Magmatic and metamorphic evolution of the Stolzburg Block, Barberton Granitoid-Greenstone Terrain
Date
2022-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The processes that formed and shaped the first stable continents in the Archean are poorly
constrained for various reasons, including the scarcity of well-preserved, unaltered rock sequences
and the lack of modern equivalents of lithologies that are typical for the Archean. This has led to
the emergence of various geodynamic models that try to explain the unique features of the Archean
crust, but too often rely on assumptions on the thermal state of the crust, in particular of the
felsic crust.
This thesis is an investigation of the igneous and metamorphic history of the Stolzburg Block, an
area comprised of tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) and amphibolite-facies supracrustal
rocks, located in the Barberton Granitoid Greenstone Terrain (BGGT) in South Africa. The thermal
history of a well-preserved piece of felsic Archean crust is studied through a combination of field
work and geochemical, geochronological and petrological analyses on TTG and related rocks, with the
aim of providing robust constraints on the thermal state of the Archean crust to improve geodynamic
models.
Uranium-lead (U-Pb) thermochronology on apatite grains has revealed four distinct groups of
207Pb/206Pb ages that are present throughout the Stolzburg Block. The three oldest groups of U-Pb
apatite ages overlap with the time of emplacement of TTG plutons (~3450 Ma), of regional
metamorphism (~3230-3200 Ma) and of intrusion of granitic plutons (~3105 Ma), while the ~2820 Ma
group indicates a previously undiscovered thermal event. The preservation of the ~3450 Ma apatite
ages indicates that the Stolzburg Block has not been heated above ~400- 500 °C after the
emplacement of TTG plutons – at least not for a prolonged period.
Trace-element and strontium isotope analyses of the dated apatite grains show homogenous
compositions regardless of age and 87Sr/86Sr ratios that are within uncertainty identical to the
initial 87Sr/86Sr ratio of the respective bulk rock, and these features are being interpreted as
primary igneous signatures. This indicates that the different groups of U-Pb apatite ages are not
the result of new growth but rather of partial resetting of the U-Pb systematics through heating.
Zirconium-in-titanite and titanium-in-zircon thermometry gives temperatures of ~700
°C for magmatic titanite and ~650 °C for metamorphic titanite and zircon from TTG samples, which is
in the same range as the reported metamorphic conditions recorded by the associated supracrustal
rocks at ~3230-3200 Ma. While no chronological constraints are available for the temperature
estimates of the TTG rocks, a shared history between TTG plutons and greenstones can be inferred
from the intrusive relationship between the two. The preservation of ~3450 Ma U-Pb signatures in
apatite grains shows that, regardless of the timing of heating to ~650 °C, the heating was very
short-lived (< 1 million years).
This work demonstrates that the felsic Archean crust – at least the section preserved in the BGGT –
was relatively cool and stable, and that any heating of the TTG plutons was short- lived. The
results of this study argue against a prolonged radiogenic heating of TTG crust and a partial
convective overturn of the Archean crust, as proposed by some geodynamic models.
Résumé : Les processus responsables de la formation des premiers continents stables de l'Archéen sont mal connus pour diverses raisons, notamment la rareté des séquences rocheuses bien préservées et le manque d'équivalents modernes des lithologies typiques de l'Archéen. Ceci a conduit à l'émergence de divers modèles géodynamiques qui tentent d'expliquer les caractéristiques de la croûte archéenne, mais qui reposent souvent sur des hypothèses concernant l'état thermique de la croûte, en particulier de la croûte felsique. Cette thèse investigue l'histoire ignée et métamorphique du bloc de Stolzburg, une zone composée de roches supracrustales de faciès tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) et amphibolite, située dans le Barberton Granitoid Greenstone Terrain (BGGT) en Afrique du Sud. L'histoire thermique d'un morceau bien préservé de croûte archéenne felsique est étudiée par une combinaison de travaux de terrain et d'analyses géochimiques, géochronologiques et pétrologiques sur les TTG et les roches adjacentes, dans le but de fournir des contraintes robustes sur l'état thermique de la croûte archéenne pour améliorer les modèles géodynamiques. La thermochronologie à l'uranium-plomb (U-Pb) sur les grains d'apatite a révélé quatre groupes distincts d'âges 207Pb/206Pb qui sont présents dans tout le bloc de Stolzburg. Les trois groupes les plus anciens d'apatite chevauchent avec la mise en place des plutons de TTG (~3450 Ma), du métamorphisme régional (~3230-3200 Ma) et de l'intrusion de plutons granitiques (~3105 Ma), tandis que le groupe ~2820 Ma indique un événement thermique décrit pour la première fois. La préservation des âges d'apatite de ~3450 Ma indique que le bloc de Stolzburg n'a pas atteint une température supérieure à ~400-500 °C après la mise en place des plutons de TTG, du moins pas pendant une période prolongée. Les analyses isotopiques des éléments traces et du strontium des grains d'apatite datés montrent des compositions homogènes indépendamment de l'âge et des rapports 87Sr/86Sr qui sont, dans la limite de l'incertitude, identiques au rapport 87Sr/86Sr initial de la roche totale, et ces caractéristiques sont interprétées comme des signatures ignées primaires. Ceci indique que les différents groupes d'âges U-Pb de l'apatite reflètent une réinitialisation thermique partielle du système U-Pb. La thermométrie du zirconium dans le sphène et du titane dans le zircon donne des températures de ~700 °C pour le sphène magmatique et de ~650 °C pour le sphène et le zircon métamorphiques des échantillons de TTG. Ces températures sont dans la même gamme que les conditions métamorphiques préservées par les roches supracrustales associées à ~3230-3200 Ma. La préservation des signatures U-Pb de ~3450 Ma dans les grains d'apatite montre que, quel que soit le moment de l’anomalie thermique à ~650 °C, celui- ci a été de très courte durée (< 1 million d'années). Ce travail démontre que la croûte archéenne felsique - du moins la section préservée dans le BGGT - était relativement fraîche et stable, et que toutes anomalies thermiques des plutons de TTG étaient de courte durée. Les résultats de cette étude plaident contre un apport thermique radiogénique prolongé de la croûte TTG et un renversement convectif partiel de la croûte archéenne, comme le proposent certains modèles géodynamiques.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die prosesse wat die eerste stabiele kontinente in die Argeaanse tydperk gevorm het, is om verskeie redes swak beperk, insluitend die skaarsheid van goed gepreserveerde, onveranderde rotsreekse en die gebrek aan moderne ekwivalente van kenmerkende litologieë vir die Argeaanse tydperk. Dit het gelei tot die ontstaan van verskeie geodinamiese modelle wat poog om die unieke kenmerke van die Argeaanse kors te verduidelik, maar wat te dikwels staatmaak op aannames oor die termiese toestand van die kors, in die besonder van die felsiese kors. Hierdie tesis is 'n ondersoek na die stollings- en metamorfiese geskiedenis van die Stolzburgblok, 'n gebied wat bestaan uit tonaliet-trondhjemiet-granodioriet (TTG) plutone en amfiboliet-facies suprakrustalgesteentes, geleë in die Barberton Granitoïed Groensteen Terrein (BGGT) in Suid-Afrika. Die termiese geskiedenis van 'n goed bewaarde stuk felsiese Argeaanse kors word bestudeer deur 'n kombinasie van veldwerk en geochemiese, geochronologiese en petrologiese ontledings van TTG en verwante gesteentes, met die doel om robuuste beperkings op die termiese toestand van die Argeaanse kors vas te stel en sodoende geodinamiese modelle te verbeter. Uraan-lood (U-Pb) termochronologie op apatietkorrels het vier afsonderlike groepe van 207Pb/206Pb ouderdomme aan die lig gebring wat regdeur die Stolzburg-blok teenwoordig is. Die drie oudste groepe van U-Pb apatiet ouderdomme oorvleuel met die tyd van indringing van TTG plutone (~3450 Ma), van streeksmetamorfose (~3230-3200 Ma) en die indringing van granitiese plutone (~3105 Ma), terwyl die ~2820 Ma groep op 'n voorheen onontdekte termiese gebeurtenis dui. Die preservering van die ~3450 Ma apatiet ouderdomme dui aan dat die Stolzburg Blok nie bo ~400-500 °C verhit is na die plasing van TTG-plutone nie – ten minste nie vir 'n lang tydperk nie. Spoorelement- en strontiumisotoopontledings van die gedateerde apatietkorrels toon homogene samestellings ongeag ouderdom en 87Sr/86Sr-verhoudings wat binne onsekerheid identies is aan die aanvanklike 87Sr/86Sr-verhouding van die onderskeie heelrots, en hierdie kenmerke word geïnterpreteer as primêre stollingseienskappe. Dit dui daarop dat die verskillende groepe U-Pb apatiet ouderdomme nie die gevolg is van nuwe groei nie, maar liewer die gedeeltelike terugstelling van die U-Pb sistematiek deur verhitting. Sirkonium-in- titaniet en titanium-in-sirkon termometrie gee temperature van ~700 °C vir magmatiese titaniet en ~650 °C vir metamorfiese titaniet en sirkoon van TTG-monsters, wat in dieselfde omvang is as die metamorfiese toestande wat deur die geassosieerde suprakrustale gesteentes by ~3230-3200 Ma geraporteer word. Alhoewel geen chronologiese beperkings beskikbaar is vir die temperatuurskattings van die TTG-gesteentes nie, kan 'n gedeelde geskiedenis tussen TTG-plutone en groenstene afgelei word uit die indringende verhouding tussen die twee. Die preservering van ~3450 Ma U-Pb- eienskappe in apatietkorrels toon dat, ongeag die tyd van verhitting tot ~650 °C, was die verhitting baie kortstondig (< 1 miljoen jaar). Hierdie werk demonstreer dat die felsiese Argeaanse kors – ten minste die gedeelte wat in die BGGT bewaar is – relatief koel en stabiel was, en dat enige verhitting van die TTG- plutone van korte duur was. Die resultate van hierdie studie argumenteer teen 'n langdurige radiogene verhitting van TTG-kors en 'n gedeeltelike konvektiewe omslag van die Argeaanse kors, soos voorgestel word deur sommige geodinamiese modelle.
Résumé : Les processus responsables de la formation des premiers continents stables de l'Archéen sont mal connus pour diverses raisons, notamment la rareté des séquences rocheuses bien préservées et le manque d'équivalents modernes des lithologies typiques de l'Archéen. Ceci a conduit à l'émergence de divers modèles géodynamiques qui tentent d'expliquer les caractéristiques de la croûte archéenne, mais qui reposent souvent sur des hypothèses concernant l'état thermique de la croûte, en particulier de la croûte felsique. Cette thèse investigue l'histoire ignée et métamorphique du bloc de Stolzburg, une zone composée de roches supracrustales de faciès tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) et amphibolite, située dans le Barberton Granitoid Greenstone Terrain (BGGT) en Afrique du Sud. L'histoire thermique d'un morceau bien préservé de croûte archéenne felsique est étudiée par une combinaison de travaux de terrain et d'analyses géochimiques, géochronologiques et pétrologiques sur les TTG et les roches adjacentes, dans le but de fournir des contraintes robustes sur l'état thermique de la croûte archéenne pour améliorer les modèles géodynamiques. La thermochronologie à l'uranium-plomb (U-Pb) sur les grains d'apatite a révélé quatre groupes distincts d'âges 207Pb/206Pb qui sont présents dans tout le bloc de Stolzburg. Les trois groupes les plus anciens d'apatite chevauchent avec la mise en place des plutons de TTG (~3450 Ma), du métamorphisme régional (~3230-3200 Ma) et de l'intrusion de plutons granitiques (~3105 Ma), tandis que le groupe ~2820 Ma indique un événement thermique décrit pour la première fois. La préservation des âges d'apatite de ~3450 Ma indique que le bloc de Stolzburg n'a pas atteint une température supérieure à ~400-500 °C après la mise en place des plutons de TTG, du moins pas pendant une période prolongée. Les analyses isotopiques des éléments traces et du strontium des grains d'apatite datés montrent des compositions homogènes indépendamment de l'âge et des rapports 87Sr/86Sr qui sont, dans la limite de l'incertitude, identiques au rapport 87Sr/86Sr initial de la roche totale, et ces caractéristiques sont interprétées comme des signatures ignées primaires. Ceci indique que les différents groupes d'âges U-Pb de l'apatite reflètent une réinitialisation thermique partielle du système U-Pb. La thermométrie du zirconium dans le sphène et du titane dans le zircon donne des températures de ~700 °C pour le sphène magmatique et de ~650 °C pour le sphène et le zircon métamorphiques des échantillons de TTG. Ces températures sont dans la même gamme que les conditions métamorphiques préservées par les roches supracrustales associées à ~3230-3200 Ma. La préservation des signatures U-Pb de ~3450 Ma dans les grains d'apatite montre que, quel que soit le moment de l’anomalie thermique à ~650 °C, celui- ci a été de très courte durée (< 1 million d'années). Ce travail démontre que la croûte archéenne felsique - du moins la section préservée dans le BGGT - était relativement fraîche et stable, et que toutes anomalies thermiques des plutons de TTG étaient de courte durée. Les résultats de cette étude plaident contre un apport thermique radiogénique prolongé de la croûte TTG et un renversement convectif partiel de la croûte archéenne, comme le proposent certains modèles géodynamiques.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die prosesse wat die eerste stabiele kontinente in die Argeaanse tydperk gevorm het, is om verskeie redes swak beperk, insluitend die skaarsheid van goed gepreserveerde, onveranderde rotsreekse en die gebrek aan moderne ekwivalente van kenmerkende litologieë vir die Argeaanse tydperk. Dit het gelei tot die ontstaan van verskeie geodinamiese modelle wat poog om die unieke kenmerke van die Argeaanse kors te verduidelik, maar wat te dikwels staatmaak op aannames oor die termiese toestand van die kors, in die besonder van die felsiese kors. Hierdie tesis is 'n ondersoek na die stollings- en metamorfiese geskiedenis van die Stolzburgblok, 'n gebied wat bestaan uit tonaliet-trondhjemiet-granodioriet (TTG) plutone en amfiboliet-facies suprakrustalgesteentes, geleë in die Barberton Granitoïed Groensteen Terrein (BGGT) in Suid-Afrika. Die termiese geskiedenis van 'n goed bewaarde stuk felsiese Argeaanse kors word bestudeer deur 'n kombinasie van veldwerk en geochemiese, geochronologiese en petrologiese ontledings van TTG en verwante gesteentes, met die doel om robuuste beperkings op die termiese toestand van die Argeaanse kors vas te stel en sodoende geodinamiese modelle te verbeter. Uraan-lood (U-Pb) termochronologie op apatietkorrels het vier afsonderlike groepe van 207Pb/206Pb ouderdomme aan die lig gebring wat regdeur die Stolzburg-blok teenwoordig is. Die drie oudste groepe van U-Pb apatiet ouderdomme oorvleuel met die tyd van indringing van TTG plutone (~3450 Ma), van streeksmetamorfose (~3230-3200 Ma) en die indringing van granitiese plutone (~3105 Ma), terwyl die ~2820 Ma groep op 'n voorheen onontdekte termiese gebeurtenis dui. Die preservering van die ~3450 Ma apatiet ouderdomme dui aan dat die Stolzburg Blok nie bo ~400-500 °C verhit is na die plasing van TTG-plutone nie – ten minste nie vir 'n lang tydperk nie. Spoorelement- en strontiumisotoopontledings van die gedateerde apatietkorrels toon homogene samestellings ongeag ouderdom en 87Sr/86Sr-verhoudings wat binne onsekerheid identies is aan die aanvanklike 87Sr/86Sr-verhouding van die onderskeie heelrots, en hierdie kenmerke word geïnterpreteer as primêre stollingseienskappe. Dit dui daarop dat die verskillende groepe U-Pb apatiet ouderdomme nie die gevolg is van nuwe groei nie, maar liewer die gedeeltelike terugstelling van die U-Pb sistematiek deur verhitting. Sirkonium-in- titaniet en titanium-in-sirkon termometrie gee temperature van ~700 °C vir magmatiese titaniet en ~650 °C vir metamorfiese titaniet en sirkoon van TTG-monsters, wat in dieselfde omvang is as die metamorfiese toestande wat deur die geassosieerde suprakrustale gesteentes by ~3230-3200 Ma geraporteer word. Alhoewel geen chronologiese beperkings beskikbaar is vir die temperatuurskattings van die TTG-gesteentes nie, kan 'n gedeelde geskiedenis tussen TTG-plutone en groenstene afgelei word uit die indringende verhouding tussen die twee. Die preservering van ~3450 Ma U-Pb- eienskappe in apatietkorrels toon dat, ongeag die tyd van verhitting tot ~650 °C, was die verhitting baie kortstondig (< 1 miljoen jaar). Hierdie werk demonstreer dat die felsiese Argeaanse kors – ten minste die gedeelte wat in die BGGT bewaar is – relatief koel en stabiel was, en dat enige verhitting van die TTG- plutone van korte duur was. Die resultate van hierdie studie argumenteer teen 'n langdurige radiogene verhitting van TTG-kors en 'n gedeeltelike konvektiewe omslag van die Argeaanse kors, soos voorgestel word deur sommige geodinamiese modelle.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Archean crust --, Minerals and rocks -- Evolution, Thermochronology, Geology, Stratigraphic -- Archaean, Tonalite-trondhjemite-granodiorite, Igneous rocks -- Inclusions, Barberton Granitoid Greenstone Terrain -- South Africa -- Stolzburg Block, Metamorphic rocks -- Inclusions, UCTD