Diss. ETHNo. 10392 U-Pb Geochronology of the Upper Proterozoic Lower Paleozoic Geodynamic Eyolution in the Ossa-Morena Zone (SW Iberia): Constraints on the Timing of the Cadomian Orogeny - A dissertation submitted to the Swiss Federal Institute of Technology Zurich for the degree of Doctor of Natural Sciences presented by Alexander Ochsner Dipl. Natw. ETH, Petrograph born March 1,1964 citizen of Switzerland accepted on the recommendation Prof. Dr. D. Gebauer, examiner Prof. Dr. M. 1993 Grtinenfelder, of co-examiner 1 Abstract The Ossa-Morena Zone is situated at the southwestern Hercynides occurrence and the and constitutes of a a prominent part diverse tectonomagmatically absence of predominant Ossa-Morena Zone Upper Proterozoic a - key area The present state of of Cadomian based upon margin setting (Andean-type) appears orogenic complex. a data light an likely geotectonic sequence of Cadomian first systematic twelve Upper U-Pb orogenic study new Cadomian cycle Cadomian genic for a first a 150 Ma from ca. representing recognition particular stage in the magmatic of six distinct a Cadomian late-orogenic rift-related stage These - a are: (1) Cadomian a early- an early-oro¬ Cadomian syn-oro¬ late-orogenic calc-alkaline stage a post- the attained high (480-470 Ma). resolution of the Cadomian terranes of the Avalonian complete Cadomian alkaline stage (500 Ma) and (6) The main innovative contribution of this chronologic a of the the time interval of events cover (590-540 Ma, poorly established), (3) Cadomian anorogenic study concerns end-orogenic magmatic activity. Unique Cadomian realm, the resulting precise within sequence of mag¬ matic events allows for the first time detailed conclusions of geodynamic processes tive during on magmatic geodynamic evolution beginning of the Hercynian Wilson cycle. calc-alkaline stage (525-510 Ma), (5) deals with the continuum of events, a anorogenic rift-related stage (-620 Ma, tentative), (2) a study total 95 U-Pb zircon, 620 Ma up to 470 Ma and reflect genic peraluminous stage (530 Ma), (4) Cadomian this defect, the granitoids (in considered are belt. The six identified and the shortcomings rocks in the Ossa-Morena Zone, carried out results enable representative orogenic approximately Wilson processes geochronologic each magmatic remedy to recognition of a well-defined analyses). Although orogenic the events. To Proterozoic and Lower Paleozoic monazite and xenotime episodes, on scenario for the availability of geochronologic results, to now a clear applied isotopic methods, prevent up orogenic active continental however, whose geologic significance is additionally questionable due of the unravelling the of recent interdisci¬ synthesis of these data, to be the most The limited makes the the existence of Cadomian unambiguously suites igneous evolution. geodynamic knowledge, confirms Cadomian belt for - European Iberian Massif. The penetrative tectonometamorphic overprints processes within the Ossa-Morena Zone. In the formation of the of the margin pre-Mesozoic assemblage within the Avalonian Lower Paleozoic plinary investigations, of the the latest Cadomian orogenic and subsequent anorogenic ac¬ stages. This fact 2 important position underlines the ous Avalonian - Cadomian of the Ossa-Morena Zone within the former continu¬ orogenic belt. The Cadomian orogeny in the Ossa-Morena Zone does not sequences of events in active continental collision and associated crustal ous geologic actually the criteria to thickening/uplift terminates evidences that provide orogenic activity. complete a the former caused the transition to - a An Upper stress regime influence of orogenic was processes must Upper a was transform system ap¬ Proterozoic subduction environment and Lower Paleozoic intracontinental Cadomian belt that framework of the to classical continent-continent continuously changing increasing originally Gondwana. The time interval between the Cadomian a the subduction stage. Vari¬ genetically Proterozoic accretion and been part of the formerly located at the northern inception be finally rift-regime. The Cadomian basement of the Ossa-Morena Zone has Avalonian correspond where force for the observed sequences of events and accounted for the driving termination of peared margin settings margin and the end of the Avalonian placed within the subsequent of - geodynamic Lower Paleozoic break up of parts of the Gondwanan continent. The geochronologic multi-grain gle-grain under the or results have method is still SHRIMP assumption (zircon dating on an clearly substantiated excellent dating alternative ion-microprobe techniques. of a proper peralkaline application cated and geologically dating techniques. increasingly to distinct petrogenetic types of rocks dating the conventional U-Pb relevant ages used sin¬ of its limitations and awareness rocks and monazite/xenotime crustally derived, peraluminous rocks), yields exact In that the conventional U-Pb to the bearing comparisons on predominantly multi-grain with the more method sophisti¬ 3 Zusammenfassung Die Ossa-Morena Zone befindet sich Herzyniden sddwestlichsten Rand der und umfasst einen wesentlichen Teil des Massivs. Das Auftreten sowie das onsabfolgen des Avalonisch terozoische bis von Fehlen - Cadomischen Iberischen Cadomischen Intrusi- penetrativen tektonometamorphen von herausragende Stellung innerhalb Orogengiirtels, um neue Erkenntnisse liber die spatpro- frtihpalaozoische geodynamische Entwicklung derzeitige Erkenntnisstand, der Europaischen pra-Mesozoischen tektonomagmatisch verschiedenen, vorwiegende verleiht der Ossa-Morena Zone eine Ueberpragungen Der am auf einer Synthese gefilhrter interdisziplinarer Untersuchungen beruht, weist erhalten. zu Daten klirzlich durch- von eindeutig die Existenz von Cadomischen orogenen Prozessen in der Ossa-Morena Zone nach. Anhand der vorlie- genden men Daten scheint ein aktiver Kontinentalrand der Orogenbildung am ehesten widerzuspiegeln. nologischen folgen von (Anden-Typ) von Resultate erlauben orogenen jedoch Ereignissen. den tektonischen Rah- Die bisher vorhandenen geochro- keinen exakten Nachweis wohldefinierter Ab¬ Dies ist vor allem auf die bisher beschr£nkte Anzahl Isotopendaten zurtickzufllhren, deren Aussagekraft ihrerseits zumindest teilweise aufgrund der angewandten Methodik in Frage sprechenden Altersdaten schen U-Pb Studie an zu stellen ist. Um diesen die Granitoiden neuen an ent- Zone. Insgesamt wurund Analysen an zwdlf spatproterozoischen durchgeflihrt. Obwohl orogene Prozesse als ein Kontinuum ermSglichen Mangel beheben, befasst sich diese Arbeit mit der ersten systemati- magmatischen Gesteinen der Ossa-Morena den 95 U-Pb Zirkon, Monazit und Xenotim friihpalaozoischen zu geochronologischen von Daten sechs Ereignissen betrachtet werden, magmatische Episoden zu un¬ terscheiden, die einzelne Stadien der geodynamischen Entwicklung des Orogens reprSsentieren. Die sechs identifizierten magmatischen Abfolgen Zeitintervall 150 Ma von ca. 620 Ma bis 470 Ma und schliessen einen Cadomischen Wilson Zyklus und den von vollstandigen Zyklus' ungefahr ein. Im einzelnen sind Rift-Stadium (-620 Ma, sches Stadium Beginn des Herzynischen ungenau ein Cadomisch friih-orogenes post-Cadomisches Der losung wichtigste der kalk-alkali- definiert), (3) ein Cadomisch syn-orogenes per- (530 Ma), (4) ein Cadomisch sp&t-orogenes kalk-alkalisches Stad¬ ium (525-510 Ma), (5) ein Cadomisch spat-orogenes alkalisches Stadium (6) ein Wilson unterscheiden: (1) ein frUh-Cadomisches anorogenes provisorisch), (2) (590-540 Ma, aluminoses Stadium zu erstrecken sich (Iber ein neue Endphase anorogenes Rift-Stadium Beitrag (500 Ma) und (480-470 Ma). dieser Studie betrifft die erreichte hohe zeitliche Auf- der Cadomischen magmatischen Aktivitat. Die resultierende ge- 4 naue Abfolge Avalonisch Prozesse der von magmatischen Ereignissen erlaubt ersten Mai innerhalb des zum Cadomischen Bereichs detaillierte RUckschlUsse iiber - Endphase der Cadomischen Orogenese Stadiums. Diese Tatsache unterstreicht die Orogenese anorogenen Rift der Ossa-Morena Zone Cadomischen - geodynamische folgenden wichtige Stellung innerhalb des ehemals kontinuierlichen Avalonisch Die Cadomische und des Orogengiirtels. in der Ossa-Morena Zone ist mit klassischen Ablau- fen in aktiven Kontinentalrandern nicht vergleichbar. Verschiedene geologische Krite- rien schliessen eine Kontinent-Kontinent Kollision mit anschliessender krustaler Ver- dickung nahezu und aus. Hebung Die als Hauptursache vorliegenden cher Wechsel des tektonischen Stress tete Abfolge der orogenen Transform-Systems fur die Beendigung Ereignisse scheint fur die Regimes Beendigung nentales Rift verantwortlich gewesen eigentliche der des Uebergang zu spatproterozoischen in ein des Avalonisch - von muss des Gondwana Kontinents tierung an entsprach gesehen Isotopenanalysen Beginn am U-Pb friihpalaozoischen mit der Zerfall Analyse ergeben, an geologisch Datierungstechniken Me- peralkalischen Gesteinen, relevante Alter, die standhalten. vermehrt und unter der Vor- vorwiegend peraluminosen Gesteinen) ventionelle Methode sehr exakte und hdher aufloserenden an zur ion-microprobe' Moglichkeiten aussetzung einer richtigen Anwendung (Zirkon Datierung Datierung Teilen dass die konventionelle U-Pb Da- Einzelkorn oder der 'SHRIMP thode darstellt. Im Bewusstsein ihrer beschrankten Monazit/Xenotim spatpro¬ von werden. haben deutlich am ndrdlichen und Ende der Avalonisch Mineralfraktionen immer noch eine ausgezeichnete Alternative angewandten intrakonti- ehemals einem Teil genetisch im Zusammenhang terozoischen Akkretion und dem anschliessenden Die friihpalaozoisches Cadomischen Orogengiirtels, der sich urspriinglich Gondwana befand. Der Zeitraum zwischen Cadomischen orogenen Prozesse Subduktions- sein. Das Cadomische Basement der Ossa-Morena Zone Rand Motor fur die beobach- darstellte. Ein zunehmend starkerer Einfluss eines Stadiums und fiir den kontinuierlichen - des Subduktions-Stadiums Daten deuten vielmehr darauf hin, dass ein kontinuierli- liefert die kon¬ Vergleichen mit 5 Resumen La Zona de Ossa-Morena cfnica Europea, donde constituye zoico. La existencia de cadomienses, y un el borde sur-occidental de la Cadena Her- parte prominente del Macizo Iblrico pre-meso- una la ausencia de eventos tectonometamorficos penetra- casos tivos superpuestos, convierten scifrar la evoluci6n en conjuncto tectonomagmaticamente diverso de series igneas muchos en situa se la Zona de Ossa-Morena a geodinamica periodo Proterozoico Superior un cadomiense orogdnico datos, el escenario geotectdnico tipo andino) en el cual tada de resultados onable debido a se en mas probable una serfa sfntesis de datos cufia oroglnica. La disponibilidad errores inherentes al mltodo una isot6pico aplicado, secuencia de eventos oroglnicos en este trabajo sobre la sistemitica del m&odo de dataci6n U-Pb sobre nan estudiado doce se en seis puede considerar que los procesos geocronol6gicos episodios magmaticos diferenciados, representativo de un Cadomiense. Los seis Wilson cadomiense episodios (1) estadio particular episodios completo y un primer cadomiense calco-alcalino alcalino presenta el se rocas magm&ti- un oscila- total de 95 cada uno de los cuales un proceso de se puede considerar geodinamica lapso de de la Cadena de tiempo correspondiente anorogenico relacionado (probablemente en torno a con un aproxi- al ciclo de proceso de 620 Ma), (2) un orogenico temprano (entre 590 and 540 Ma), (3) y (6) serie recono- al inicio del ciclo de Wilson hercmico. Los antedichos tardi-orog6nico (525-510 Ma), (5) tardi-oroglnico (500 Ma), una presentan permiten se de la evoluci6n sinoroglnico per-aluminoso (530 Ma), (4) con un nuevo permitido orog£nicos comprenden que identificados abarcan estadio de edad cadomiense temprana cadomiense limi- cadomienses granitoides cuyas edades madamente 150 Ma, desde hace 620 Ma hasta hace 470 Ma, son: tales circones, monacitas y xenotimas. continua de eventos, los resultados cer ha no ban entre Proterozoico terminal y Paleozoico Inferior realizando para ello Si bien con geocronol6gicos, cuyo significado geol6gico es por otra parte cuesti- los de la Zona de Ossa-Morena. Se analisis de U-Pb re- dudas la existencia de margen continental activo (de un bien definida. Con el fin de remediar esta eventualidad, primer estudio a la Zona de Ossa-Morena. De acuerdo habria formado hasta la fecha el reconocimiento de cas en una investigaciones interdisciplinares, confirma sin lugar proceso clave para de- Avaloniana durante el - Paleozoico Inferior. - El estado actual de los conicimientos, fundamentado sultado de en un area de la Cadena Cadomiense un un un episodio episodio cadomiense episodio cadomiense calcoalcalino episodio anorogenico post-cadomiense rifting (480-470 Ma). un rifting episodio igualmente relacionado 6 La contribuci6n de precisa conjuncto mas novedosa de este alcancado para el cronol6gica episodios magmaticos permite por de terrenos del ambito Cadomiense detalladas sobre los procesos orogdnicos Esto hecho fuera subraya refiere al alto nivel de resoluci6n vez - cadomiense. Esta secuencia y de primera, anoroge'nicos activos durante la parte final que siguieron cadomiense la Zona de Ossa-Morena en clasica secuencia de eventos que - no se continuaci6n. a situaci6n de la Zona de Ossa-Morena importante unica para el manera Avaloniano, establecer conclusiones orog£nico continuo, la Cadena Cadomiense cinturon un orogenia La la se se mostraron que del ciclo cadomiense y durante los estadios vez trabajo magmatismo fini-oroge'nico en que el corresponde los margenes continentales activos ocurren en una Avaloniana. con en la los cuales el estadio de subduccidn suele concluir con la colisidn continente-continente y el engrosamiento/levantamiento cortical que proporcionan evidencias de que, asociados. Existen diversos criterios en fuerzos continuamente cambiante el que paso la finalizaci6n de la actividad a ci6n durante el Proterozoico sistema transcurrente que a ultima instancia, dirigid geol6gicos iggimen un de es- la secuencia de eventos observada y dio orogdnica. Superior fue sino no El ambiente geodynamico de subdue- fue manifestando la influencia creciente de la postre causaria la transici6n al rdgimen de un intra- rifting continental del Paleozoico Inferior. El zocalo cadomiense de la Zona de Ossa-Morena form6 parte cinturdn Cadomiense septentrional - de Gondwana. El intervalo de final del citado proceso de la acreci6n (durante orog£nico (durante el Paleozoico Los resultados aci6n Avaloniano, el cual multigrano se los tiempo comprendido gen&icamente Superior) el en originariamente y de la pasado del en el borde entre el comienzo y el marco geodinamico dispersi6n subsecuente al Inferior) de partes del continente Gondwana. geocronologicos U-Pb convencional crosonda i6nica SHRIMP. Si a localizaba debe asociar el Proterozoico tecnicas de dataci6n, utilizadas cada caci6n se se han es tipos petrogen6ticos todavfa vez con tienen mas permitido comprobar en una que el mdtodo de dat- alternativa excelente frente mayor frecuencia, de monocristal cuenta sus limitaciones y si apropiados (dataci6n se de circones dirige a o su en rocas las mi- apli- peral- de derivaci6n pre- calinas y dataci6n de monacita/xenotima en rocas dominantemente cortical), la tecnica U-Pb multigrano convencional proporciona edades muy exactas y ante las per-aluminosas geoldgicamente significativas comparadas tecnicas de dataci6n mis sofisticadas. con las que se obtienen medi-