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Petrologic and geochemical characteristics of the Krivaja-Konjuh ophiolite complex (NE Bosnia and Herzegovina) - petrogenesis and regional geodynamic implications

Segvic, Branimir

German Title: Petrologische und geochemische Eigenschaften des Krivaja-Konjuh Ophiolith-Komplexes (Nordost Bosnien-Herzegowina) - Petrogenese und regionale geodynamische Auswirkung

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Abstract

Based on its petrological and geochemical characteristics, the Krivaja-Konjuh Ophiolite Complex (KKOC) and the surrounding ophiolitic mélange make an integral part of the Central Dinaridic Ophiolite Belt (CDOB) of the Internal Dinarides. The Jurassic ultramafic and mafic sequences form about 80 % of the KKOC, whereas the rest belongs to the metamorphic sole, which is found concentrating in the northwestern and southern margins. The KKOC ultramafic rocks, comprising lherzolites, pyroxenites, dunites, along with rocks from the metamorphic sole and chromitites were subjected to an extensive analytical investigation, which included EMPA and SEM studies, and XRF and ICP-MS analyses, in order to reveal their mineralogical, geochemical and petrological characteristics. The lherzolitic modal mineralogy consists of olivine, orthopyroxene, clinopyroxene, spinel and occasionally plagioclase. With respect to clear differences in modal mineralogy, as well as in phase and bulk-rock chemistry, one is able to distinguish two main varieties among the KKOC lherzolites. The first one renders spinel lherzolites, whilst the second variety is known as plagioclase lherzolites. Geothermometric estimations yielded the main equilibration range, for both spinel and plagioclase lherzolites, to range from 809 to 1012 °C (T1). The Fe-Mg exchange between olivine and spinel provided a temperature range of 550-682°C (T2), which is found to be indicative for subsolidus reequilibration processes. Using the oceanic and rift-ridge geotherms, the equilibration pressures extending from 1.2 to 2.0 GPa (ca. 40-65 km depth) were inferred for T1 temperatures. Numerous geochemical parametres are pointing to the KKOC lherzolites as fertile solid residues, which, before metamorphism, underwent low to moderate degrees of MOR melting. The mineral chemistry of spinel and the REE normalisation levels (relative to chondrite) yielded an average batch melting degree of ~7.7 % for spinel lherzolites. Part of the eastern segment of the KKOC is reported to deviate from the MOR fertile geochemistry. The occurrence of pargasite, coupled with a Cr-enriched spinel, call for enhanced mantle melting (~ 15 %) in a SSZ-type of setting. Contrary to the amphibole formation in a SSZ mantle wedge, geochemical evidences clarify the growth of plagioclase through sub-solidus equilibration (T2) and melt metasomatism of the lithospheric mantle at a MOR-type setting. It can be concluded that the main part of the KKOC lherzolites presents a segment of mantle column, which experienced relatively fast and continuous adiabatic ascent under the spreading MOR environment. Within the KKOC metamorphic unit, a variety of paragenesis, textures and structures was recognised. Based on the general classification criteria set for metamorphic rocks, the following varieties among KKOC metamorphic rocks were distinguished: (1) granoblastic amphibolite, (2) garnet-diopside amphibolite, (3)garnet-diopside-hypersthene amphibolite, (4) diopside gneiss and (5) plagioclase garnet-diopside gneiss. Major and trace element geochemistry, as well as petrographic data show that 2/3 of metamorphic rocks bear geochemical signatures of mafic to ultramafic gabbroic rocks, whereas the rest corresponds to more evolved basalts of tholeiitic affinity. Geothermobarometric calculations, based on the phase chemistry of different coexisting minerals, yielded ranges of temperature and pressure for the different KKOC petrographic varieties, as follows: (a) ~ 880 °C and 0.90-1.30 GPa for granoblastic amphibolites, (b) 802-1028 °C and 0.94-1.40 GPa for garnet-diopside amphibolites, (c) for garnet-diopside-hypersthene amphibolites the metamorphic conditions are analogue to the previous variety, recording slightly reduced pressure values, (d) 0.84-0.89 GPa for diopside amphibolites, with no temperature data, and (e) 729-890 °C and 1.10-1.60 GPa for splagioclase-garnet-diopside gneisses. Due to the striking similarities of CDOB with ophiolitic complexes in Albania and Greece, the geodynamic evolution of KKOC is bound to the Mesozoic evolution of the Pindos Ocean, a Tethyan back-arc type of ocean. In order to reconcile the features of two contrasting geotectonic settings (MOR and SSZ) displayed by almost all KKOC lithological units, one suggests that a subducted slab must have been placed under the Krivaja-Konjuh mantle domain. The metamorphic sole is also related to such a defined intra-oceanic subduction and underplating of the cold oceanic crust under the hot mantle wedge. During the late Jurassic to early Cretaceous transition period, the subduction trench collided with the Adriatic microplate, and the KKOC among other CDOB ultramafic complexes was thrust southwestwards on the Adriatic carbonate platform. Throughout the emplacement, the eastern KKOC mantle portion was most probably tectonically exhumed along the ancient subduction channels, causing an erosion of the above placed plagioclase-containing lithospheric mantle.

Translation of abstract (German)

Der Krivaja-Konjuh Ophiolith-Komplex (KKOC) und die umgebende Ophiolithische Mélange sind wichtige Bestandteile des Zentral-Dinaridischen Ophiolith-Gürtels (CDOB) der internen Dinariden. Diese jurassischen ultramafischen und mafischen Gesteinssequenzen bilden ca. 80 % des KKOC; der restliche Teil besteht aus Gesteinen der „metamorphic sole“, die vor allem in den nordwestlichen und südlichen Randbereichen des KKOC zu finden sind. Auf Grund des Platznahme-Prozesses ist die peridotitische Hauptmasse des KKOC „dismembered“, d.h. in zahlreiche tektonische Blöcke zerlegt. Die ultramafischen Gesteine des KKOC umfassen Lherzolithe, Pyroxenite und Dunite. Der Modalbestand von Lherzolithen umfasst Olivin, Orthopyroxen, Clinopyroxen, Spinell und manchmal auch Plagioklas. Innerhalb der Lherzolite lassen sich auf Grund des Mineralbestandes, der Mineralchemie und der Gesamtgesteinschemie zwei unterschiedliche Typen unterscheiden: Spinell-Lherzolithe und Plagioklas-Lherzolithe. Geothermometrische Abschätzungen zeigen, dass die Gleichgewichtstemperaturen für beide Lherzolithtypen bei 809 – 1012 °C liegen (T1). Der Fe-Mg-Austausch zwischen Olivin und Spinell liefert deutliche geringere Temperaturen von 550 – 682 °C (T2). Dies ist durch eine Reäquilibrierung im Subsolidus-Bereich bedingt. Unter Zuhilfenahme der ozeanischen Rift-Geotherme ergeben sich für T1 Drücke von 1.2 – 2.0 GPa, was einer Tiefenlage von 40 – 65 km entspricht. Zahlreiche geochemische Parameter belegen einen fertilen Charakter der KKOC-Lherzolithe, die nur einem geringen Aufschmelzgrad unterlagen. Sowohl der Chemismus des Spinells als auch die REE-Gehalte weisen auf einen durchschnittlichen ehemaligen Gleichgewichts-Aufschmelzgrad („batch melting“) von ~ 7.7 % für die Spinell-Lherzolithe hin. Das östliche Segment des KKOC ist allerdings stärker verarmt. Das gleichzeitige Auftreten von pargasitischem Amphibol mit einem Cr-reichen Spinell sprechen für einen stärkeren Aufschmelzgrad (~15 %) in einem Suprasubduktions-Setting SSZ). Im Gegensatz zur Amphibolbildung in einem SSZ-Mantelkeil, wird das Auftreten von Plagioklas durch Subsolidusreaktion und Metasomatose in einem MOR-Setting erklärt. Man kann annehmen, dass die KKOC-Lherzolithe aus einem Segment der Mantelsäule stammen, das unter einem Ozeanrücken relativ schnell adiabatisch aufgestiegen ist. Zwischen den beiden grossen KKOC-Blöcken ist ein langgestrecktes Areal metamorpher Gesteine aufgeschlossen. Insgesamt wurden folgende Gesteinstypen unterschieden: (1) Granoblastische Amphibolite, (2) Granat-Diopsid Amphibolite, (3) Granat-Diopsid-Hypersthen-Amphibolite, (4) Diopsid-Amphibolite und (5)Plagioklas-Granat-Diopsid-Gneise. Geothermobarometrische Berechnungen zeigen, dass diese Gesteine bei unterschiedlichen P-T-Bedingungen entstanden sind: (a) Granoblastische Amphibolite lieferten ~ 880 °C und 0.9-1.3 GPa; (b) Granat-Diopsid-Amphibolite sind bei 802-1028 °C und 0.94-1.40 GPa entstanden; (c) Granat-Diopsid-Hypersthen-Amphibolite weisen nahezu die gleichen Ent-stehungsbedingungen auf wie (b), lediglich die Drücke sind etwas geringer; (d) für die Diopsid-Amphibolite liessen sich nur Druckwerte von 0.84-0.89 GPa, aber keine Temperatur-werte ermitteln; (e) die Plagioklas-Granat-Diopsid-Gneise entstanden bei 729-890 °C und 1.10-1.60 GPa. Auf Grund der auffälligen Gemeinsamkeiten des CDOB mit den Ophiolithkomplexen Albaniens und Griechenlands (nicht Kreta und östliche Bereiche), wird auch der KKOC mit der mesozoischen Entwicklung des Pindos-Ozeans als einem Back-arc Ozean in Verbindung gebracht. Die Bildung des KKOC began in der späten Trias durch die Öffnung des Pindos-Ozeans und dem “Spreading” im Zeitraum später Trias bis früher Jura. In dieser Zeit wurde auch das Drina-Ivanjica-Terrain von der adriatischen Mikroplatte abgespalten. Dieser extensionale Prozess dauerte für ungefähr 30 bis 40 Millionen Jahre an, bis um die Grenze zwischen dem Unteren und Mittleren Jura, als eine intraozeanische nach NE einfallende Subduktionszone entstand und von Einengungsprozessen gefolgt wurde. Es gibt wichtige petrologische und geochemische Hinweise darauf, dass eine solche intra-ozeanische Subduktionszone im Bereich des KKOC dokumentiert ist. So weisen die Gesteine des KKOC darauf hin, dass sie in einem späteren Stadium über einer Subduktionszone gelegen sind. Das Vorkommen von Gesteinen der “metamorphic sole” kann ebenfalls mit einer intraozeanischen Subduktion in Verbindung gebracht werden. Während des späten Jura bis in die frühe Kreide kollidierte der Subduktions-Trench mit der Adriatischen Mikroplatte und der KKOC wurde neben anderen Ophiolithvorkommen des CDOB südwestwärts auf die Adriatische Karbonatplattform über-schoben. Während der Platznahme wurde vor allem der östliche Teil des KKOC (Konjuh-Segment) tektonisch abgetragen. Daher fehlt hier das plagioklas-peridotische Stockwerk des lithosphärischen Mantels, während dieser vor allem im Westen (Krivaja-Segment) anzutreffen ist.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Altherr, Prof. Dr. Rainer
Date of thesis defense: 5 February 2010
Date Deposited: 22 Feb 2010 08:36
Date: 2010
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Uncontrolled Keywords: Dinariden , Krivaja-Konjuh , Ophiolith , Lherzolith , Metamorphite , Geochemie , Intraozeanische Subduktion , MORB , PetrogeneseDinarides , Krivaja-Konjuh , ophiolite , lherzolite , metamorphites , geochemistry , intraoceanic subduction , MORB , petrogenesis
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