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Title: Geodynamic and metamorphic evolution of the Araçuaí orogen (SE Brazil).
Authors: Schannor, Mathias
metadata.dc.contributor.advisor: Lana, Cristiano de Carvalho
Keywords: Orógeno Araçuaí - MG
Petrologia
Rochas metamórficas
Geologia isotópica
Issue Date: 2018
metadata.dc.contributor.referee: Lana, Cristiano de Carvalho
Storey, Craig Darryl
Cipriano, Ricardo Augusto Scholz
Zincone, Stéfano Albino
Buick, Ian S.
Citation: SCHANNOR, Mathias. Geodynamic and metamorphic evolution of the Araçuaí orogen (SE Brazil). 2018. 186 f. Tese (Doutorado em Evolução Crustal e Recursos Naturais) – Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2018.
Abstract: Ciclos repetidos de amalgamação e quebra de supercontinentes influenciaram profundamente a evolução da crosta, atmosfera, hidrosfera e biosfera da Terra a partir do final do Arqueano. A formação de supercontinentes é caracterizada pela formação de margens convergentes, que por fim resultam em colisão continental. Espessamento crustal e produção de calor devido a acumulação de elementos produtores de calor e/ou aumento da contribuição de calor mantélico em margens convergentes resultam em fusão parcial de litologias pré-existentes e produção de grandes volumes de magma granítico, contribuindo para a diferenciação da crosta terrestre. Este trabalho tem como foco o orógeno Araçuaí no sudeste brasileiro, o qual é um dos diversos cinturões colisionais do ciclo Brasiliano/Pan-Africano, edificados durante a convergência dos proto-continentes Sul-Americano e Africano ao final do Neoproterozóico, resultando na formação do supercontinente Gondwana Ocidental. A colisão entre os crátons São Francisco e Congo resultou em um prolongado magmatismo granítico, agora exposto na porção interna do orógeno Araçuaí. Enquanto este magmatismo é bem caracterizado, a evolução metamórfica do orógeno e a evolução geodinâmica relacionada aos blocos continentais que antecederam a amalgamação do Gondwana Ocidental são menos estudados, apesar da grande exposição de rochas metassedimentares. Um estudo combinado de trabalhos de campo, petrografia, geoquímica de rocha total e análises isotópicas de U–Pb–Hf em zircões detríticos foi realizado em rochas metassedimentares de forma a melhor entender a evolução geodinâmica dos blocos continentais pré-Gondwana Ocidental. Processos de retrabalhamento crustal durante a formação de supercontinentes foram estudados utilizando análises isotópicas U–Pb–Hf em zircões de intrusões graníticas e rochas do embasamento. Além disso, geocronologia U–Pb in situ em granadas e modelamento metamórfico foram aplicados na reconstrução da evolução metamórfica do orógeno Araçuaí de forma a compreender os processos orogenéticos e fontes de calor que produziram fusões parciais durante a colisão continental. Análises isotópicas U–Pb–Hf e dados de elementos traço em zircões detríticos de rochas metassedimentares do orógeno Araçuaí forneceram evidências da quebra do cráton Congo-São Francisco. O espectro de idades U–Pb dos zircões detríticos variou de 900–650 Ma e definiram uma idade máxima de deposição de ca. 650 Ma. Elementos traço dos zircões e química de rocha total indicaram um arco de ilhas como fonte dos protólitos dos metassedimentos. Valores positivos de εHf(t) dos zircões indicam uma fase extensional Neoproterozóica e formação de crosta oceânica em uma bacia precursora ao orógeno Araçuaí. A natureza juvenil, espectro de idades e composição de elementos traço dos zircões detríticos correspondem com zircões de rochas metassedimentares e restos crosta oceânica dos cinturões orogênicos Brasilianos adjacentes. Isto sugere o rifteamento e geração de crosta oceânica em um grande sistema orogênico conectado e de forma contemporânea, provavelmente relacionado à abertura de um grande oceano. Isto também implica que os blocos cratônicos envolvidos nesta evolução orogenética estavam conectados há 900 Ma. Gnaisses migmatíticos Paleoproterozóicos do embasamento do orógeno Araçuaí representam adição de crosta juvenil em um cenário de acreção orogenética entre 2.2–2.0 Ga, evidenciado pelos valores positivos de εHf de seus zircões. A composição isotópica de Hf dos zircões dos granitóides pré-colisionais definem um grande intervalo de valores negativos de εHf, consistente com a mistura ineficiente de fusões derivadas de fontes máficas e félsicas Paleoproterozóicas. Grãos de zircão de intrusões máficas contemporâneas exibem composição isotópica de Hf enriquecida, indicando fusão de anfibolitos Paleoproterozóicos ao invés de adições mantélicas. O magmatismo do orógeno Araçuaí relacionado à amalgamação do Gondwana Ocidental é, desta forma, dominantemente um evento de retrabalhamento crustal. Observações petrográficas, química mineral e modelamento metamórfico restringe o pico metamórfico das rochas metassedimentares não-anatéticas do domínio central do orógeno em 640 ± 20 °C e 8.75 ± 0.75 kbar. Sem precedentes, geocronologia U-Pb in-situ em granadas de baixo-U (<1 μg/g) produziram idades consitentes para o pico metamórfico entre 585–570 Ma. Zircões metamórficos com idades de ca. 630 Ma. são relacionados à um evento de acreção de um terreno não exposto atualmente antes da orogênese, enquanto as idades U–Pb em granada registram o pico metamórfico devido à orogênese, revelado pelo desequilíbrio entre o particionamento de elementos terras raras (ETR) entre os dois minerais. A combinação das condições metamórficas define uma evolução P–T em sentido horário para o orógeno Araçuaí, caracterizado pelo lento soterramento a profundidades de 26–30 km, seguido por descompressão praticamente isotérmica de ~10 a 6 kbar. Diferenças substanciais entre as temperaturas de pico metamórfico nos diversos domínios do orógeno Araçuaí são consistentes com diferentes litologias em diferentes seções crustais, causando uma maior concentração de elementos produtores de calor no domínio anatético, causando fusão parcial das rochas metassedimentares. Isto sugere que os elementos produtores de calor foram uma fonte significativa de calor para o retrabalhamento crustal durante a tectônica convergente do Gondwana Ocidental.
metadata.dc.description.abstracten: Repeated cycles of supercontinent amalgamation and break-up have profoundly influenced the evolution of the Earth’s crust, atmosphere, hydrosphere and biosphere since the late Archean. Supercontinent assembly is characterised by the formation of convergent plate boundaries, which ultimately results in continental collisions. Crustal thickening and heating due to accumulation of heatproducing elements and/or increased mantle heat flow in continental collision settings leads to melting of pre-existing crustal lithologies and production of large volumes of granitic magmas, contributing to the differentiation of the Earth’s crust. This work focuses on the Araçuaí orogen in southeast Brazil, which is one of many Brasiliano/Pan African collisional orogenic belts that developed during convergence of South American and African protocontinents in the late Neoproterozoic and formed the West Gondwana supercontinent. Collision between the São Francisco and Congo craton resulted in prolonged granitic magmatism now exposed in the internal part of the Araçuaí orogen. While this magmatism is well-characterised, the metamorphic evolution of the orogen and the geodynamic evolution of involved continental blocks prior to West Gondwana assembly are less studied. Combined field work, petrography, whole rock geochemistry and detrital zircon U–Pb–Hf isotope analyses were performed on metasedimentary rocks in order to place better constraints on the geodynamic evolution of pre-West Gondwana continental blocks. Crustal reworking processes during supercontinent amalgamation have been studied through zircon U–Pb–Hf isotope analyses of granitoid intrusions and basement rocks. In addition, garnet in situ U–Pb geochronology and phase equilibria modelling were applied to reconstruct the metamorphic evolution of the Araçuaí orogen in order to better understand mountain-building processes and heat sources of partial melting during continental collision. Detrital zircon U–Pb–Hf isotopic and trace element data from metasedimentary rocks of the Araçuaí orogen provide evidence for break-up of the Congo–São Francisco craton. The U–Pb age spectra of detrital zircon range from 900–650 Ma and define a maximum depositional age of ca. 650 Ma. Zircon trace element and whole rock data constrain an oceanic island arc as source for the protoliths to the metasediments. Positive zircon εHf(t) values indicate a Neoproterozoic extensional phase and oceanic crust formation in a precursor basin to the Araçuaí orogen. The juvenile nature, age spectra and trace element composition recorded in detrital zircons correspond with zircons from metasedimentary rocks and oceanic crust remnants of adjacent Brasiliano orogenic belts. This suggests that rifting and oceanic crust formation of a large connected orogenic system was contemporaneous, most likely related to the opening of a large ocean. It further indicates that the cratonic blocks involved in this orogenic evolution were spatially connected as early as 900 Ma. Paleoproterozoic migmatitic gneisses from the basement of the Araçuaí orogen represent addition of juvenile crust in an accretionary orogenic setting at ca. 2.2–2.0 Ga evidenced by their positive zircon εHf values. The Hf isotopic composition of zircon from pre-collisional granitoids defines a large range of negative εHf values consistent with inefficient mixing of melts derived from felsic and mafic Paleoproterozoic sources. Zircon grains of contemporaneous mafic intrusions display enriched Hf isotopic compositions indicating melting of Paleoproterozoic amphibolites rather than addition of mantle melts. Magmatism of the Araçuaí orogen related to the assembly of West Gondwana is dominantly a crustal reworking event. Petrographic observations, mineral chemistry, and phase equilibria modelling constrain peak metamorphic conditions of non-anatectic metasedimentary rocks of the central domain of the Araçuaí orogen at 640 ± 20 °C and 8.75 ± 0.75 kbar. Unprecedented in situ low-U (<1 μg/g) garnet U–Pb geochronology yielded geologically meaningful peak metamorphic ages between 585–570 Ma. Metamorphic zircon ages of ca. 630 Ma are related to a cryptic terrane accretion event prior to orogenesis, whereas garnet U–Pb ages record the orogenic peak metamorphism as revealed by disequilibrium rare earth element (REE) partitioning between the two minerals. Combining metamorphic conditions defines a clockwise P–T evolution for the Araçuaí orogen characterised by slow burial to depths of 26–30 km, followed by nearly isothermal decompression from ~10 to 6 kbar. Substantial differences of peak temperatures in various domains of the orogen are consistent with differences in initial lithology of crustal sections causing a higher concentration of heat producing elements in anatectic domains, which triggered partial melting of the metasedimentary rocks. This suggests that heat producing elements were a significant heat source for crustal reworking during West Gondwana convergent tectonics.
Description: Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais. Departamento de Geologia, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/10055
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 11/07/2018 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite a adaptação.
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