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Meißner, Birgit (2001): Tektonometamorphe Entwicklung von Scherzonen im präkambrischen Basement Südindiens: Sm-Nd-, Rb-Sr- und U-Pb-Isotopenuntersuchungen an den Moyar-, Bhavani-, Palghat- und Kollegal-Scherzonen. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

In the South Indian basement, several crustal-scale amphibolite facies shear zones occur between high-grade metamorphic units with a different geological history: the EW-trending Moyar Shear Zone (MSZ) is a zone of predominantly dip-slip transport separating the Archaean Dharwar Craton in the north from the late Archaean Nilgiri Block in the south. The NE-SW-trending, dextral-transpressive Bhavani Shear Zone (BSZ) constitutes the southern boundary of the Nilgiri Block in its western part and bounds the southern Dharwar Craton further east. South of the BSZ, the high-grade metasediments and metaintrusives of the Maddukarai region are separated from the 0.6 Ga-metamorphic Madurai Block by the EW-trending dextral Palghat Shear Zone (PSZ). MSZ, BSZ and PSZ are regarded as parts of the prominent Cauvery shear system. The N-S-trending sinistral Kollegal Shear Zone (KSZ), which transects the Dharwar Craton, is cut off by the Cauvery shear system. These shear zones play an important role in reconstructing the position of India within the East Gondwana terrane assembly. A combined Sm-Nd, Rb-Sr and U-Pb isotopic study was carried out on granulite remnants, amphibolite facies (mylonitic) gneisses and pre-, syn- und postmetamorphic intrusives in order to examine the tectonometamorphic evolution of the MSZ, BSZ, PSZ and KSZ. Whole rock data The majority of relic and retrogressed granulites from the MSZ (TDM 2.3–3.1 Ga) and BSZ (TDM 2.6-2.9 Ga) show late Archaean average crustal residence ages. With respect to their LIL-, Nb-depleted tonalitic nature and Nd-model ages, these rocks resemble the neighbouring Nilgiri granulites. Mylonitic gneisses and granulite remnants from the BSZ yielded a Sm-Nd-whole rock-age of 2520 ± 150 Ma (εNd(t) +0.6; MSWD = 2.2), which is interpreted as protolith age. I-Type granites and tonalites, which intruded the MSZ ~620 Ma ago (87Sr/86Sri 0.7039), gave unusually young Nd model ages of 1.8-1.9 Ma suggesting derivation from a Mid- to Neoproterozoic upper mantle source, presumably with minor contribution of an older crust. An allochthonous quarzite (TDM 3.3 Ga) of the BSZ is regarded as counterpart of the Archaean Sargur group, which is exposed in schist belts of the Dharwar Craton. As suggested by geochemical features (LIL-, Nd-rich granitoids) and Neoarchaean-Palaeoproterozoic Nd-model ages (TDM 2.3-3.0 Ga), the PSZ-gneisses show affinity to the adjacent Madurai Block. Sheared orthogneisses from the KSZ show Mesoarchaean average crustal residence ages (TDM 3.2-3.3 Ga) typical for Dharwar Craton gneisses. Mineral dating on granulites Mineral age data of relic granulites from the MSZ, BSZ and PSZ provide evidence for the metamorphic precursor history of the shear zone rocks: gnt-plag-px-granulites from low-strain domains yielded Sm-Ndgarnet- whole rock ages of 2355 ± 22 Ma (εNd(t) -1.4) for the MSZ and 2329 ± 19 Ma (εNd(t) -2.0) for the BSZ, both recording late-stage Palaeoproterozoic granulitisation of the rocks and corresponding with garnet data from the Nilgiri Block. Correlated low εNd-initial values reflect the short time span between crustal genesis and garnet crystallisation. Further Sm-Nd mineral data from BSZ-granulites are between 1275 ± 10 Ma and 1106 ± 48 Ma (garnet/plagioclase-whole rock-pairs; εNd(t) –5.8 to –25.4), indicating a Mesoproterozoic metamorphic imprint. A charnockite from the southern BSZ, which is interpreted as a separate lithological unit, yielded a reproducable Sm-Nd-garnet-whole rock age of 1705 ± 11 Ma (εNd(t) –12.4), presumably recording late Palaeoproterozoic metamorphism. Mineral dating on gneisses and younger intrusives Amphibolite facies rocks with younger fabrics yielded Neoproterozoic to early Palaeozoic mineral age data for the MSZ, BSZ and PSZ: Sm-Nd mineral ages from gneiss-mylonites imply a first stage of early Pan-African shearing in the MSZ ~745 Ma ago (garnet/plagioclase-hornblende-pairs: 743 ± 13 Ma, 747 ± 75 Ma) and in the BSZ ~730 Ma ago (garnetwhole rock-pair: 726 ± 9 Ma). This tectonic stage immediately followed a period of anorogenic alkalimagmatism in the eastern continuation of the BSZ suggesting that it may be attributed to an overall extensive regime. A second stage of late Pan-African shearing in the MSZ at ~620 Ma is constrained by statistically equivalent concordant U-Pb zircon ages that are interpreted to record crystallisation of syndeformative intrusives with Itype characteristics (granite: 616 ± 19 Ma, tonalite: 633 ± 23 Ma). Coeval to slightly younger metamorphic garnet growth in adjacent MSZ-gneisses and -mylonites is reflected by Sm-Nd-garnet-whole rock ages between 624 ± 9 Ma and 591 ± 5 Ma. Subsequent postdeformative cooling in the MSZ is constrained by Rb-Sr micawhole rock ages (muscovite: 594 ± 23 Ma; biotite: 603 ± 12 Ma to 547 ± 7 Ma). The 620 Ma-shearing event in the MSZ predates late Pan-African tectonometamorphism in the BSZ, which, according to garnet crystallisation, occurred ~550 Ma ago (Deters-Umlauf, 1997). Amphibolite facies shear deformation in the PSZ is even younger, as suggested by a Sm-Nd-garnet-whole rock age of 521 ± 8 Ma. A lower limit for the age of ductile shearing in the BSZ is provided by a Sm-Nd-garnet-whole rock-age of 513 ± 5 Ma reflecting postdeformative emplacement of a pegmatitic dyke in mylonitic host gneisses. According to Rb- Sr-mica age dating, postdeformative cooling of the sheared BSZ-gneisses (biotite-whole rock-pairs: 508 to 491 ± 12 Ma) and the undeformed dyke (muscovite-K'feldspar: 504 ± 13 Ma, biotite-K'feldspar: 488 ± 12 Ma) as well as cooling of the PSZ-gneisses (biotite-whole rock-pairs: 486, 487 and 488 ± 12 Ma) may have been slightly diachronous. In summary, the new geochronological data provide evidence for non-synchronousity of late Pan-African tectonometamorphism in the MSZ, BSZ and PSZ. At the time of structurally-controlled amphibolite facies metamorphism, all reworked gneisses had negative εNd(t) values (–24.7 to -9.4) reflecting their earlier crustal evolution. Sinistral shearing along the KSZ is not related to Pan-African processes, but has to be attributed to Palaeoproterozoic metamorphism in the Dharwar Craton: a lower limit for ductile tectonics is provided by a Sm- Nd-garnet-whole rock age of 2388 ± 16 Ma (εNd(t) –7.3). Strikingly younger Rb-Sr biotite-whole rock ages of 2137 ± 52 Ma and 2091 ± 51 Ma may be explained by local reheating of the crust that exceeded the closure temperature of biotite. The new results support the idea of a terrane boundary running along the southern BSZ. This terrane boundary separates the Archaean Dharwar/Nilgiri crustal province with 2.5 Ga metamorphism from the Proterozoic mobile belt of the Madurai province with a 0.6 Ga high-grade imprint. According to geochronological data, South India and Madagascar probably were subjected to different plate-tectonic regimes in the early Neoproterozoic. Late Neoproterozoic syndeformative emplacement of mantle-derived granitoids with crustal contamination both in the MSZ (~620 Ma) and in Central-Madagascar (~ 630 Ma) may point to a neighbouring position of the two East Gondwana continents at that time.

Abstract

Im Grundgebirge Südindiens treten zwischen hochmetamorphen Einheiten mit unterschiedlicher Entwicklungsgeschichte mehrere amphibolitfazielle Scherzonen auf: Die W-E-streichende Moyar-Scherzone (MSZ) bildet die Grenze zwischen dem archaischen Dharwar Kraton im N und dem spätarchaischen Nilgiri Block im S. Steilstehende Lineationen belegen hier vorherrschenden Vertikalversatz. Die SW-NE-streichende transpressiv-dextrale Bhavani-Scherzone (BSZ) begrenzt im Westen den Nilgiri Block und im Osten den Dharwar Kraton südwärts. Südlich der BSZ schließen sich amphibolit- bis granulitfazielle Orthogesteine und Metasedimente an, die durch die W-E-streichende dextrale Palghat-Scherzone (PSZ) vom archaischproterozoischen Madurai Block getrennt werden. MSZ, BSZ und PSZ werden als Komponenten des westlichen Cauvery-Scherzonen-Systems betrachtet. Die Kollegal-Scherzone (KSZ) tritt als N-S-streichende sinistrale Störungszone innerhalb des Dharwar Kratons auf und wird durch das Cauvery-Scherzonen-System diskordant abgeschnitten. Kenntnisse über die Deformationsgeschichte der südindischen Scherzonen spielen eine wichtige Rolle in Ostgondwana-Rekonstruktionen. Um Informationen über ihren Aufbau und ihre zeitliche Entwicklung zu erhalten, wurden die MSZ, BSZ, PSZ und KSZ im Rahmen vorliegender Arbeit isotopengeochemisch untersucht. Sm-Nd-, Rb-Sr- und U-Pb-Isotopenuntersuchungen an reliktischen Granuliten, an amphibolitfaziellen Gneisen und Gneismyloniten sowie an prä-, syn- und postdeformativen Intrusiva aus den Scherzonen liefern folgende Ergebnisse: Gesamtgesteinsuntersuchungen Reliktische und rehydratisierte Granulite aus der MSZ (TDM 2.3–3.1 Ga) und der BSZ (TDM 2.6-2.9 Ga) gehen mehrheitlich auf spätarchaische Krustenbildung zurück. Hinsichtlich ihrer geochemischen Charakteristika (LIL-, Nb-verarmte Tonalite) und Nd-Modellalter ähneln diese Gesteine mehrheitlich den benachbarten Nilgiri- Granuliten. Die Metamorphite aus der BSZ liefern ein Sm-Nd-Gesamtgesteinsalter von 2520 ± 150 Ma (εNd(t) +0.6; MSWD = 2.2), das als Protolithalter der Gesteine interpretiert wird. Die mittlere Krustenverweildauer (TDM 1.6-1.9 Ga) von sauren bis intermediären I-Typ-Schmelzen, die vor ~620 Ma (87Sr/86Sri 0.7039) in die MSZ eindrangen, belegt einen jüngeren Mantelabspaltungsprozeß unter der südindischen Kruste im Meso- oder Neoproterozoikum. Ein allochthoner Quarzit (TDM 3.3 Ga) aus der BSZ wird der archaischen Sargur-Serie aus dem Dharwar Kraton zugeordnet. Die Gneise der PSZ zeigen aufgrund ihrer geochemischen Komposition (LIL-, Nb-reiche Granitoide) und ihrer spätarchaisch-frühproterozoischen Nd-Modellalter (TDM 2.3-3.0 Ga) Affinität zum Madurai Block. Orthogneise aus der KSZ (TDM 3.2-3.3 Ga) besitzen die für den Dharwar Kraton typischen mittelarchaischen Nd-Modellalter. Mineraldatierungen an Granuliten Mineraldatierungen an Granulitrelikten der MSZ, BSZ und PSZ geben Auskunft über die frühe Metamorphosegeschichte der Gesteine: Sm-Nd-Granat-Gesamtgesteinsalter von Gnt-Plag-Px-Granuliten aus geschonten Domänen der MSZ (2355 ± 22 Ma; εNd(t) -1.4) und der BSZ (2329 ± 19 Ma; εNd(t) -2.0) dokumentieren das Spätstadium frühproterozoischer Granulitmetamorphose und korrespondieren mit Granataltern aus dem Nilgiri Block. Die zugehörigen niedrigen εNd-Initialwerte belegen die kurze Zeitspanne zwischen Krustengenese und Granatkristallisation. Vier weitere Sm-Nd-Granat/Plagioklas-Gesamtgesteinsalter aus Granulitrelikten der BSZ liegen zwischen 1275 ± 10 Ma und 1106 ± 48 (εNd(t) –5.8 bis –25.4) und deuten auf ein mesoproterozoisches Metamorphoseereignis hin. Ein reliktischer Charnockit aus der südlichen BSZ, der als eigene lithologische Einheit interpretiert wird, liefert ein reproduzierbares Sm-Nd-Granat- Gesamtgesteinsalter von 1705 ± 11 Ma (εNd(t) –12.4), welches ein thermales Ereignis im späten Paläoproterozoikum widerspiegelt. Mineraldatierungen an Gneisen und jüngeren Intrusiva Gneise und Gneismylonite mit jüngeren Gefügemerkmalen liefern im Bereich der MSZ, BSZ und PSZ neoproterozoische bis frühpaläozoische Mineralalter: Sm-Nd-Mineraldatierungen an Myloniten deuten auf eine erste Phase früh-panafrikanischer Scherdeformation vor ~745 Ma in der MSZ (Granat-Hornblende: 743 ± 13 Ma; Plagioklas-Hornblende: 747 ± 75 Ma) und vor ~730 Ma in der BSZ (Granat-Gesamtgestein: 726 ± 9 Ma) hin. Diese Phase schließt sich unmittelbar an anorogene alkalimagmatische Intrusionen in der östlichen Verlängerung der BSZ an. Für die MSZ belegen konkordante U-Pb-Zirkonalter, die als Kristallisationsalter syndeformativer I-Typ-Intrusiva (Granit: 616 ± 19 Ma, Tonalit: 633 ± 23 Ma) interpretiert werden, eine zweite Phase spät-panafrikanischer Scherdeformation vor ~620 Ma. Nahezu äquivalent sind Sm-Nd-Mineralalter, welche die Granatkristallisation in Gneisen und Gneismyloniten vor 624 ± 9 Ma bis 591 ± 5 Ma belegen. Rb-Sr-Glimmeralter aus der MSZ dokumentieren die anschließende postdeformative Abkühlung im Vendium und Kambrium (Muskovit- Gesamtgestein: 594 ± 23 Ma; Biotit-Gesamtgestein: 603 ± 12 bis 547 ± 7 Ma). Die spät-panafrikanische Aktivität in der MSZ geht einer zweiten scherdeformativen Phase in der BSZ vor ~550 Ma (Deters-Umlauf, 1997) zeitlich voraus. Die Tektonometamorphose in der PSZ ist noch jünger: ein Sm-Nd- Granat-Gesamtgesteinsalter belegt hier die strukturkontrollierte, amphibolitfazielle Überprägung vor 521 ± 8 Ma. Das Ende duktiler Scherbewegungen in der BSZ ist durch die Platznahme eines postdeformativen Pegmatits im obersten Kambrium belegt, dessen Kristallisation aus einem Sm-Nd-Granat-Gesamtgesteinsalter von 513 ± 5 Ma abgeleitet wird. Rb-Sr-Glimmeralter dokumentieren die ordovizische Abkühlung des deformationsfreien Pegmatits auf ~500°C vor 504 ± 13 Ma (Muskovit-Kalifeldspat) und auf ~320°C vor 488 ± 12 Ma (Biotit- Kalifeldspat). Die Abkühlung deformierter BSZ-Gneise (Biotit-Gesamtgestein: 508-491 ± 12 Ma) scheint in Relation dazu zeitlich vorauszugehen. Rb-Sr-Biotit-Gesamtgesteinsalter aus der PSZ (486, 487 und 488 ± 12 Ma) dokumentieren eine leicht verzögerte Abkühlgeschichte. Ein Vergleich der Altersdaten zeigt, dass sich die spät-panafrikanische Scherzonentektonik innerhalb des Cauvery-Scherzonen-Systems von N nach S verlagerte. Die untersuchten Gesteine haben zum Zeitpunkt ihrer amphibolitfaziellen Überprägung (εNd(t) -9.4 bis –24.7) bereits eine lange Krustenentwicklung durchlaufen. Die Scherdeformation an der KSZ steht nicht mit panafrikanischer Tektonik in Zusammenhang, sondern erfolgte bereits im Spätstadium der frühproterozoischen Regionalmetamorphose im Dharwar Kraton: Ein Sm-Nd-Granat- Gesamtgesteinsalter von 2388 ± 16 Ma (εNd(t) –7.3) liefert das Minimalalter für duktile Sinistralbewegungen an der KSZ. Deutlich jüngere Rb-Sr-Biotit-Gesamtgesteinsalter von 2137 ± 52 Ma und 2091 ± 51 Ma lassen vermuten, dass es im Dharwar Kraton vor der endgültigen Abkühlung auf die Biotit-Schließtemperatur (~320°C) lokal zu einer nochmaligen Wärmezufuhr kam. Die vorliegenden geochronologischen Ergebnisse unterstützen ein geotektonisches Modell, nach dem der Südrand der Bhavani-Scherzone eine Terranegrenze zwischen der archaischen Dharwar/Nilgiri-Krustenprovinz (2.5 Ga-Regionalmetamorphose) im N und der panafrikanisch remobilisierten Madurai-Krustenprovinz (0.6 Ga- Regionalmetamorphose) im S darstellt. Den vorliegenden Daten zufolge haben sich die Ostgondwana-Fragmente Südindien und Madagaskar während des frühen Neoproterozoikums in unterschiedlichen plattentektonischen Positionen befunden haben. Im späten Neoproterozoikum (~630-620 Ma) hingegen erscheint eine benachbarte Lage der beiden Kontinente durchaus möglich, da zu dieser Zeit in der MSZ und in Zentralmadagaskar im Zuge von Scherbewegungen I-Typ-Granitoide intrudieren.