Research Collection Doctoral Thesis Geochronology and isotope geochemistry of magmatic rocks from Western Srednogorie (Bulgaria) and Timok magmatic complex (East Serbia) Author(s): Kolb, Melanie Publication Date: 2011 Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-007050677 Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library
DISS. ETH NO. 20033 Geochronology and isotope geochemistry of magmatic rocks from Western Srednogorie (Bulgaria) and Timok Magmatic Complex (East Serbia) A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by MELANIE KOLB Diplom Geologin, Friedrich-Wilhelms Universität Bonn born 27.10.1980 citizen of Germany accepted on the recommendation of Prof. Christoph A. Heinrich, examiner Dr. Albrecht von Quadt, co-examiner Dr. Massimo Chiaradia, co-examiner Dr. Irena Peytcheva, co-examiner 2011
Summary SUMMARY The Timok Magmatic Complex and Western Srednogorie are located in SE Europe and belong to the Apuseni-Banat-Timok-Srednogorie (ABTS) magmatic belt, extending from Romania, through Serbia, and Bulgaria. This calc-alkaline magmatic arc is related to the northward subduction of the Tethys Ocean during the Upper Cretaceous and hosts the best examples of porphyry Cu and associated epithermal Cu-Au deposits in southeastern Europe. Formation of the magmatic arc is still debated and several models including slab rollback, orogenic collapse, and slab tear have been proposed to exlpain the volcanism and the associated mineralization. Parts of this magmatic arc, namely the Eastern Srednogorie and Panagyurishte (Central Srednogorie), the eastward extension of Timok and West Srednogorie were extensively studied by different authors. Nevertheless, geochronological and geochemical data are sparse particularly for Serbia and Romania. Combined whole rock, major and trace elements, isotopes (Sr, Nd) as well as U-Pb geochronolgy and Hf isotopes on zircons from West Bulgaria and East Serbia (Timok Magmatic Complex and Ridanj-Krepoljin Zone) were used, in order to expand the dataset for the ABTS belt and reconstruct the geodynamic evolution of East Serbia (Timok) and if possible extent it to the whole ABTS belt. The thesis is divided into three main chapters and a short outlook to possible future research. The first and third chapters are submitted, co-authored papers, of which I am the leading author. The second chapter, the geochemistry of Western Srednogorie is not written as a paper and was added as an extension of the first geochemical paper from East Serbia. In the first chapter magmatism from the Timok Magmatic Complex and Ridanj- Krepoljin Zone of eastern Serbia and its relation to large-scale geodynamic processes are assessed on the basis of new age and whole-rock 87 Sr/ 86 Sr and 143 Nd/ 144 Nd isotopic data. Across-arc younging away from the European continent is indicated by U Pb laser ablation inductively coupled plasma mass-spectrometry (LA-ICP-MS) ages on zircons as well as existing isotope-dilution thermal ionization mass-spectrometry (ID-TIMS) data. Ages range between 89 to 79 Ma for the Timok and from 76 to 71 Ma for the Ridanj-Krepoljin. Isotopes combined with trace element and geochronology data indicate that mantle wedge melting caused by mild extension during progressive slab rollback produced magmatism in East Serbia. Samples from West Bulgaria and East Serbia are remarkably similar concerning their isotopes, trace elements and most of the major elements as summarized in chapter two. Thus a relatively homogenous source region and geodynamic evolution can be assumed. i
Summary Adakite-like trace element signatures (Y 18 ppm, Sr/Y 40 ppm) in East Serbia are found across the entire arc segment and overlap in space and time with magmas showing normal arc differentiation trends. Magmatic-hydrothermal copper deposits are associated with this adakite-like magmas. Formation of this special rocks is described in chapter one. Energyconstrained assimilation and fractional crystallization (EC-AFC) modeling demonstrates that the two distinct fractionation signatures can be explained by a common parental mantle magma with variably fractionation and assimilation paths in the lower and upper crust. Adakite-like magmas are characterized by high-pressure amphibole fractionation in the lower crust and a second step of plagioclase-dominant fractionation and basement assimilation in the upper crust. The normal arc signatures in contrast evolved from the same magma under upper-crustal differentiation processes only, and are not known to have caused economic ore mineralization. Samples from West Bulgaria only show some adakite-like signatures which might explain minor occurrences of hydrothermal copper deposits (chapter 2). In the third and last chapter, additional high-precision U-Pb ID-TIMS as well as minor LA-ICP-MS zircon dating from Timok and Western Srednogorie (85 to 75 Ma) complete geochronological data from the first chapter. Zircons from several samples of one individual porphyry-cu in deposit (Majdanpek) were analyzed by high-precision ID-TIMS in order to determine the lifetime of this magmatic system and the ore formation. Three distinct pulses of magma could be distinguished where the first two pulses are mineralized and intruded with a break of 70 k.y. in between, expelled from a long-lived magma chamber that shows continuous zircon crystallization of 2.2 Ma. The maximum duration of porphyry emplacement and onset of ore formation is indicated by the youngest ages of 83.24±0.10 and 83.30±0.10 Ma. Maximum mineralization duration is 80 k.y. indicated by a post-ore dike. Assimilation of basement rocks as is suggested in the isotopes, is additionally indicated by inherited zircons showing Paleozoic (120 Ma) to Proterozoic(up to 2 Ga) ages. Jurassic (175.3±8.6 Ma) and Oligocene (31.67±0.13 Ma) volcanism in East Serbia gives insight into the longer-term magmatic and geodynamic evolution. At the end, previously published geochronological and isotope data (Sr and Hf) and data from Bulgaria and Serbia are summarized to establish a large-scale geodynamic model for the Bulgarian and Serbian part of the ABTS belt. The proposed model starts with the initial magmatism in the ABTS belt started in a weak but overall extensional setting between 92 and 82 Ma. Ongoing magmatism in combination with a slab rollback leads to strong extension. Last stage of volcanism, especially apparent in the Ridanj-Krepoljin zone (75 to 71 Ma) is affected by the initial stage of collision with the Adriatic microplate, causing compression ii
Zusammenfassung ZUSAMMENFASSUNG Die magmatischen Komplexe in Timok und West Srednogorie befinden sich in Süd-Ost Europa und gehören zu dem magmatischen Apuseni-Banat-Timok-Srednogorie-Gürtel (ABTS), der sich von Rumänien über Serbien nach Bulgarien erstreckt. Dieser kalk-alkaline magmatische Bogen wurde durch die nördlich gerichtete Subduktion des Tethys Ozeans in der Oberkreide verursacht und beherbergt die besten porphyrischen Kupfer- und damit verbundene epithermale Kupfer/Gold- Lagerstätten in Süd-Ost Europa. Die Entstehung dieses magmatischen Bogens wird immer noch diskutiert. Einige Modelle wie das Zurückrollen der subduzierenden Platte ( slab rollback ), orogener Kollaps, und Abreissen der subduzierenden Platte wurden diskutiert um den Vulkanismus und die damit verbundene Vererzung zu erklären. Teile dieses magmatischen Bogens, vor allem die Ost-Srednogorie und Panagyurishte (Zentrale Srednogorie), die östliche Verlängerung von Timok und West Srednogorie, wurden bereits durch verschiedene Autoren beschrieben. Jedoch gibt es nur wenige geochronologische und geochemische Untersuchungen aus Serbien und Rumänien. Haupt- und Spurenelemente, Isotope (Sr und Nd) von Gesamtgesteinen sowie U-Pb Geochronologie und Hf-Isotope an Zirkonen wurden kombiniert um die bestehende Literatur zu erweitern und um die geodynamische Entwicklung von Ost-Serbien (Timok) und, falls möglich, des gesamten ABTS-Gürtels zu rekonstruieren. Diese Arbeit ist in drei Hauptkapitel und einem kurzen Ausblick auf zukünftige Forschungsfelder gegliedert. Das erste und dritte Kapitel sind in Form bereits eingereichter Publikationen geschrieben, bei denen ich die Erstautorin bin. Das zweite Kapitel, die Geochemie der West-Srednogorie, wurde nicht in Form einer Publikation geschrieben, sondern stellt eine Erweiterung zu dem ersten geochemischen Kapitel von Ost Serbien dar. Im ersten Kapitel wird der Magmatismus aus Timok und Ridanj-Krepoljin in Ost- Serbien und sein Bezug auf grossräumige geodynamische Prozesse anhand von neuen Altersdaten und Gesamtgesteins 87 Sr/ 86 Sr- und 143 Nd/ 144 Nd-Isotopendaten erläutert. U-Pb laser ablation inductively coupled plasma mass-spectrometry (LA-ICP-MS) und existierende isotope-dilution thermal ionization mass-spectrometry (ID-TIMS) Altersdaten an Zirkonen werden über den Bogen hinweg, d.h. von Ost nach West, jünger. Die Alter reichen von 89 bis 79 Ma für den Timok bis hin zu 76 bis 71 Ma für Ridanj-Krepoljin. Kombinierte Isotopen-, Spurenelement- und Geochronologie-Daten deuten auf eine Aufschmelzung und Entstehung der Magmen im Mantelkeil hin, die durch geringe Extension und fortschreitenden slab rollback verursacht wurden. Wie in Kapitel zwei beschrieben, ii
Zusammenfassung zeigen Proben aus West-Bulgarien und Ost-Serbien erstaunliche Ähnlichkeiten bezüglich ihrer Isotopen, Spurenelemente und der meisten Hauptelemente, weswegen eine relativ homogene Quellregion und ähnliche geodynamische Entwicklung für diese beiden Gebiete angenommen werden kann. In Ost-Serbien findet man im gesamten Gebiet Adakit-ähnliche Spurenelementsignaturen (Y 18 ppm, Sr/Y 40 ppm) die in Raum und Zeit mit Magmen überlappen, welche normale Subduktionszonen-Signaturentrends zeigen. Magmatische, hydrothermale Kupfer-Lagerstätten werden mit Adakit-ähnlichen Magmen assoziiert. Die Bildung dieser speziellen Gesteine wird in Kapitel eins beschrieben. Energy-constrained assimilation and fractional crystallization (EC-AFC) Modellierung zeigt, dass die Entstehung der zwei unterschiedlichen Trends am besten mit einem gemeinsamen Mantelmagma, jedoch mit unterschiedlichen Fraktionierungs- und Assimilierungspfaden in der unteren und oberen Kruste erklärt werden können. Hochdruck-Amphibol-Fraktionierung in der unteren Kruste, später gefolgt von einer Plagioklas dominierten Fraktionierung und Assimilation in der oberen Kruste erklären die Entstehung der Adakit-ähnlichen Magmen. Der Differenzierungsprozess der Magmen mit normalen Suduktionszonensignaturen hingegen erfolgte ausschliesslich in der Oberkruste aus demselben Magma. Diese Gesteine weisen keine wirtschaftlich interessante Vererzung auf. Nur einige west bulgarische Proben zeigen eine Adakit-ähnliche Signatur was auch die nur vereinzelten Vorkommen von hydrothermalen Kupfer-Lagerstätten erklären könnte (Kapitel 2). In dem letzten und dritten Kapitel vervollständigen weitere hoch präzise U-Pb ID- TIMS und einige wenige LA-ICP-MS Altersdaten an Zirkonen aus Timok und Ridanj- Krepoljin die geochronologischen Daten aus dem ersten Kapitel. Aus einer porphyrischen Kupfer-Lagerstätte (Majdanpek) wurden Zirkone von mehreren Proben mit der hoch präzisen ID-TIMS Methode untersucht um die Lebensdauer dieses magmatischen Systems und die damit verbundene Vererzung zu untersuchen. Drei individuelle Magmenpulse konnten unterschieden werden. Die ersten zwei Pulse sind vererzt und intrudierten mit einer Unterbrechung von 70.000 Jahren aus einer ein und derselben langlebigen Magmenkammer, wie kontinuierliche Zirkonkristallisation über 2.2 Millionen Jahre zeigt. Die maximale Dauer der Platznahme der porphyrischen Gesteine und der Beginn der Vererzung wird von den jüngsten Altern von 83.24±0.10 und 83.30±0.10 Ma angezeigt. Die maximale Dauer der Vererzung, 80.00 Jahre, wird von einem Gang festgelegt, der nach der Vererzung entstanden ist. Hinweise auf die Assimilierung von Grundgebirge wie in den Isotopen angedeutet, finden sich auch in ererbten Zirkonen, welche ein paläozoisches (120 Ma) bis proterozoisches (bis zu iii
Zusammenfassung 2 Ga)Alter zeigen. Jurassische (175.3±8.6 Ma) und oligozäne (31.67±0.13 Ma)Alter geben einen Einblick in die längerfristige magmatische und geodynamische Entwicklung in Ost- Serbien. Am Ende werden die vorherigen veröffentlichten Geochronologie- und Isotopen- Daten (Sr und Hf) sowie Daten aus West-Bulgarien und Ost-Serbien zusammengefasst um ein grossräumiges geodynamisches Model für den bulgarischen und serbischen Teil des ABTS- Gürtels zu erstellen. In dem vorgeschlagenen Model beginnt der Magmatismus (92 bis 82 Ma) im ABTS-Gürtel unter schwachen aber extensiven Bedingungen. Fortschreitender Magmatismus zusammen mit dem slab rollback führt zu stärkerer Extension. Die letzte, kompressive Phase des Vulkanismus ist vor allem in der Ridanj-Krepoljin-Zone (75 bis 71 Ma)zu finden und ist beeinflusst von der beginnenden Kollision mit dem adriatischen Mikrokontinent. iv