ceased due to the closure of the Nestos Ocean in the Late Jurassic/Early
Cretaceous. The post-Jurassic evolution of the Rhodope Massif is characterized by the
exhumation of the Rhodope core complex in the course of extensional tectonics associated with
late granite intrusions in Eocene to Miocene times.Zusammenfassung III
Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Dissertation wurden Metagranitoide und Paragneise aus dem östlichen
Rhodope Massiv in Nordgriechenland interdisziplinär untersucht, um ihre prä-alpine
magmatische und geodynamische Entwicklung zu entschlüsseln und den östlichen Teil des
Gebirges mit dem westlichen/zentralen Teil zu korrelieren. Das Rhodope Massiv stellt den
nordöstlichsten Teil der Internen Helleniden dar und nimmt den größten Teil Nordost-
Griechenlands und Süd-Bulgariens ein. Es ist aus hochgradig metamorphen Decken aufgebaut
und wird im klassischen Sinne in eine untere und obere lithologische Einheit unterteilt, die durch
eine SSE-NNW verlaufende Überschiebung, die Nestos Überschiebung, voneinander abgegrenzt
sind. Neueren Forschungsergebnissen im zentralen Teil des griechischen Rhodope Massivs
zufolge sind diese beiden Einheiten zwei verschiedenen Krustenblöcken verschiedenen Alters
zuzuordnen. Das permo-karbonische Thracia Terrane wurde vom spät-jurassischen/früh-
kretazischen Rhodope Terrane überschoben. Die Nestos Sutur, welche die Terranes voneinander
abgrenzt, setzt sich aus einer Vielzahl von verschiedenen Gesteinstypen zusammen, insbesondere
aus Metapeliten, Metabasiten, Metagranitoiden und Marmoren. Diese Gesteine haben eine
Hochdruck-Metamorphose (HP) erfahren und in seltenen Fällen sind Indikatoren für eine
Ultrahochdruck-Metamorphose (UHP) erhalten.
Für die vorliegende Dissertation wurden mehrere Geländeprofile untersucht, die eine ähnliche
Gesteinsparagenese zeigen. Diese Profile liegen in der Nähe der Orte Ada, Sidiro und Kimi im
östlichen Rhodope Massiv Griechenlands. Die Geländebeobachtungen belegen, daß die
Kontaktzone der beiden Terranes stets durch eine charakteristische Gesteinsassoziation aus
Metapeliten, migmatitischen Amphiboliten/Eklogiten, stark gescherten Orthogneisen und
Marmoren besteht. Das systematische Vorkommen dieser charakteristischen Gesteinsassoziation
deutet darauf hin, daß die Nestos Sutur ein durchgehender Gürtel durch das Rhodope Massiv ist.
Mittels Ramanspektroskopie konnten metamorphe Mikrodiamanten in situ in Zirkonen zweier
Metapelitproben nachgewiesen und somit eine neue UHP-Lokalität im griechischen Rhodope
Massiv etabliert werden. Die Diamanteinschlüsse in den Zirkonen sowie TOF-SIMS
Elementverteilungsbilder selbiger Zirkone deuten auf Temperaturen von T > 1000 °C and Drücke
von P > 4 GPa hin. Die HP- und UHP-Metamorphose der Metapelite erfolgte während der
Subduktion des Nestos Ozeans im Jura um ca. 150 Ma. Schmelzprozesse der metapelitischenZusammenfassung IV
Gesteine im UHP-metamorphen Bereich ermöglichten eine Exhumierung der Gesteine bis in die
untere Kruste.
Durch LA-SF-ICPMS und SHRIMP-II U-Pb Datierungen von Zirkonen wurden zwei
magmatische, krustenbildende Hauptereignisse identifiziert, wie es schon für den zentralen Teil
des griechischen Rhodope Massivs nachgewiesen werden konnte. Die strukturell untere Einheit
ist permo-karbonischen Alters und entspricht dem Thracia Terrane, während die strukturell obere
Einheit spät-jurassischen/früh-kretazischen Alters ist und dem Rhodope Terrane entspricht.
Ererbte Zirkone in den Orthogneisen des Thracia Terranes lassen darauf schließen, daß eine prä-
existierende neoproterozoische und ordovizisch-silurische Kruste in der Region vorhanden war.
Die Zirkone einiger Orthogneise aus dem östlichsten Rhodope Massiv deuten auf ein Rifting-
Ereignis in der Trias und damit verbundenen Magmatismus hin.
Die Edukte der Orthogneise beider Terranes konnten durch Haupt- und Spurenelementgeochemie
als subduktionsbezogene vulkanische-Bogen-Granitoide klassifiziert werden. Untersuchungen
zur Sr und Nd Gesamtgesteinsisotopie dieser Orthogneise ergaben, daß die Magmenquelle einen
Mischcharakter aus Mantel und Kruste hatte und in unterschiedlichem Maß von einer älteren
Krustenkomponente beeinflußt wurde. Diese ältere Krustenkomponente wird auch durch die
ererbten Zirkone beleg