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Fossil Palaeoweathering Profiles and their Relation to Deformation at Basement-Cover-Interfaces : Case studies from Israel, Sweden and Spain

Angerer, Thomas

German Title: Fossile Paläoverwitterungsprofile und ihre Rolle bei Deformationen an Grundgebirgs-Deckgebirgs-Grenzen : Fallstudien aus Israel, Schweden und Spanien

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Abstract

Detachment horizons are associated with basement-cover-interfaces in many regions of compressive or extensional regimes. The fabric evolution and alteration of ancient fossil palaeoweathering profiles and their relation to deformation at basement-cover-interfaces are the object of this thesis. Three cases of palaeoweathered granite and one case of folded sedimentary basement rocks are investigated by means of structural, mineralogical, whole-rock geochemical and magnetic susceptibility analyses. In the case study Negev, South Israel, the deformed Roded Granite (Pan-African basement) weathered under warm and humid to (semi-) arid conditions to a saprock-saprolite-laterite sequence, buried beneath Cambrian red beds. The laterite was compacted beneath 2.8 ± 0.1 km overburden to 73% of its original thickness (plane strain). In the case studies Långviken and Hara, Central Swedish Caledonian margin, the deformed Revsund Granite (Fennoscandian basement) weathered in a temperate to cold climate to weathering-breccias, which were buried beneath sequences of Vendian conglomerates and Cambrian black shales, respectively. Caledonian detachment tectonics overprinted and duplicated the autochthonous weathering-breccia in basement slices under anchizonal cataclasis. In the case study Narcea Antiform, Cantabrian Mountains in North Spain, sedimentary basement rocks, folded during the Cadomian orogeny, weathered moderately without significant textural changes in an arid climate and were buried beneath Cambrian siliciclastics. The Variscan Orogeny overprinted the rocks under regional anchimetamorphic conditions. It reactivated the angular unconformity, locally under higher metamorphic conditions causing ductile quartz deformation. The intensity of weathering features, which are preserved in all cases, is a function of proximity to the unconformity. Hydrolysis of Na-feldspar and chlorite is the predominant chemical weathering process, leading to clay precipitation, whole-rock Al-enrichment and Na-, Ca-leaching. SiO2-dissolution and partly reprecipitation is locally observed, as well as magnetite dissolution (Långviken, Negev), martitization of magnetite (Negev) and microcrystalline haematite precipitation (Negev and Narcea Antiform). The bulk susceptibility (kappa_bulk) can be used as a tracer of weathering intensity. However, the alteration of magnetic carriers has to be known. The particular weathering of ferrimagnetic lithologies led to a decrease of kappa_bulk, whereas weathering of paramagnetic lithologies caused a kappa_bulk-increase. kappa_bulk was overprinted in particular horizons, e.g. by the passive enrichment of Fe-phases during compaction of the Negev laterite and by ferrimagnetic pyrrhotite precipitation in Långviken cataclasite. The magnetic field dependence of pyrrhotite-bearing rocks is dependent on pyrrhotite grain size, but also on its modal fraction. A corrected field dependence parameter is calculated, in order to eliminate the influence of the matrix susceptibility. The obliteration of primary petrofabrics by palaeoweathering mainly depends on the intensity of physical brecciation and not necessarily on the intensity of chemical alteration. Fabrics have been lost in the Swedish cases due to weathering-brecciation and associated grain size reduction. Granitic foliations are preserved in the absence of grain size reduction (Narcea Antiform) and even in a laterite, where extreme hydrolysis and dissolution processes took place (Negev). Unconformity-parallel compaction fabrics developed by pressure solution and rotation of phyllosilicates in clay-rich weathering-zones during the diagenetic stage. Intensity of compaction depends on the burial depth, the weathering mineralogy (clay-richness) and the porosity. A general positive covariance between the intensities of palaeoweathering and horizontal fabric is suggested, which is reflected by a stronger horizontal fabric imprint with proximity to the unconformity. AMS fabrics are results of the superposition of the compaction fabric with primary (older than compaction) or secondary (younger than compaction) fabrics. The gradual change of compaction fabrics is quantified in the AMS by a systematic decrease of the magnetic anisotropy P’. Flat-lying magnetic lineations, associated with unconformity-parallel fabrics, appear to be a common feature in fossil palaeoweathering profiles, which were subject to at least moderate textural rearrangement. Primary and secondary contrasts of lithologies above and beneath the unconformity developed during the evolution of the basement-cover-interfaces. Primary refers to the lithological differences (palaeoweathering, sedimentary lithology) and the unconformity topography, whereas secondary refers to texture-modification and mineral alterations related to diagenesis and later processes (e.g. by compaction, fluid flow). Collectively, most of the contrasts lowered the shear strength of the palaeoweathering zones and created a permeability-anisotropy along the unconformity. Overpressured fluids beneath the “sealed” unconformities and increased horizontal shear stresses enabled (approximately unconformity-parallel) rock failure in the palaeoweathering zone (Sweden) or frictional sliding along the unconformity (Narcea A.). Showing common characteristics of textural evolution, fluid-rock-interaction and associated shear-strength weakening, this thesis demonstrates the importance of fossil palaeoweathering zones for upper crustal detachment tectonics, as well as for the characteristics of fluid-flow in the basement and related element mobilization and potential ore formation.

Translation of abstract (German)

In Regionen kompressiver und extensionaler Regimes sind Abscherhorizonte häufig an Grundgebirgs-Deckgebirgs-Grenzen lokalisiert. Objekt der Studie sind die Gefügeentwicklung und Alterationen fossiler Paläoverwitterungszonen sowie deren Zusammenhang mit Deformationen an Grundgebirgs-Deckgebirgs-Grenzen. Drei Fälle von paläoverwittertem Granit und ein Fall von verfaltetem sedimentärem Grundgebirge wurden anhand gefügekundlicher, mineralogischer, geochemischer und magnetischer Suszeptibilitäts-Messungen untersucht. Im Negev Fall, Israel, verwitterte der deformierte panafrikanische Roded Granit unter warm-humid bis (semi-) ariden Bedingungen zu einer Saprock-Saprolit-Laterit Abfolge und wurde von kambrischen Rotsedimenten überdeckt. Dabei wurde der Laterit unter 2.8 ± 0.1 km Überdeckung auf 73% des Orginalmächtigkeit kompaktiert („plane strain“). In den Fällen Hara und Långviken vom mittelschwedischen Rand der Kaledoniden, verwitterte der deformierte fennoskandische Revsund Granit in temperiertem bis kühlem Klima und wurde von einer Abfolge von vendischen Konglomeraten und kambrischen Schwarzschiefern überdeckt. Teile der Verwitterungsbrekzie wurden im Zuge der Kaledonischen Überschiebungstektonik dupliziert und anchizonal kataklastisch überprägt. Im Fall Narcea Antiform, im Kantabrischem Gebirge Nordspaniens, verwitterte Cadomisch-verfaltetes sedimentäres Grundgebirge schwach in aridem Klima ohne Texturüberprägung und wurde von kambrischen klastischen Sedimenten überlagert. Die Variszische Orogenese führte zu regionaler anchizonaler Gesteinsüberprägung und Reaktivierung der Diskordanz, mit lokal erhöhten Temperaturen, die duktile Quarzdeformation hervorriefen. Verwitterungsmerkmale sind in allen Fällen erhalten und zeigen eine generelle Abnahme der Intensität mit zunehmender Entfernung zur Diskordanz. Die wichtigsten chemischen Verwitterungsreaktionen sind die Umwandlungen von Na-Feldspat und Chlorit, welche zur Anreicherung von Tonmineralen und Al sowie einer Abreicherung von Na und Ca führt. Untergeordnete Reaktionen sind SiO2-Lösung und dessen lokale Wiederanreicherung sowie magnetomineralogisch interessante Magnetitlösung (Långviken, Negev), Martitisierung von Magnetit (Negev) sowie Anreicherung von mikrokristallinem Hämatiten (Negev and Narcea Antiform). Prinzipiell ist die magnetische Suszeptibilität ein Tracer des Verwitterungsgrades, jedoch nur unter Kenntnis der magnetischen Phase zu interpretieren. So führte die Verwitterung paramagnetischer Lithologien zur Erhöhung der kappa_bulk, während die Verwitterung von ferrimagnetischen Gesteinen eine Senkung zur Folge hatte. Zudem ist kappa_bulk durch Überprägung einzelner Horizonte angestiegen (Laterit-Kompaktion in Negev, Pyrrhotin-Anreicherung im Långviken-Kataklasit). Die magnetische Feldabhängigkeit von Pyrrhotin-führenden Gesteinen ist abhängig von der Korngröße Pyrrhotins aber auch von dessem Modalbestand. Ein korrigierter Feldabhängigkeits-Parameter wurde berechnet, um den Einfluss der paramagnetischen Matrix zu eleminieren. Die Zerstörung primärer Gefüge im Grundgebirgsgestein durch die Verwitterung ist von der Intensität der physikalischen Verwitterung abhängig, nicht aber unbedingt von der chemischen. So sind durch die intensive Kornzerkleinerung in den schwedischen Verwitterung-Brekzien primäre Texturen weitestgehend nicht mehr vorhanden. Andererseits, wenn Kornzerkleinerung keine große Rolle spielte (Narcea Antiform), können Primärtexturen bis in die Zone extremer chemischer Verwitterung erhalten sein (Negev-Laterit). Während der diagenetischen Überprägung sind in den tonreichen Verwitterungszonen durch Drucklösung und Mineraleinregelung Diskordanz-parallele Kompaktionsgefüge entstanden. Die Ausprägung dieser Gefüge ist abhängig von der Versenkungstiefe, der Verwitterungsmineralogie (Tonreichtum) und der Porosität. Eine generelle Kovarianz zwischen den Intensitäten von Paläoverwitterung und Kompaktionsgefüge ist anzunehmen. Sie führt zu ausgeprägteren horizontalen Gefügen nahe der Diskordanz. AMS-Gefüge resultieren aus der Überlagerung des Kompaktionsgefüges mit einer primären (älter als Kompaktion) oder sekundären (jünger) Gesteinsfoliation. Mit der AMS ist die graduelle Entwicklung der Kompaktionsgefüge durch systematische Anisotropiesenkung (P’) quantifizierbar. Die Entwickung Diskordanz-paralleler magnetischer Lineationen ist in Paläoverwitterungszonen, die mindestens eine moderate Texturänderung aufweisen, ein allgemeines Merkmal. Während der Genese der Grundgebirgs-Deckgebirgs-Grenzen entstanden primäre und sekundäre Kontraste zwischen den Gesteinen oberhalb und unterhalb der Diskordanz. Primäre Kontraste sind anhand der Lithologien (Sedimente, Verwitterungsmaterial) und der Diskordanz-Topographie definiert. Die sekundären Kontraste ergeben sich durch Texturänderungen und Alterationen (z.B. Kompaktion, Fluidfluss). Die meisten primären und sekundären Kontraste führten zu einer Verringerung der Scherfestigkeit und zu einer Permeabilitäts-Anisotropie entlang der Diskordanz. Ein gespannter Fluidfluss (Überdruck) unterhalb der „versiegelten“ Diskordanz und erhöhte horizontale Scherspannung führten zu Gesteinsversagen in der Verwitterungszone (Hara, Långviken) oder zur Abscherung der Diskordanz (Narcea Antiform). Die texturelle Entwicklung, Fluid-Gesteins-Wechselwirkung und assoziierte Verringerung der Scherfestigkeit zeigt, wie wichtig fossile Paläoverwitterungprofile der oberen Kruste sind bezüglich der Lokalisierung von Abscherungen sowie des Fluidfluss und daran gebundene Elementmobilisierung und Vererzungen im Grundgebirge.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Prof. Dr. Greiling, Reihard
Date of thesis defense: 25. May 2007
Date Deposited: 03. Jul 2007 08:52
Date: 2007
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Uncontrolled Keywords: Granit , Verwitterung , panafrikanisch , Kaledoniden , Kantabrische ZoneAMS , Pan African , Caledonides , Narcea Antiform , Cantabrian Zone
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