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UHP metamorphic rocks of the Eastern Rhodope Massif, NE Greece [Elektronische Ressource] : new constraints from petrology, geochemistry and zircon ages / Nina Kaarina Cornelius

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UHP metamorphic rocks of the Eastern Rhodope Massif,NE Greece: new constraints from petrology,geochemistry and zircon agesDissertationzur Erlangung des Grades“Doktor der Naturwissenschaften“im Promotionsfach Geologie-Paläontologieam Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaftender Johannes Gutenberg-Universität MainzNina Kaarina Corneliusgeb. in KielMainz, 2008ErklärungIch versichere hiermit, die vorliegende Arbeit selbständig und nur unter Verwendung derangegebenen Quellen und Hilfsmittel verfasst zu haben.Mainz, Juli 2008Abstract IAbstractIn this PhD thesis, a multidisciplinary study has been carried out on metagranitoids andparagneisses from the Eastern Rhodope Massif, northern Greece, to decipher the pre-Alpinemagmatic and geodynamic evolution of the Rhodope Massif and to correlate the eastern part withthe western/central parts of the orogen. The Rhodope Massif, which occupies the major part ofNE Greece and S Bulgaria, represents the easternmost part of the Internal Hellenides. It isregarded as a nappe stack of high-grade units, which is classically subdivided into an upper unitand a lower unit, separated by a SSE-NNW trending thrust plane, the Nestos thrust. Recentresearch in the central Greek Rhodope Massif revealed that the two units correspond to twodistinct terranes of different age, the Permo-Carboniferous Thracia Terrane, which wasoverthrusted by the Late Jurassic/Early Cretaceous Rhodope Terrane.

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Published 01 January 2009
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Language English
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UHP metamorphic rocks of the Eastern Rhodope Massif,
NE Greece: new constraints from petrology,
geochemistry and zircon ages
Dissertation
zur Erlangung des Grades
“Doktor der Naturwissenschaften“
im Promotionsfach Geologie-Paläontologie
am Fachbereich Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
der Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Nina Kaarina Cornelius
geb. in Kiel
Mainz, 2008Erklärung
Ich versichere hiermit, die vorliegende Arbeit selbständig und nur unter Verwendung der
angegebenen Quellen und Hilfsmittel verfasst zu haben.
Mainz, Juli 2008Abstract I
Abstract
In this PhD thesis, a multidisciplinary study has been carried out on metagranitoids and
paragneisses from the Eastern Rhodope Massif, northern Greece, to decipher the pre-Alpine
magmatic and geodynamic evolution of the Rhodope Massif and to correlate the eastern part with
the western/central parts of the orogen. The Rhodope Massif, which occupies the major part of
NE Greece and S Bulgaria, represents the easternmost part of the Internal Hellenides. It is
regarded as a nappe stack of high-grade units, which is classically subdivided into an upper unit
and a lower unit, separated by a SSE-NNW trending thrust plane, the Nestos thrust. Recent
research in the central Greek Rhodope Massif revealed that the two units correspond to two
distinct terranes of different age, the Permo-Carboniferous Thracia Terrane, which was
overthrusted by the Late Jurassic/Early Cretaceous Rhodope Terrane. These terranes are
separated by the Nestos suture, a composite zone comprising metapelites, metabasites,
metagranitoids and marbles, which record high-pressure and even ultrahigh-pressure
metamorphism in places.
Similar characteristic rock associations were investigated during this study along several well-
constrained cross sections in vincity to the Ada, Sidiro and Kimi villages in the Greek Eastern
Rhodope Massif. Field evidence revealed that the contact zone of the two terranes in the Eastern
Rhodope Massif is characterized by a mélange of metapelites, migmatitic amphibolites/eclogites,
strongly sheared orthogneisses and marbles. The systematical occurrence of this characteristic
rock association between the terranes implies that the Nestos suture is a continuous belt
throughout the Greek Rhodope Massif.
In this study, a new UHP locality could be established and for the first time in the Greek
Rhodope, metamorphic microdiamonds were identified in situ in their host zircons using Laser-
Raman spectroscopy. The presence of the diamonds as well as element distribution patterns of the
zircons, obtained by TOF-SIMS, indicate metamorphic conditions of T > 1000 °C and P > 4 GPa.
The high-pressure and ultrahigh-pressure rocks of the mélange zone are considered to have
formed during the subduction of the Nestos Ocean in Jurassic times at ~150 Ma. Melting of
metapelitic rocks at UHP conditions facilitated the exhumation to lower crustal levels.
To identify major crust forming events, basement granitoids were dated by LA-SF-ICPMS and
SHRIMP-II U-Pb analyses of zircons. The geochronological results revealed that the Eastern
Rhodope Massif consists of two crustal units, a structurally lower Permo-Carboniferous unitAbstract II
corresponding to the Thracia Terrane and a structurally upper Late Jurassic/Early Cretaceous unit
corresponding to the Rhodope Terrane, like it was documented for the Central Rhodope Massif.
Inherited zircons in the orthogneisses from the Thracia Terrane of the Eastern Rhodope Massif
indicate the presence of a pre-existing Neoproterozoic and Ordovician-Silurian basement in this
region. Triassic magmatism is witnessed by the zircons of few orthogneisses from the
easternmost Rhodope Massif and is interpreted to be related to rifting processes.
Whole-rock major and trace element analyses indicate that the metagranitoids from both terranes
originated in a subduction-related magmatic-arc environment. The Sr-Nd isotope data for both
terranes of the Eastern and Central Rhodope Massif suggest a mixed crust-mantle source with
variable contributions of older crustal material as already indicated by the presence of inherited
zircons.
Geochemical and isotopic similarity of the basement of the Thracia Terrane and the Pelagonian
Zone implies that the Thracia Terrane is a fragment of a formerly unique Permo-Carboniferous
basement, separated by rifting and opening of the Meliata-Maliac ocean system in Triassic times.
A branch of the Meliata-Maliac ocean system, the Nestos Ocean, subducted northwards in Late
Jurassic times leading to the formation of the Late Jurassic/Early Cretaceous Rhodope magmatic
arc on remnants of the Thracia Terrane as suggested by inherited Permo-Carboniferous zircons.
The ~150 Ma zircon ages of the orthogneisses from the Rhodope Terrane indicate that
subduction-related magmatism and HP/UHP metamorphism occurred during the same subduction
phase. Subduction ceased due to the closure of the Nestos Ocean in the Late Jurassic/Early
Cretaceous. The post-Jurassic evolution of the Rhodope Massif is characterized by the
exhumation of the Rhodope core complex in the course of extensional tectonics associated with
late granite intrusions in Eocene to Miocene times.Zusammenfassung III
Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Dissertation wurden Metagranitoide und Paragneise aus dem östlichen
Rhodope Massiv in Nordgriechenland interdisziplinär untersucht, um ihre prä-alpine
magmatische und geodynamische Entwicklung zu entschlüsseln und den östlichen Teil des
Gebirges mit dem westlichen/zentralen Teil zu korrelieren. Das Rhodope Massiv stellt den
nordöstlichsten Teil der Internen Helleniden dar und nimmt den größten Teil Nordost-
Griechenlands und Süd-Bulgariens ein. Es ist aus hochgradig metamorphen Decken aufgebaut
und wird im klassischen Sinne in eine untere und obere lithologische Einheit unterteilt, die durch
eine SSE-NNW verlaufende Überschiebung, die Nestos Überschiebung, voneinander abgegrenzt
sind. Neueren Forschungsergebnissen im zentralen Teil des griechischen Rhodope Massivs
zufolge sind diese beiden Einheiten zwei verschiedenen Krustenblöcken verschiedenen Alters
zuzuordnen. Das permo-karbonische Thracia Terrane wurde vom spät-jurassischen/früh-
kretazischen Rhodope Terrane überschoben. Die Nestos Sutur, welche die Terranes voneinander
abgrenzt, setzt sich aus einer Vielzahl von verschiedenen Gesteinstypen zusammen, insbesondere
aus Metapeliten, Metabasiten, Metagranitoiden und Marmoren. Diese Gesteine haben eine
Hochdruck-Metamorphose (HP) erfahren und in seltenen Fällen sind Indikatoren für eine
Ultrahochdruck-Metamorphose (UHP) erhalten.
Für die vorliegende Dissertation wurden mehrere Geländeprofile untersucht, die eine ähnliche
Gesteinsparagenese zeigen. Diese Profile liegen in der Nähe der Orte Ada, Sidiro und Kimi im
östlichen Rhodope Massiv Griechenlands. Die Geländebeobachtungen belegen, daß die
Kontaktzone der beiden Terranes stets durch eine charakteristische Gesteinsassoziation aus
Metapeliten, migmatitischen Amphiboliten/Eklogiten, stark gescherten Orthogneisen und
Marmoren besteht. Das systematische Vorkommen dieser charakteristischen Gesteinsassoziation
deutet darauf hin, daß die Nestos Sutur ein durchgehender Gürtel durch das Rhodope Massiv ist.
Mittels Ramanspektroskopie konnten metamorphe Mikrodiamanten in situ in Zirkonen zweier
Metapelitproben nachgewiesen und somit eine neue UHP-Lokalität im griechischen Rhodope
Massiv etabliert werden. Die Diamanteinschlüsse in den Zirkonen sowie TOF-SIMS
Elementverteilungsbilder selbiger Zirkone deuten auf Temperaturen von T > 1000 °C and Drücke
von P > 4 GPa hin. Die HP- und UHP-Metamorphose der Metapelite erfolgte während der
Subduktion des Nestos Ozeans im Jura um ca. 150 Ma. Schmelzprozesse der metapelitischenZusammenfassung IV
Gesteine im UHP-metamorphen Bereich ermöglichten eine Exhumierung der Gesteine bis in die
untere Kruste.
Durch LA-SF-ICPMS und SHRIMP-II U-Pb Datierungen von Zirkonen wurden zwei
magmatische, krustenbildende Hauptereignisse identifiziert, wie es schon für den zentralen Teil
des griechischen Rhodope Massivs nachgewiesen werden konnte. Die strukturell untere Einheit
ist permo-karbonischen Alters und entspricht dem Thracia Terrane, während die strukturell obere
Einheit spät-jurassischen/früh-kretazischen Alters ist und dem Rhodope Terrane entspricht.
Ererbte Zirkone in den Orthogneisen des Thracia Terranes lassen darauf schließen, daß eine prä-
existierende neoproterozoische und ordovizisch-silurische Kruste in der Region vorhanden war.
Die Zirkone einiger Orthogneise aus dem östlichsten Rhodope Massiv deuten auf ein Rifting-
Ereignis in der Trias und damit verbundenen Magmatismus hin.
Die Edukte der Orthogneise beider Terranes konnten durch Haupt- und Spurenelementgeochemie
als subduktionsbezogene vulkanische-Bogen-Granitoide klassifiziert werden. Untersuchungen
zur Sr und Nd Gesamtgesteinsisotopie dieser Orthogneise ergaben, daß die Magmenquelle einen
Mischcharakter aus Mantel und Kruste hatte und in unterschiedlichem Maß von einer älteren
Krustenkomponente beeinflußt wurde. Diese ältere Krustenkomponente wird auch durch die
ererbten Zirkone belegt.
Aus der geochemischen und isotopischen Ähnlichkeit des Thracia Terranes und der
Pelagonischen Zone wird abgeleitet, daß beide Fragmente eines ehemals ganzheitlichen permo-
karbonischen Grundgebirges darstellen, welches durch die Öffnung des Meliata-Meliac Ozean
Systems in der Trias geteilt wurde. Ein Zweig dieses Meliata-Maliac Ozean Systems, der Nestos
Ozean, wurde im Jura nordwärts subduziert, wodurch subduktionsbezogener Magmatismus zur
Bildung des spät-jurassischen/früh-kretazischen Rhodope vulkanischen Inselbogens auf einem
Thracia Fragment führte. Dies wird auch durch ererbte permo-karbonische Zirkone in den
Jurassischen Orthogneisen belegt.
Das Alter der Zirkone der Orthogneise des Rhodope Terranes beträgt ca. 150 Ma und deutet
darauf hin, daß der subduktionsbedingte Magmatismus und die HP- /UHP-Metamorphose ihren
Ursprung in der gleichen Subduktionsphase haben. Die Subduktion endete mit der Schließung
des Nestos Ozeans im späten Jura/ in der frühen Kreide. Die post-jurassische Entwicklung des
Rhodope Massivs wird durch die Exhumierung des Kernkomplexes durch Extensionstektonik
bestimmt. Damit verbunden ist die Intrusion von Graniten zwischen Eozän und Miozän.Content V
Table of Contents
Abstract I
Zusammenfassung III
1. Introduction 1
2. Geological framework of the Rhodope Massif 4
3. Study area 14
4. Metapelites 22
4.1 Petrography of the metapelites 22
4.2 Mineral chemistry of the metapelites 25
4.3 Whole-rock major and trace element geochemistry of the metapelites 37
4.4 Zircon study and UHP indicators 40
4.5 Dating of UHP sample F157 52
4.6 Summary metapelites 56
5. Orthogneisses 58
5.1 Petrography of the orthogneisses 58
5.2 Geochronology of the orthogneisses 62
5.3 Whole-rock major and trace element geochemistry of the orthogneisses 77
5.4 Sr- and Nd- isotope geochemistry of the orthogneisses 91
5.5 Summary orthogneisses 97
6. Discussion 101
6.1 Correlation of the cross sections of the Eastern and Central Rhodope Massif 101
6.2 Correlation of the UHP metapelites from Eastern and Central Rhodope Massif 104
6.3 Geodynamic evolution of the Rhodope 107Content VI
6.4 Timing and conditions of UHP metamorphism and the exhumation of the
UHP rocks 111
7. Conclusions and implications for palaeoreconstructions 116
References 120
Appendix 133Chapter 1 – Introduction 1
1. Introduction
Since the discovery of coesite in a pyrope-quartzite from Dora Maira in the Western Alps
(Chopin 1984) and in an eclogite from the Western Gneiss Region in Norway (Smith 1984) the
limits of metamorphism of crustal rocks and the corresponding geodynamic processes had to be
reconsidered. The formation of the ultrahigh-pressure (UHP) mineral coesite in felsic rocks
provided evidence for the subduction of crustal rocks to depths in excess of 90 km into the
earth´s mantle and their exhumation back to the surface. The term ultrahigh-pressure
metamorphism refers to conditions of at least 600°C and 27 kbar, which mark the experimentally
determined transition of quartz to its polymorph coesite (e.g. Massonne 2005 and references
therein). Sobolev and Shatsky (1990) observed the in situ occurrence of diamonds in felsic
gneisses and marbles from the Kokchetav Massif in northern Kazakhstan, implying that these
rocks experienced even higher pressures of ca. 40 kbar. In the following years such coesite and/or
diamond-bearing rocks were found in more collisional orogens, e.g. Dabie Shan and Sulu in
China and the Saxonian Erzgebirge in Germany. These studies also revealed new UHP indicators
like clinopyroxene-, rutile- and apatite exsolutions in garnets from eclogites of the Sulu
Mountains in China (Ye et al. 2000). A summery of the established and potential UHP localities
worldwide is given in Figure 1.1.
First evidence for UHP metamorphism in Greece was reported by Kostopoulos et al. (2000) from
graphitized diamonds in metamorphic mafic and sedimentary rocks of the eastern Vardar Zone,
the Circum-Rhodope Belt and the western Serbo-Macedonian Massif in Central Macedonia. One
year later, UHP indicators, namely microdiamonds, exsolutions of rutile-, quartz- and apatite
within garnet and pseudomorphs after coesite, were discovered in garnet-kyanite gneisses of the
Greek Rhodope Massif (Mposkos and Kostopoulos 2001).
The Rhodope Massif is regarded as a nappe stack of high-grade units (e.g. Burg et al. 1996),
which is classically subdivided into an upper unit and a lower unit, separated by a SSE-NNW
striking thrust plane, the Nestos thrust (Papanikolaou and Panagopoulos 1981). According to
Reischmann and Kostopoulos (2007) and Turpaud and Reischmann (submitted), in the Central
Rhodope Massif the two units correspond to two distinct terranes of different age, the Permo-
Carboniferous Thracia Terrane, which was overthrusted by the Late Jurassic/Early Cretaceous
Rhodope Terrane. The terranes are separated by the Nestos suture, a composite zone comprisingChapter 1 – Introduction 2
Fig. 1.1: Occurrences of UHP rocks worldwide modified after Massone (2005) and references
therein. Red stars indicate the UHP occurrences, where microdiamonds were discovered in
metapelitic rocks.
a variety of lithologies like metapelitic gneisses, amphibolites/eclogites with oceanic affinities
(e.g. Barr et al. 1999), marbles, orthogneisses and migmatites. The metapelitic and mafic rocks of
this mélange zone record a former HP and locally UHP metamorphism overprinted by a
retrograde amphibolite-facies metamorphism (e.g. Liati 1986, Liati and Seidel 1996, Mposkos
and Kostopoulos 2001).
This thesis focuses on the eastern part of the Rhodope Massif, northeastern Greece, where
microdiamonds, indicative of UHP metamorphism, were reported from garnet-kyanite gneisses
close to the Kimi and Sidiro villages (Mposkos and Kostopoulos 2001, Perraki et al. 2006). Since
this discovery, several structural, petrological and geochronological studies have been carried out
on the Rhodope Massif, but often concentrating on the local areas around the rocks bearing the
UHP relicts. A common feature of all these localities is a variable state of retrogression of the