U-Pb Geochronology of the Upper Proterozoic - ETH E

Diss. ETHNo. 10392
U-Pb Geochronology of the Upper Proterozoic
Lower Paleozoic Geodynamic Eyolution in the
Ossa-Morena Zone (SW Iberia): Constraints on
the Timing of the Cadomian Orogeny
-
A dissertation submitted to the
Swiss Federal Institute of Technology Zurich
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Alexander Ochsner
Dipl.
Natw. ETH,
Petrograph
born March 1,1964
citizen
of Switzerland
accepted on
the recommendation
Prof.
Dr. D. Gebauer, examiner
Prof.
Dr. M.
1993
Grtinenfelder,
of
co-examiner
1
Abstract
The Ossa-Morena Zone is situated at the southwestern
Hercynides
occurrence
and the
and constitutes
of
a
a
prominent part
diverse
tectonomagmatically
absence of
predominant
Ossa-Morena Zone
Upper Proterozoic
a
-
key
area
The present state of
of Cadomian
based upon
margin setting (Andean-type) appears
orogenic complex.
a
data
light
an
likely geotectonic
sequence of Cadomian
first
systematic
twelve
Upper
U-Pb
orogenic
study
new
Cadomian
cycle
Cadomian
genic
for
a
first
a
150 Ma from
ca.
representing
recognition
particular stage
in the
magmatic
of six distinct
a
Cadomian
late-orogenic
rift-related stage
These
-
a
are:
(1)
Cadomian
a
early-
an
early-oro¬
Cadomian syn-oro¬
late-orogenic
calc-alkaline stage
a
post-
the attained
high
(480-470 Ma).
resolution of the Cadomian
terranes of the Avalonian
complete Cadomian
alkaline stage (500 Ma) and (6)
The main innovative contribution of this
chronologic
a
of the
the time interval of
events cover
(590-540 Ma, poorly established), (3)
Cadomian
anorogenic
study
concerns
end-orogenic magmatic activity. Unique
Cadomian realm, the
resulting precise
within
sequence of mag¬
matic events allows for the first time detailed conclusions of geodynamic processes
tive
during
on
magmatic
geodynamic evolution
beginning of the Hercynian Wilson cycle.
calc-alkaline stage
(525-510 Ma), (5)
deals with the
continuum of events,
a
anorogenic rift-related stage (-620 Ma, tentative), (2)
a
study
total 95 U-Pb zircon,
620 Ma up to 470 Ma and reflect
genic peraluminous stage (530 Ma), (4)
Cadomian
this defect, the
granitoids (in
considered
are
belt. The six identified
and the
shortcomings
rocks in the Ossa-Morena Zone, carried out
results enable
representative
orogenic
approximately
Wilson
processes
geochronologic
each
magmatic
remedy
to
recognition of a well-defined
analyses).
Although orogenic
the
events. To
Proterozoic and Lower Paleozoic
monazite and xenotime
episodes,
on
scenario for the
availability of geochronologic results,
to now a clear
applied isotopic methods, prevent up
orogenic
active continental
however, whose geologic significance is additionally questionable due
of the
unravelling the
of recent interdisci¬
synthesis
of these data,
to be the most
The limited
makes the
the existence of Cadomian
unambiguously
suites
igneous
evolution.
geodynamic
knowledge,
confirms
Cadomian belt for
-
European
Iberian Massif. The
penetrative tectonometamorphic overprints
processes within the Ossa-Morena Zone. In the
formation of the
of the
margin
pre-Mesozoic
assemblage
within the Avalonian
Lower Paleozoic
plinary investigations,
of the
the latest Cadomian
orogenic
and
subsequent anorogenic
ac¬
stages. This fact
2
important position
underlines the
ous
Avalonian
-
Cadomian
of the Ossa-Morena Zone within the former continu¬
orogenic belt.
The Cadomian orogeny in the Ossa-Morena Zone does not
sequences of events in active continental
collision and associated crustal
ous
geologic
actually
the
criteria
to
thickening/uplift terminates
evidences that
provide
orogenic activity.
complete
a
the former
caused the transition to
-
a
An
Upper
stress
regime
influence of
orogenic
was
processes must
Upper
a
was
transform system ap¬
Proterozoic subduction environment and
Lower Paleozoic intracontinental
Cadomian belt that
framework of the
to classical
continent-continent
continuously changing
increasing
originally
Gondwana. The time interval between the
Cadomian
a
the subduction stage. Vari¬
genetically
Proterozoic accretion and
been part of the
formerly
located at the northern
inception
be
finally
rift-regime.
The Cadomian basement of the Ossa-Morena Zone has
Avalonian
correspond
where
force for the observed sequences of events and accounted for the
driving
termination of
peared
margin settings
margin
and the end of the Avalonian
placed
within the
subsequent
of
-
geodynamic
Lower Paleozoic break
up of parts of the Gondwanan continent.
The
geochronologic
multi-grain
gle-grain
under the
or
results have
method is still
SHRIMP
assumption
(zircon dating
on
an
clearly substantiated
excellent
dating alternative
ion-microprobe techniques.
of
a
proper
peralkaline
application
cated
and
geologically
dating techniques.
increasingly
to distinct
petrogenetic types of rocks
dating
the conventional U-Pb
relevant ages
used sin¬
of its limitations and
awareness
rocks and monazite/xenotime
crustally derived, peraluminous rocks),
yields exact
In
that the conventional U-Pb
to the
bearing comparisons
on
predominantly
multi-grain
with the
more
method
sophisti¬
3
Zusammenfassung
Die Ossa-Morena Zone befindet sich
Herzyniden
sddwestlichsten Rand der
und umfasst einen wesentlichen Teil des
Massivs. Das Auftreten
sowie das
onsabfolgen
des Avalonisch
terozoische bis
von
Fehlen
-
Cadomischen
Iberischen
Cadomischen Intrusi-
penetrativen tektonometamorphen
von
herausragende Stellung innerhalb
Orogengiirtels, um neue
Erkenntnisse liber die spatpro-
frtihpalaozoische geodynamische Entwicklung
derzeitige Erkenntnisstand, der
Europaischen
pra-Mesozoischen
tektonomagmatisch verschiedenen,
vorwiegende
verleiht der Ossa-Morena Zone eine
Ueberpragungen
Der
am
auf einer
Synthese
gefilhrter interdisziplinarer Untersuchungen beruht,
weist
erhalten.
zu
Daten klirzlich durch-
von
eindeutig
die Existenz
von
Cadomischen orogenen Prozessen in der Ossa-Morena Zone nach. Anhand der vorlie-
genden
men
Daten scheint ein aktiver Kontinentalrand
der
Orogenbildung am ehesten widerzuspiegeln.
nologischen
folgen
von
(Anden-Typ)
von
Resultate erlauben
orogenen
jedoch
Ereignissen.
den tektonischen Rah-
Die bisher vorhandenen
geochro-
keinen exakten Nachweis wohldefinierter Ab¬
Dies ist
vor
allem auf die bisher beschr£nkte Anzahl
Isotopendaten zurtickzufllhren, deren Aussagekraft ihrerseits zumindest teilweise
aufgrund der angewandten Methodik in Frage
sprechenden Altersdaten
schen U-Pb Studie
an
zu
stellen ist. Um diesen
die
Granitoiden
neuen
an ent-
Zone.
Insgesamt wurund
Analysen an zwdlf spatproterozoischen
durchgeflihrt.
Obwohl orogene Prozesse als ein Kontinuum
ermSglichen
Mangel
beheben, befasst sich diese Arbeit mit der ersten systemati-
magmatischen Gesteinen der Ossa-Morena
den 95 U-Pb Zirkon, Monazit und Xenotim
friihpalaozoischen
zu
geochronologischen
von
Daten sechs
Ereignissen
betrachtet werden,
magmatische Episoden zu
un¬
terscheiden, die einzelne Stadien der geodynamischen Entwicklung des Orogens reprSsentieren. Die sechs identifizierten
magmatischen Abfolgen
Zeitintervall
150 Ma
von ca.
620 Ma bis 470 Ma und schliessen einen
Cadomischen Wilson
Zyklus
und den
von
vollstandigen
Zyklus'
ungefahr
ein. Im einzelnen sind
Rift-Stadium (-620 Ma,
sches Stadium
Beginn
des
Herzynischen
ungenau
ein Cadomisch
friih-orogenes
post-Cadomisches
Der
losung
wichtigste
der
kalk-alkali-
definiert), (3) ein Cadomisch syn-orogenes
per-
(530 Ma), (4) ein Cadomisch sp&t-orogenes kalk-alkalisches Stad¬
ium (525-510 Ma), (5) ein Cadomisch spat-orogenes alkalisches Stadium
(6) ein
Wilson
unterscheiden: (1) ein frUh-Cadomisches anorogenes
provisorisch), (2)
(590-540 Ma,
aluminoses Stadium
zu
erstrecken sich (Iber ein
neue
Endphase
anorogenes Rift-Stadium
Beitrag
(500 Ma) und
(480-470 Ma).
dieser Studie betrifft die erreichte hohe zeitliche Auf-
der Cadomischen
magmatischen
Aktivitat. Die resultierende ge-
4
naue
Abfolge
Avalonisch
Prozesse der
von
magmatischen Ereignissen
erlaubt
ersten Mai innerhalb des
zum
Cadomischen Bereichs detaillierte RUckschlUsse iiber
-
Endphase
der Cadomischen
Orogenese
Stadiums. Diese Tatsache unterstreicht die
Orogenese
anorogenen Rift
der Ossa-Morena Zone
Cadomischen
-
geodynamische
folgenden
wichtige Stellung
innerhalb des ehemals kontinuierlichen Avalonisch
Die Cadomische
und des
Orogengiirtels.
in der Ossa-Morena Zone ist mit klassischen Ablau-
fen in aktiven Kontinentalrandern nicht
vergleichbar.
Verschiedene
geologische
Krite-
rien schliessen eine Kontinent-Kontinent Kollision mit anschliessender krustaler Ver-
dickung
nahezu
und
aus.
Hebung
Die
als
Hauptursache
vorliegenden
cher Wechsel des tektonischen Stress
tete
Abfolge
der orogenen
Transform-Systems
fur die
Beendigung
Ereignisse
scheint fur die
Regimes
Beendigung
nentales Rift verantwortlich gewesen
eigentliche
der
des
Uebergang
zu
spatproterozoischen
in ein
des Avalonisch
-
von
muss
des Gondwana Kontinents
tierung
an
entsprach
gesehen
Isotopenanalysen
Beginn
am
U-Pb
friihpalaozoischen
mit der
Zerfall
Analyse
ergeben,
an
geologisch
Datierungstechniken
Me-
peralkalischen Gesteinen,
relevante Alter, die
standhalten.
vermehrt
und unter der Vor-
vorwiegend peraluminosen Gesteinen)
ventionelle Methode sehr exakte und
hdher aufloserenden
an
zur
ion-microprobe'
Moglichkeiten
aussetzung einer richtigen Anwendung (Zirkon Datierung
Datierung
Teilen
dass die konventionelle U-Pb Da-
Einzelkorn oder der 'SHRIMP
thode darstellt. Im Bewusstsein ihrer beschrankten
Monazit/Xenotim
spatpro¬
von
werden.
haben deutlich
am
ndrdlichen
und Ende der Avalonisch
Mineralfraktionen immer noch eine ausgezeichnete Alternative
angewandten
intrakonti-
ehemals einem Teil
genetisch im Zusammenhang
terozoischen Akkretion und dem anschliessenden
Die
friihpalaozoisches
Cadomischen Orogengiirtels, der sich urspriinglich
Gondwana befand. Der Zeitraum zwischen
Cadomischen orogenen Prozesse
Subduktions-
sein.
Das Cadomische Basement der Ossa-Morena Zone
Rand
Motor fur die beobach-
darstellte. Ein zunehmend starkerer Einfluss eines
Stadiums und fiir den kontinuierlichen
-
des Subduktions-Stadiums
Daten deuten vielmehr darauf hin, dass ein kontinuierli-
liefert die kon¬
Vergleichen
mit
5
Resumen
La Zona de Ossa-Morena
cfnica
Europea, donde constituye
zoico. La existencia de
cadomienses, y
un
el borde sur-occidental de la Cadena Her-
parte prominente del Macizo Iblrico pre-meso-
una
la ausencia de eventos tectonometamorficos penetra-
casos
tivos superpuestos, convierten
scifrar la evoluci6n
en
conjuncto tectonomagmaticamente diverso de series igneas
muchos
en
situa
se
la Zona de Ossa-Morena
a
geodinamica
periodo Proterozoico Superior
un
cadomiense
orogdnico
datos, el escenario geotectdnico
tipo andino)
en
el cual
tada de resultados
onable debido
a
se
en
mas
probable
una
serfa
sfntesis de datos
cufia
oroglnica.
La
disponibilidad
errores
inherentes al mltodo
una
isot6pico aplicado,
secuencia de eventos
oroglnicos
en este
trabajo
sobre la sistemitica del m&odo de dataci6n U-Pb sobre
nan
estudiado doce
se
en
seis
puede
considerar que los procesos
geocronol6gicos
episodios magmaticos diferenciados,
representativo
de
un
Cadomiense. Los seis
Wilson cadomiense
episodios
(1)
estadio
particular
episodios
completo y
un
primer
cadomiense calco-alcalino
alcalino
presenta el
se
rocas
magm&ti-
un
oscila-
total de 95
cada
uno
de los cuales
un
proceso de
se
puede considerar
geodinamica
lapso
de
de la Cadena
de
tiempo
correspondiente
anorogenico relacionado
(probablemente
en torno a
con un
aproxi-
al ciclo de
proceso de
620 Ma),
(2)
un
orogenico temprano (entre 590 and 540 Ma), (3)
y (6)
serie
recono-
al inicio del ciclo de Wilson hercmico. Los antedichos
tardi-orog6nico (525-510 Ma), (5)
tardi-oroglnico (500 Ma),
una
presentan permiten
se
de la evoluci6n
sinoroglnico per-aluminoso (530 Ma), (4)
con un nuevo
permitido
orog£nicos comprenden
que
identificados abarcan
estadio
de edad cadomiense temprana
cadomiense
limi-
cadomienses
granitoides cuyas edades
madamente 150 Ma, desde hace 620 Ma hasta hace 470 Ma,
son:
tales
circones, monacitas y xenotimas.
continua de eventos, los resultados
cer
ha
no
ban entre Proterozoico terminal y Paleozoico Inferior realizando para ello
Si bien
con
geocronol6gicos, cuyo significado geol6gico es por otra parte cuesti-
los
de la Zona de Ossa-Morena. Se
analisis de U-Pb
re-
dudas la existencia de
margen continental activo (de
un
bien definida. Con el fin de remediar esta eventualidad,
primer estudio
a
la Zona de Ossa-Morena. De acuerdo
habria formado
hasta la fecha el reconocimiento de
cas
en una
investigaciones interdisciplinares, confirma sin lugar
proceso
clave para de-
Avaloniana durante el
-
Paleozoico Inferior.
-
El estado actual de los conicimientos, fundamentado
sultado de
en un area
de la Cadena Cadomiense
un
un
un
episodio
episodio cadomiense
episodio
cadomiense calcoalcalino
episodio anorogenico post-cadomiense
rifting (480-470 Ma).
un
rifting
episodio
igualmente
relacionado
6
La contribuci6n
de
precisa
conjuncto
mas
novedosa de este
alcancado para el
cronol6gica
episodios magmaticos permite
por
de terrenos del ambito Cadomiense
detalladas sobre los procesos
orogdnicos
Esto hecho
fuera
subraya
refiere al alto nivel de resoluci6n
vez
-
cadomiense. Esta secuencia
y de
primera,
anoroge'nicos
activos durante la parte final
que
siguieron
cadomiense
la Zona de Ossa-Morena
en
clasica secuencia de eventos que
-
no se
continuaci6n.
a
situaci6n de la Zona de Ossa-Morena
importante
unica para el
manera
Avaloniano, establecer conclusiones
orog£nico continuo, la Cadena Cadomiense
cinturon
un
orogenia
La
la
se
se mostraron
que
del ciclo cadomiense y durante los estadios
vez
trabajo
magmatismo fini-oroge'nico
en
que el
corresponde
los margenes continentales activos
ocurren en
una
Avaloniana.
con
en
la
los
cuales el estadio de subduccidn suele concluir con la colisidn continente-continente y el
engrosamiento/levantamiento cortical
que
proporcionan
evidencias de que,
asociados. Existen diversos criterios
en
fuerzos continuamente cambiante el que
paso
la finalizaci6n de la actividad
a
ci6n durante el Proterozoico
sistema transcurrente que
a
ultima instancia,
dirigid
geol6gicos
iggimen
un
de
es-
la secuencia de eventos observada y dio
orogdnica.
Superior
fue sino
no
El ambiente
geodynamico
de subdue-
fue manifestando la influencia creciente de
la postre causaria la transici6n al
rdgimen
de
un
intra-
rifting
continental del Paleozoico Inferior.
El zocalo cadomiense de la Zona de Ossa-Morena form6 parte
cinturdn Cadomiense
septentrional
-
de Gondwana. El intervalo de
final del citado proceso
de la acreci6n
(durante
orog£nico
(durante
el Paleozoico
Los resultados
aci6n
Avaloniano, el cual
multigrano
se
los
tiempo comprendido
gen&icamente
Superior)
el
en
originariamente
y de la
pasado del
en
el borde
entre el comienzo y el
marco
geodinamico
dispersi6n
subsecuente
al
Inferior) de partes del continente Gondwana.
geocronologicos
U-Pb convencional
crosonda i6nica SHRIMP. Si
a
localizaba
debe asociar
el Proterozoico
tecnicas de dataci6n, utilizadas cada
caci6n
se
se
han
es
tipos petrogen6ticos
todavfa
vez con
tienen
mas
permitido comprobar
en
una
que el mdtodo de dat-
alternativa excelente frente
mayor frecuencia, de monocristal
cuenta
sus
limitaciones y si
apropiados (dataci6n
se
de circones
dirige
a
o
su
en rocas
las
mi-
apli-
peral-
de derivaci6n pre-
calinas y dataci6n de monacita/xenotima
en rocas
dominantemente cortical), la tecnica U-Pb
multigrano convencional proporciona edades
muy exactas y
ante las
per-aluminosas
geoldgicamente significativas comparadas
tecnicas de dataci6n mis sofisticadas.
con
las que
se
obtienen medi-