Tectonically-controlled emplacement mechanisms in the upper crust under specific stress regimes: case studies

Abstract

Bezogen auf eine tektonisch kontrollierte Platznahme in der Oberkruste, besitzen sedimentäre, metamorphe und magmatische Materialien viele Gemeinsamkeiten; nicht nur, dass diese Strukturen meist an tektonische Vorzeichnungen (z.B. Klüfte, Störungen, Schichtgrenzen) gebunden sind, so zeigen sie auch Übereinstimmungen in ihrer Erscheinungs-, und Intrusionsform, sowie in Bezug auf Platznahmemechanismen, und einer räumlichen Verteilung unabhängig von ihren Materialien (z.B. Salz, Ton, klastisches Material, Magma). Hintergrund der hier vorgestellten Fallbeispiele ist die Bedingung für die Öffnung tektonisch induzierter Brüche in der oberen Erdkruste, deren Ausbreitung, Interaktion und finale Platznahme. Die Ergebnisse tragen zum Verständnis der folgenden Fragestellungen bei: (1) die Rolle bereits existierender tektonischer Vorzeichnungen auf die Platznahmemechanismen in der oberen Kruste; (2) tektonischer Einfluss auf den Magmentransport und die Lokation von eruptiven Zentren; (3) die Interaktion zwischen Magmatismus und Störungen; und (4) Bedingungen für die Platznahme von Gängen. In vier Fallbeispielen wird die tektonisch kontrollierte Platznahme verschiedener Materialien, d.h. klastische Gänge, Extrusiv- und Intrusivkörper, untersucht. Hierbei werden die Ergebnisse auf Geländebeobachtungen, strukturgeologische Daten, Mikro- und Makrogefügenanalysen, sowie auch auf die 2D numerische, und 3D geometrische Modellierung gestützt.Das erste Fallbeispiel in Kapitel 3, beschäftigt sich mit der tektonisch kontrollierten Platznahme des im Kartenbild runden Götemar Plutons in SE Schweden, der an eine propagierende Scherzone gebunden ist. Die Platznahme stimmt mit dem in der Literatur oft beschriebenen Konzept eines sich aufblähenden Lagerganges, der an Heterogenitäten im umgebenden Transmagmatischen Gürtel gebunden ist, überein. Durch episodische Injektionen von kristallarmem, sauren Magma, dass durch einen Fördergang aus einer tiefer liegenden Magmenkammer gespeist wurde, und durch die Vermischung früherer Magmenpulse, wuchs der Pluton nach oben (Dachhebung). Der so entstandene intern geschichtete Magmenkörper besteht aus sich abwechselnden Sequenzen aus fein- und grobkörnigem Granit. Die Grenzen zwischen den individuellen Granitlagen sind meist diffus und verwischt, was auf schnell aufeinander folgende Magmeninjektionen schließen lässt. Um die alternierende Stratigraphie erklären zu können, wird ein Modell vorgeschlagen, welches die Speisung des Lakkolithen mittels mindestens zweier unabhängig voneinander agierenden Fördergängen beschreibt; einer ist der im Gravimetrieprofil erkennbare vertikalen Fördergang, und ein zweites System ist an ein Bruchnetzwerk am Rand des wachsenden Plutons gebunden. Strukturgeologische Daten (magmatische Gänge, Kluftsysteme) und die Untersuchung der Mikrogefüge belegten eine Magmenmischung in der Magmenkammer und einen relativ schnellen Aufstieg des Magmas verbunden mit Dekompression. Die finale Platznahme, und letztlich die Form des Götemar Pluton, wurde durch eine Kombination aus horizontaler Ausbreitung der Internlagen, einer untergeordneten Absenkung des Plutonbodens, magmatischem Stoping und einer Verdickung des Förderganges bestimmt. Eine schnelle Platznahme, die einen Zeitraum von etwa 20 ka-30 ka umfasste, könnte eine Erklärung für die Abwesenheit von Deformationsstrukturen sein, und zeigt eine Möglichkeit auf, warum der Götemar Pluton als anorogen bezeichnet wird, obwohl der Körper während einer Zeit mit regionaler Deformation Platz genommen hat.Das zweite Geländebeispiel (Kapitel 4) behandelt die passive Platznahme von Kambrischen Sedimentgängen entlang von vorgezeichneten Kluftsystemen im Paleoproterozoischen Basement in SE Schweden. Klastische Gänge in Kristallingesteinen, die von der Erdoberfläche ausgehend nach unten propagieren sind selten beobachtet worden. Diese Studie, gestützt auf die Interpretation von Mikro- und Makrogefügen, schließt somit eine Lücke in der bisherigen Literatur. Das vorgestellte konzeptionelle Modell zeigt, dass die Platznahme der Sedimentgänge von einem wechselnden Spannungsfeld beeinflusst wurde, welches sich in alternierenden Phasen von Öffnung/Füllung, Zementation/Verfestigung und Alteration des nach unten propagierenden Ganges äußert. Die Lokation der klastischen Gänge ist an bereits angelegte Kluftsysteme geknüpft, die auf Grund des NW-SE gerichteten Kambrischen Riftings reaktiviert wurden. Somit ist die Orientierung von Sedimentgängen ein aussagekräftiger Paleospannungsindikator.Das dritte Fallbeispiel (Kapitel 6) beschäftigt sich mit der Holozänen monogenetischen Raudholar-Kraterkegelreihe in der nördlichen Riftzone Islands. Das Gebiet gibt Einblick in einen Querschnitt durch die oberen hundert Meter dieser segmentieren Kraterreihe in einem aktiven Extensionsgebiet. Die 3D-Rekonstruktion basiert auf einer präzisen GPS-Vermessung der erodierten Förderkanäle und intakten Kraterkegel, sowie auf der Aufnahme strukturgeologischer Elemente. Somit konnten Aussagen über den Magmenfluss unter einem relativ kleinen Vulkangebäude getroffen werden, als auch der Einfluss der Reaktivierung von bereits unter der Kraterreihe bestehenden Störungen auf die Lokalisierung der Eruptionsschlote bestimmt werden. Vulkanische Ablagerungsprodukte zeigen zudem eine variable Eruptionsgeschichte der Kraterkegel und eine intensive Wasser-Magma-Interaktion. Fließgefüge in (Förder)Gängen lassen einen vorwiegend horizontalen Magmenfluss erkennen. Die untersuchten Raudholar Krater stellen ein separates Spalteneruptionsereignis dar, welches, anders als die meisten Spaltenschwärme in Island, nicht an eine Magmenkammer unterhalb eines Zentralvulkans gekoppelt ist. Aufgrund des Alters der Raudholar-Kraterreihe (frühes Holozän) könnte dieses Riftsegment zeitlich an das Abschmelzen der nördlichen Riftzone gebunden sein, was seine außergewöhnliche Lage am Rande des Spaltenschwarmes und eine eventuelle Magmenzufuhr von der Kruste/Mantelgrenze erklären würde.Das vierte Fallbeispiel (Kapitel 7) beschäftigt sich mit der Interaktion zwischen Gangintrusionen und Verwerfungen, und zeigt Bedingungen für die Magmenzufuhr für Gangintrusionen auf, sowie welche mechanische Auswirkung eine Intrusion auf das Nebengestein haben kann. Die Studie zeigt, dass der durch Gangintrusionen induzierten Oberflächendeformationen in Vulkanen und Riftzonen komplex sind und existierende Grabensysteme vorhandene Fördergänge lenken und an sich binden können. Feldbeobachtungen und numerische Modelle machen deutlich, dass Gangintrusionen nahe gelegene Störungen reaktivieren können, und dass der Versatz wiederum zu einer Vergrößerung der Gangmächtigkeit nahe der Oberfläche beiträgt.