The petrogenesis of the older (> 3.0 Ga) potassic granitoids of eastern Mpumalanga (South Africa) and Swaziland : an investigation of crustal formation processes in the early Earth
Date
2012-03
Authors
Sanchez-Garrido, Cynthia J. M. G.
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Earth’s oldest preserved granitoid crust dates back to the Paleoarchean and consists predominantly
of sodic tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) granitoids that arose through the partial melting of
hydrated metabasalts. In contrast, granites (sensu stricto) typically postdate the TTG and appear late
in the plutonic record of the old cratons.
However, the existence of Hadean zircons with mineral inclusion suites that are consistent with
crystallization from peraluminous granitic magmas indicates that granitic rocks formed part of the
earliest felsic crust; although we have direct evidence, this earliest felsic crust is not preserved.
In this PhD I present an unusual variety of markedly CaO-poor, K2O-rich, rutile-bearing, peraluminous
granite and rhyolite that are located in the basal conglomerate of the Moodies Group (South Africa).
These rocks challenge the common view of the Archean craton evolution as they were produced
concurrently with TTG magmas during three magmatic cycles in the Barberton Greenstone Belt
(BGB) and were later emplaced, as clasts, in a younger conglomerate.
The study of mineral inclusions located in the zircons present within the granites and rhyolites, shows
that alkali feldspar inclusions are abundant relative to plagioclase inclusions and demonstrates that
the main characteristics of these granites, i.e. they are K-rich and Ca-poor, are a magmatic signature.
The oxygen isotope signature of these zircon grains reveals that the zircons have preserved the δ18O
value of the magma from which the granites originated and that the source of the granites had a
magmatic oxygen isotope value close to the one of the regional coeval TTG. Further study of the
zircons shows that their Lu-Hf isotopic system reflects the crustal signature of the magma into which
they grew. Sm-Nd study of the granites and rhyolites whole rock indicates that the minimum age of
the source’s protolith of the granites and rhyolites is close to 3.9 billion years, which is in agreement
with the zircons’ Lu-Hf signature. Additionally I show in this thesis that the peraluminous character
of the granites and rhyolites, along with their high Sr and low Ca content associated to their Eu/
Eu* ~ 1 is a consequence of phengite melting in a metagreywacke source at pressures in excess of
plagioclase stability.
My work therefore illustrates that K-rich, Ca-poor peraluminous granites were generated in the
Paleo and Meso Archean, alongside with the sodic TTG, through partial melting of sediments at high
pressures. Not only has this process demonstrated the ability of the early Earth to recycle relatively
young material since 3.9 billions years ago, but it has also contributed to each episode of continental
crustal growth through the Paleoarchean to Mesoarchean in the BGB, despite leaving no plutonic
record at the typical mid-crustal level of exposure that the TTG plutons around the belt represent.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die aarde se oudste bewaarde granitoïed kors dateer terug na die Paleo Argeïkum en bestaan hoofsaaklik uit natrium-ryke tonaliet-trondhjemiet-granodioriet (TTG) granitoïede wat ontstaan het deur die gedeeltelike smelting van gehidreerde metabasalte. In teenstelling hiermee is graniete (sensu stricto) tipies jonger as die TTG’s en verskyn laat in die plutoniese rekord van die ou kratons. Die bestaan van Hadeaanse zirkone met mineraal insluitsels wat ooreenstem met die kristallisasie van peralumineuse granietiese magma dui egter daarop dat granietiese gesteentes deel gevorm het van die vroegste felsiese kors. Alhoewel daar direkte getuienis is hiervoor het hierdie vroegste felsiese kors nie behoue gebly nie. In hierdie dissertasie toon ek ‘n ongewone verskeidenheid van merkbaar CaO-arm, K2O-ryk, rutiel-draende, peralumineuse graniet en rioliet wat in die basale konglomeraat van die Moodies Groep (Suid-Afrika) voorkom. Hierdie gesteentes daag die algemene siening van Argeïkum kraton evolusie uit omdat hulle gelyktydig met TTG magma geproduseer is tydens drie TTG magmatiese siklusse in die Baberton-groensteenstrook en later ingeplaas is as klaste in ‘n jonger konglomeraat. Die studie op minerale insluitsels in zirkone binne die graniete en rioliete toon dat alkaliveldspaat insluitsels volop is relatief tot plagioklaas insluitsels. Dit toon ook dat die hoof eienskap van hierdie graniete, hulle K-ryke en Ca-arme samestelling, ‘n onderskeidende magmatiese kenmerk is. Die suurstof-isotoop samestelling van hierdie zirkoon minerale onthul dat die zirkone die δ18O waarde van die magma waaruit die graniet gevorm is behou het en dat die bronnemateriaal van die graniete ‘n magmatiese suurstofisotoop waarde gehad het nader aan dié van die plaaslike sinchroniese TTG waardes. Verdere studie van die zirkone dui daarop dat hul Lu-HF isotoopstelsel die aardkorseienskappe weerspieël van die oorspronklike magma waarin hulle gegroei het. Sm-Nd studie van die graniete en rioliete heelgesteente dui daarop dat die minimum ouderdom van die protoliet van graniete en rioliete ongeveer 3,9 biljoen jaar is, wat ooreenstem met die zirkone se Lu-HF eienskappe. Daarbenewens het hierdie dissertasie bewys dat die peralumineuse karakter van die graniete en rioliete, tesame met hulle hoë Sr- en lae Ca-inhoud geassosieer tot hul Eu/Eu * ~ 1, ‘n gevolg is van “phengite” smelting in’ n metagrouwak bron by drukking hoër as plagioklaas stabiliteit. Hierdie studie illustreer dus dat K-ryke, Ca-arme peralumineuse graniete gegenereer is in die Paleo en Meso Argeïkum, saam met die natrium-ryke TTG’s, deur middel van parsiële smelting van sedimente teen ‘n hoë druk. Hierdie proses het nie slegs getoon dat die vroeë aarde sedert 3,9 biljoen jaar gelede die vermoë gehad het om relatief jong materiaal te herwin nie; dit het ook bygedra tot elke episode van kontinentale korsgroei deur die Paleo en Meso Argeïkum in die Barberton groensteenstrook, ten spyte daarvan dat geen plutoniese rekord gelaat is teen die tipiese mid-kors vlak van blootstelling wat die TTG plutone in die strook verteenwoordig nie.
RESUMÉ: La croûte de granitoïdes de la Terre Primitive la plus ancienne qui ait été préservée remonte au Paleoarchéen et se compose principalement de granitoïdes sodiques tonalite-trondhjémite-granodiorite (TTG) qui se sont formés par la fusion partielle de métabasaltes hydratés. En revanche, les granites (stricto sensu) sont en général postérieurs aux TTG et apparaissent tardivement dans les cratons anciens. Cependant, l’existence de zircons Hadéens préservant des suites d’inclusions minérales qui sont compatibles avec la cristallisation à partir d’un magma granitique peralumineu, indique que les roches granitiques faisaient aussi partie de la croûte felsique de la Terre Primitibe; même si nous n’avons pas de preuves directes et que cette dernière n’ait pas été conservée. Dans cette thèse, je présente une variété inhabituelle de granites et rhyolites peralumineux qui sont marquée par une forte teneur en K2O et une faible teneur en CaO et qui possèdent du rutile. Ces roches sont situées dans le conglomérat basal du Groupe du Moodies (Afrique du Sud). Elles défient la vision commune que l’on a de l’évolution des cratons Archéens puisqu’elles ont été produites en même temps que des magmas TTG, pendant trois cycles magmatiques qui ont affecté la ceinture de roches vertes de Barberton (CRVB). Ces roches ont été par la suite mises en place, comme galets, dans un conglomérat plus jeune. L’étude des inclusions minérales localisées dans des zircons présents dans les granites et les rhyolites qui font le sujet de cette étude, montre que les inclusions de feldspaths alcalins sont plus abondantes que les inclusions de plagioclases et démontre que les principales caractéristiques de ces granites, c’est à dire qu’ils sont riches en K et pauvres en Ca, sont une signature magmatique. La signature isotopique de l’oxygène de ces zircons révèle que ceux-ci ont conservé la valeurdu δ18O du magma à partir duquel les granites se sont formés. De plus ceci montre que la valeur du δ18O de la source des granites était proche de celle de TTG contemporains. La poursuite de l’étude des zircons montre que leur système isotopique Lu-Hf reflète la signature crustale du magma dans lequel ils ont cru. L’étude Sm-Nd des granites et rhyolites indique que l’âge minimum du protolithe de leur source est de près de 3,9 milliards d’années, ce qui est en accord avec la signature Lu-Hf des zircons. De plus, je montre dans cette thèse que le caractère peralumineux des granites et des rhyolites, avec leurs forte teneur an Sr et basse teneur en Ca associé à leur Eu / Eu * ~ 1, est une conséquence de la fusion partielle de phengite dans une source métagrauwacke à des pressions supérieures a celle de la stabilité du plagioclase. Mon travail montre donc que des granites peralumineux riche en K et pauvre en Ca ont été générés durant le Paléo et Méso-Archéen, aux côtés des TTG sodiques, par la fusion partielle de sédiments, à haute pression. Non seulement ce processus a démontré la capacité de la Terre Primitive à recycler du matériel relativement jeune et ce, dès 3,9 milliards d’années; mais il a également contribué à chaque épisode de croissance crustale à travers le Paleo- et Méso-Archéen dans la CRVB, malgré l’absence de pluton mis en place profondeur à des profondeurs identiques à celles des TTG.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die aarde se oudste bewaarde granitoïed kors dateer terug na die Paleo Argeïkum en bestaan hoofsaaklik uit natrium-ryke tonaliet-trondhjemiet-granodioriet (TTG) granitoïede wat ontstaan het deur die gedeeltelike smelting van gehidreerde metabasalte. In teenstelling hiermee is graniete (sensu stricto) tipies jonger as die TTG’s en verskyn laat in die plutoniese rekord van die ou kratons. Die bestaan van Hadeaanse zirkone met mineraal insluitsels wat ooreenstem met die kristallisasie van peralumineuse granietiese magma dui egter daarop dat granietiese gesteentes deel gevorm het van die vroegste felsiese kors. Alhoewel daar direkte getuienis is hiervoor het hierdie vroegste felsiese kors nie behoue gebly nie. In hierdie dissertasie toon ek ‘n ongewone verskeidenheid van merkbaar CaO-arm, K2O-ryk, rutiel-draende, peralumineuse graniet en rioliet wat in die basale konglomeraat van die Moodies Groep (Suid-Afrika) voorkom. Hierdie gesteentes daag die algemene siening van Argeïkum kraton evolusie uit omdat hulle gelyktydig met TTG magma geproduseer is tydens drie TTG magmatiese siklusse in die Baberton-groensteenstrook en later ingeplaas is as klaste in ‘n jonger konglomeraat. Die studie op minerale insluitsels in zirkone binne die graniete en rioliete toon dat alkaliveldspaat insluitsels volop is relatief tot plagioklaas insluitsels. Dit toon ook dat die hoof eienskap van hierdie graniete, hulle K-ryke en Ca-arme samestelling, ‘n onderskeidende magmatiese kenmerk is. Die suurstof-isotoop samestelling van hierdie zirkoon minerale onthul dat die zirkone die δ18O waarde van die magma waaruit die graniet gevorm is behou het en dat die bronnemateriaal van die graniete ‘n magmatiese suurstofisotoop waarde gehad het nader aan dié van die plaaslike sinchroniese TTG waardes. Verdere studie van die zirkone dui daarop dat hul Lu-HF isotoopstelsel die aardkorseienskappe weerspieël van die oorspronklike magma waarin hulle gegroei het. Sm-Nd studie van die graniete en rioliete heelgesteente dui daarop dat die minimum ouderdom van die protoliet van graniete en rioliete ongeveer 3,9 biljoen jaar is, wat ooreenstem met die zirkone se Lu-HF eienskappe. Daarbenewens het hierdie dissertasie bewys dat die peralumineuse karakter van die graniete en rioliete, tesame met hulle hoë Sr- en lae Ca-inhoud geassosieer tot hul Eu/Eu * ~ 1, ‘n gevolg is van “phengite” smelting in’ n metagrouwak bron by drukking hoër as plagioklaas stabiliteit. Hierdie studie illustreer dus dat K-ryke, Ca-arme peralumineuse graniete gegenereer is in die Paleo en Meso Argeïkum, saam met die natrium-ryke TTG’s, deur middel van parsiële smelting van sedimente teen ‘n hoë druk. Hierdie proses het nie slegs getoon dat die vroeë aarde sedert 3,9 biljoen jaar gelede die vermoë gehad het om relatief jong materiaal te herwin nie; dit het ook bygedra tot elke episode van kontinentale korsgroei deur die Paleo en Meso Argeïkum in die Barberton groensteenstrook, ten spyte daarvan dat geen plutoniese rekord gelaat is teen die tipiese mid-kors vlak van blootstelling wat die TTG plutone in die strook verteenwoordig nie.
RESUMÉ: La croûte de granitoïdes de la Terre Primitive la plus ancienne qui ait été préservée remonte au Paleoarchéen et se compose principalement de granitoïdes sodiques tonalite-trondhjémite-granodiorite (TTG) qui se sont formés par la fusion partielle de métabasaltes hydratés. En revanche, les granites (stricto sensu) sont en général postérieurs aux TTG et apparaissent tardivement dans les cratons anciens. Cependant, l’existence de zircons Hadéens préservant des suites d’inclusions minérales qui sont compatibles avec la cristallisation à partir d’un magma granitique peralumineu, indique que les roches granitiques faisaient aussi partie de la croûte felsique de la Terre Primitibe; même si nous n’avons pas de preuves directes et que cette dernière n’ait pas été conservée. Dans cette thèse, je présente une variété inhabituelle de granites et rhyolites peralumineux qui sont marquée par une forte teneur en K2O et une faible teneur en CaO et qui possèdent du rutile. Ces roches sont situées dans le conglomérat basal du Groupe du Moodies (Afrique du Sud). Elles défient la vision commune que l’on a de l’évolution des cratons Archéens puisqu’elles ont été produites en même temps que des magmas TTG, pendant trois cycles magmatiques qui ont affecté la ceinture de roches vertes de Barberton (CRVB). Ces roches ont été par la suite mises en place, comme galets, dans un conglomérat plus jeune. L’étude des inclusions minérales localisées dans des zircons présents dans les granites et les rhyolites qui font le sujet de cette étude, montre que les inclusions de feldspaths alcalins sont plus abondantes que les inclusions de plagioclases et démontre que les principales caractéristiques de ces granites, c’est à dire qu’ils sont riches en K et pauvres en Ca, sont une signature magmatique. La signature isotopique de l’oxygène de ces zircons révèle que ceux-ci ont conservé la valeurdu δ18O du magma à partir duquel les granites se sont formés. De plus ceci montre que la valeur du δ18O de la source des granites était proche de celle de TTG contemporains. La poursuite de l’étude des zircons montre que leur système isotopique Lu-Hf reflète la signature crustale du magma dans lequel ils ont cru. L’étude Sm-Nd des granites et rhyolites indique que l’âge minimum du protolithe de leur source est de près de 3,9 milliards d’années, ce qui est en accord avec la signature Lu-Hf des zircons. De plus, je montre dans cette thèse que le caractère peralumineux des granites et des rhyolites, avec leurs forte teneur an Sr et basse teneur en Ca associé à leur Eu / Eu * ~ 1, est une conséquence de la fusion partielle de phengite dans une source métagrauwacke à des pressions supérieures a celle de la stabilité du plagioclase. Mon travail montre donc que des granites peralumineux riche en K et pauvre en Ca ont été générés durant le Paléo et Méso-Archéen, aux côtés des TTG sodiques, par la fusion partielle de sédiments, à haute pression. Non seulement ce processus a démontré la capacité de la Terre Primitive à recycler du matériel relativement jeune et ce, dès 3,9 milliards d’années; mais il a également contribué à chaque épisode de croissance crustale à travers le Paleo- et Méso-Archéen dans la CRVB, malgré l’absence de pluton mis en place profondeur à des profondeurs identiques à celles des TTG.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2012.
Keywords
Paleoarchean granites -- South Africa -- Mpumalanga, Paleoarchean granites -- Swaziland, Lu-Hf, Sm-Nd, Dissertations -- Earth sciences, Theses -- Earth sciences