Geochemistry on fine-grained

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1 Diss. ETH No Sm-Nd, Rb-Sr and Common Lead Isotope Geochemistry on fine-grained Massif sediments of the Iberian A dissertation submitted to the Swiss federal Institute of technology Zürich for the degree of Doctor of natural Sciences presented by Thomas Nagler Dipl.-Geologe, Universität Würzburg born March 5, 1959 Citizen of FR Germany accepted on the recommendation of Prof. Dr. M. Grünenfelder, examiner Dr. D. Gebauer, co-examiner Prof. Dr. U. Schärer, co-examiner 1990

2 IX SUMMARY Sm-Nd, common lead and Rb-Sr as well as major and trace element studies were applied to pre-permian sediments of the Iberian Massif in order to get information on the crustal evolution of the European Hercynides. Samples were collected within stratigraphic profiles of the Cantabrian-, Central Iberian- and Ossa Morena Zone. The Iberian Massif offers the most complete cross section of the European Hercynides and further, Precambrian to Hercynian metamorphic overprints are in most regions relatively weak (diagenetic to epizonal). Fine-grained sediments were chosen as they sample large source areas and their relatively long transport supports an efficient mixing of the detritus. Therefore, they are supposed to give mean values for the respective eroded continental segments. The 147Sm/144Nd ratios of almost all samples are in the ränge of typical crustal values (= 0.12). ENd values calculated back to the time of Sediment deposition (ENd(T)), fall into the ränge of -7 to -13 for Paleozoic samples whereas uppermost Precambrian samples scatter around These higher values probably relate to the influx of detritus eroded from rocks with an significant amount of juvenile continental crust. The age and the syn-orogenic facies of these strata point to Pan- African orogenic events. The most probable geotectonic scenario for the assumed addition of new continental crust is an Andean-type continental margin setting. Obviously, these young crustal components have been successively eroded together with a older basement. In postorogenic times ENd(T)-values of the strata rapidly decreased, indicating an almost complete erosion of exposed juvenile crust within -10 Ma. The presence of Pan-African orogenic events indicates a Gondwana origin for the Iberian continental crust. Apart from this, two exceptions can be observed: Tremadocian (490 Ma) samples of the Central Iberian Zone show 6Nd(T) values in the ränge of -3 and +1. Model calculations indicate a ca. 50% contribution of a mantle component which differentiated into granitoid composition. Common lead data also support an input of this dimension. A con tribution of mafic mantle material is not likely as both the 147Sm/144Nd ratios and the chemical composition show no mantle influence. The Middle Cambrian sample of the Ossa Morena Zone (Zaf-5) shows a high ENdlT) of -1 and a crustal 147Sm/144Nd ratio of 0.117, again indicating a component of differentiated mantle. On the other hand, its major element composition indicates a more mafic provenance.

3 Further, it was taken from detrital strata interbedded with bimodal vol canics. Thus, both a mafic- and/or a felsic volcanic influence is possible. The crustal residence ages (or depleted mantle model ages) ränge from 1.4 Ga to 2.7 Ga. Averaging and grouping these values according to geological units yielded 1.92 Ga for the Cantabrian-, 1.96 Ga for the Central Iberian -, and 1.82 Ga for the Ossa Morena Zone. In comparison to other fine-grained sediments of the European Hercynides similar mean crustal residence ages are recorded only in the Armorican Massif (1.92 Ga) whereas the model ages in coeval sediments of Languedoc (1.70 Ga), Lorraine (1.66 Ga) and Germany (1.65 Ga) are younger (recalculated data from Michard et al., 1985 and Liew and Hofmann, 1988). It should be noted, that these mean crustal residence ages are averages of the respective unrecycled provenances, i.e. these ages reflect crustal growth and mixing of differently old, but newly formed crustal components. As young crust formed in the Pan-African (Cadomian) event is present, the oldest components have to be significantly older than 2 Ga. Indications for early Proterozoic and even Archean crustal components are also given by U-Pb- zircon work (e.g. Guerrot et al., 1989 and Schäfer, 1990). A Hercynian overprint between 350 Ma and 300 Ma caused a partial homogenization of the Pb-isotopic compositions of the samples of the Central Iberian Zone. This is in good agreement with the Rb-Sr wholerock results reflecting a Hercynian overprint at 335 Ma. In the = Cantabrian- and Ossa Morena Zone the "ages" corresponding to the positive 87Sr/86Sr versus Rb/Sr correlation are too old (430 Ma and 440 Ma, respectively), as they exceed the stratigraphic ages of the younger samples. Thus, they are geological meaningless. Seven fine-grained Tremadocian (490 Ma) samples of the Central Iberian Zone yielded a Sm-Nd isochron indicating an age of 1524 ±175 Ma, one Ga in excess of the depositional age, but in line with the average crustal residence age. Taking into aecount that primary zircon ages of the European Hercynides at 1.5 Ga are so far not observed (Gebauer, 1990a), this age can not be explained as a major crust formation event. In contrast, it reflects recycled crustal material ranging in age from at least Pan-African, maybe even early Paleozoic, to Archean. Opposite to the Sm-Nd system, Rb-Sr and common lead Systems of the Tremadocian samples Carboniferous overprint. were affected during a Lower

4 XI ZUSAMMENFASSUNG Prä-permische Sedimente aus der Kantabrischen- (CZ), der Zentral Iberischen- (CIZ) und der Ossa Morena Zone (OMZ) der spanischen Meseta wurden untersucht, um Hinweise auf die Krustenentwicklung des Herzynischen Grundgebirges zu erhalten. Hierzu wurden Sm-Nd, Rb-Sr und Pb-Pb Isotopen-Analysen sowie Haupt- und Spurenelement- Bestimmungen durchgeführt. Als Untersuchungsgebiet wurde Spanien ausgewählt, da hier ein gutes Profil durch das Grundgebirge ansteht und die Schichten seit dem Präkambrium nur geringen Ueberprägungen (diagenetisch bis epizonal) ausgesetzt waren. Um möglichst repräsentative Mittelwerte der jeweiligen exponierten Krusten segmente zu erhalten, wurden feinkörnige Sedimente beprobt, deren Einzugsgebiet relativ gross ist und deren relativ langer Transportweg eine gute Durchmischung der Erosionsprodukte erwarten lässt. Fast alle Proben weisen ein 147Sm/144Nd Verhältnis im Bereich der typischen kontinentalen Kruste (-0.12) auf. Die NdlT) Werte - be - rechnet für das Sedimentationsalter liegen für die paläozoischen Pro ben zwischen -7 und -13, wohingegen die Ergebnisse der präkambrischen Sedimente um -3.5 streuen. Diese erhöhten Werte deuten auf den Einfluss grosser Anteile juveniler Kruste im Einzugsgebiet der Sedimente. Das Alter und die synorogene Fazies der Schichten lassen auf pan-afrikanische orogene Phasen schliessen. Der wahrscheinlichste geotektonische Rahmen für die Entstehung der angenommenen Anteile juveniler, kontinentaler Kruste ist ein aktiver Kontinentalrand vom Anden-Typ. Aufgrund seines pan-afrikanischen Alters, war dieser aktive Kontinentalrand wahrscheinlich Teil Gondwanas. Offensichtlich sind die jungen Krustenkomponenten zusammen mit alter Kruste abgetragen worden. In den Schichten, die nach der Orogenese abgelagert wurden, sinkt der ENdfO Wert schnell ab, was darauf schliessen lässt, dass die exponierte juvenile Kruste innerhalb von etwa 10 Ma annähernd vollständig abgetragen wurde. Im Paläozoikum wurden zwei Ausnahmen vom oben angegebenen Bereich (ENd(T) = -7 bis -13) festgestellt: Proben aus dem Tremadoc (490 Ma) der CIZ weisen ENdtT) Werte von -4 bis +1 auf. Modellrech nungen lassen auf einen Anteil von etwa 40 % juveniler, kontinentaler Kruste im Einzugsbereich der Sedimente schliessen. Abschätzungen anhand der Pb-Pb Ergebnisse unterstützen diese Grössenordnung. Ein hoher Anteil mafischen Mantelmaterials ist unwahrscheinlich, da weder

5 XII die 147Sm/144Nd Verhältnisse noch die chemische Zusammensetzung mafischen Einfluss zeigen. Das Mittelkambrium der OMZ weist ebenfalls einen erhöhten ENd(T) Wert (-1) und ein normales 147Sm/144Nd Verhältnis (0.117) auf. Inso fern könnte die Interpretation für die Tremadoc Proben (hoher Anteil juveniler Kruste im Einzugsgebiet) auch hier anwendbar sein. Die che mische Zusammensetzung zeigt jedoch einen mafischen Einfluss. Aus serdem liegen die beprobten Schichten in Wechsellagerung mit bimodalen Vulkaniten. Eine Zumischung mafischer und/oder felsischer vulkanischer Komponenten kann daher nicht ausgeschlossen werden. Die Nd-Modellalter der Proben liegen zwischen 1.4 Ga und 2.7 Ga. Für die einzelnen Zonen ergeben sich Mittelwerte von 1.92 Ga (CZ), 1.96 Ga (CIZ) und 1.82 Ga (OMZ). Vergleichbar hohe Modellalter an feinkörnigen Sedimenten wurden in Europa bisher nur im Armorikanischen Massiv festgestellt (1.92 Ga). Im Gegensatz dazu liegen die Nd-Modellalter im Languedoc (1.70 Ga), in Lothringen (1.66 Ga) und in den deutschen Mittelgebirgen (1.65) tiefer (Daten von Michard et al., 1985 und Liew und Hofmann, 1988). Nd-Modellalter an Sedimenten geben jedoch nur mittlere Alter des Hochgebiets, d.h. Mischalter unterschiedlicher Krustenkomponenten an. Da pan-afrikanische Kruste vorhanden ist, müssen die ältesten Komponenten das Mischalter von etwa 1.9 Ga deutlich übertreffen. Hinweise auf frühproterozoische und sogar archaische kontinentale Kruste ergeben sich auch aus U-Pb- Zirkon Analysen (z.b. Guerrot et al., 1989 oder Schäfer, 1990). Eine herzynische Ueberprägung der Schichten zwischen 350 Ma und 300 führte zu einer Angleichung der Pb Isotopenverhältnisse der Proben in der CIZ. Das Rb-Sr Gesamtgesteins-System scheint ebenfalls beeinflusst worden zu sein, da die Ergebnisse um eine 335 Ma Referenzisochrone streuen. Die positive 87Sr/88Sr Korrelation mit den Rb/Sr Verhältnissen in der CZ und der OMZ sind ohne geologische Bedeutung, da die entsprechenden Referenzalter (430 Ma bzw. 440 Ma) über den stratigraphischen Altern eines Teils der Proben liegen. Sieben Proben des Tremadoc (490 Ma) der CIZ definieren im Sm- Nd System eine Isochrone von 1524 ±175 Ma, also 1 Ga über dem Sedimentationsalter. Da aus dem europäischen Grundgebirge bisher keine primären Zirkonalter um 1.5 Ga bekannt sind (Gebauer, 1990a), kann dieses Alter nicht als Krustenbildungsalter gedeutet werden. Es scheint, dass dieses Alter eine Mischung verschieden alter Krusten komponenten darstellen. Im Gegensatz zum Sm-Nd System wurden die Rb-Sr und Pb-Pb Systeme des Tremadoc im Unterkarbon gestört.