Detachment zones of Cordilleran metamorphic core complexes: thermal,fluid and metasomatic regimes

Metamorphic core complexes in Arizona are characterized by extensional tectonics, in which listrically faulted and unmetamorphosed volcanic rocks of an upper plate are tectonically superimposed on high-grade rocks of a lower plate along low angle detachment faults. The detachment faults are marked by microbreccias and chloritic breccias which developed by hydraulic fracturing and metasomatism that overprinted subjacent amphibolite facies mylonites. Oxygen and hydrogen isotope data indicate that the mylonites formed at 500 °C under conditions of low water/rock ratio. Chloritic breccias developed at 300–350 °C during incursion of hydrothermal fluids along the detachment fault. Hydrothermal alteration involved massive additions of Fe, Mn, and Mg, with concomitant depletions of K and Na, reflecting the hydrolysis of K-feldspar and plagioclase to chlorite.Upper plate volcanic rocks are sporadically altered to an assemblage of K-feldspar, calcite, and Fe, Mn-oxides. Geochemically, the volcanic rocks are characterized by enhanced abundances of alteration insensitive incompatible elements (Th, LREE, P₂O₅), fractionated REE distributions (La_cn/Yb_cn 18), and elevated levels of the mafic affiliated trace elements Cr, Co, Ni, Sc. Primary K₂O contents are estimated at 3–6 wt.%. A consistent feature is the presence of troughs at Ta-Nb and Ti, on chondrite normalized diagrams, indicative of magmas associated with convergent plate boundaries. Hydrothermal alteration involved massive additions of K, Fe, Ca, and CO₂, and Na and Mg were systematically depleted. Whole rock ¹⁸O values span 4 to 18 per mil, corroborating the extent of isotopic exchange with an aqueous reservoir. Alteration occurred at temperatures of 250 to 100 °C, fluid ¹⁸O of the thermal waters is estimated at limiting values of –11 to +11 per mil.Dual fluid regimes were operating during extensional tectonics. At lower structural levels, high temperature, reduced fluids of metamorphic and/or evolved meteoric origin, were focussed along the detachment faults under lithostatic pressure, and induced Fe, Mn, Mg-metasomatism. In contrast, cool, oxidized thermal waters, at hydrostatic conditions, and likely of variably evolved meteoric origin were involved at high structural levels.

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Zusammenfassung Die metamorphen Komplexe in Arizona sind charakterisiert durch Dehnungstektonik, in denen listrisch gestörte und unmetamorphe vulkanische Gesteine einer oberen Platte tektonisch auf hochgradig metamorphe Gesteine einer unteren Platte entlang einer flachwinkligen Abscherungsfläche verfrachtet wurden. Die Abscherungen werden markiert durch Mikrobrekzien und chloritische Brekzien, die sich durch hydraulisches Zerbrechen (»hydraulic fracturing«) und Metasomatose gebildet und damit die unterlagernden amphibolitfaziellen Mylonite überprägt haben. Sauerstoff- und Wasserstoff-Isotopendaten belegen, daß die Mylonite bei 500 °C unter einem niedrigen Wasser/Gesteins-Verhältnis gebildet wurden. Die chloritischen Brekzien entwickelten sich bei 300–305 °C während des Einbruchs hydrothermaler Fluide entlang der Abscherungsfläche. Die hydrothermalen Veränderungen hatten massive Zugabe von Fe, Mn und Mg zur Folge unter gleichzeitiger Wegnahme von K und Na, was sich in der Hydrolyse der K-Feldspäte und Plagioklase zu Chlorit widerspiegelt. In den vulkanischen Gesteinen des oberen Stockwerks ist es lokal zur Bildung von K-Feldspat, Kalzit und Fe-, Mn-Oxiden gekommen. Geochemisch sind die vulkanischen Gesteine charakterisiert durch eine gesteigerte Häufigkeit von Änderungen unempfindlicher, inkompatibler Elemente (Th, LREE, P₂O₅), fraktionierte REE-Verteilungen (La_cn/Yb_cn = 18) und eine Zunahme an »basischen« Spurenelementen wie Cr, Co, Ni, Sc. Primäre K₂O-Gehalte werden auf 3–6 wt.% geschätzt. Ein durchgehendes Merkmal ist in den Chondrit-normalisierten Diagrammen das Vorhandensein von Trögen für Ta-Nb und Ti. Dies ein Hinweis auf Magmen, die mit konvergierenden Plattengrenzen verknüpft sind. Hydrothermale Änderungen beinhalten massive Zugabe von K, Fe, Ca und CO₂, und eine systematische Abnahme von Na und Mg. -¹⁸O-Werte im Gesamtgestein reichen von 4 bis 18 pro mil. und bestätigen damit die Breite des Isotopenaustausches mit einem wässrigen Reservoir. Alterationen anden bei Temperaturen zwischen 250 und 100 °C statt. Die ¹⁸O-Werte der Fluide in den hydrothermalen Wässern liegen schätzungsweise mit ihren Grenzwerten zwischen –11 und +11 pro mil. Ein duales Fluidregime wirkt während der Dehnungstektonik. In den tiefen tektonischen Stockwerken mit hoher Temperatur konzentrieren sich reduzierende Fluidmengen von metamorphem oder meteoritischem Ursprung an Abscherungen unter lithostatischem Druck. Es tritt eine Fe, Mn, Mg-Metasomatose auf. Im Gegensatz dazu sind in den höheren tektonischen Stockwerken kühlere, oxidierende Thermalwässer unter hydrostatischen Bedingungen und meteorischen Ursprungs anzutreffen.

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Résumé Les complexes métamorphiques de l'Arizona sont caractérisés par une tectonique extensionnelle au cours de laquelle des roches volcaniques, listriquement faillées et non métamorphiques, appartenant à une plaque supérieure, ont été superposées aux formations très métamorphiques d'une plaque inférieure, par l'intermédiaire de failles plates de décollement. Ces failles sont accompagnées de microbrèches et de brèches chloriteuses engendrées par fracturation hydraulique et métasomatose, phénomènes qui ont affecté les mylonites de facies amphibolitique sous-jacentes. Les rapports isotopiques de l'oxygène et de l'hydrogène indiquent pour la genèse des mylonites une température d'environ 500° avec un faible rapport eau/roche. Les brèches chloriteuses se sont formées entre 300° et 350° à l'occasion de venues hydrothermales le long de la faille de décollement. L'altération hydrothermale s'est accompagnée d'un apport massif de Fe, Mn et Mg et d'un départ de K et Na, reflétant la transformation hydrolytique du feldspath potassique et du plagioclase en chlorite.Les roches volcaniques de la plaque supérieure sont altérées sporadiquement en une association de feldspaths, calcite et oxydes de Fe-Mn. Au point de vue géochimique, ces roches volcaniques sont caractérisées par un enrichissement en éléments incompatibles insensibles à l'altération (Th, LREE, P₂O₅), par des distributions fractionnées des terres rares (La_cn/Yb_cn = 18), et par une teneur élevée des éléments en traces associés aux ferro-magnésiens (Cr, Co, Ni, Sc). La teneur primaire en K₂O est estimée à 3 à 6%. Les diagrammes normalisés par rapport aux chondrites montrent de manière régulière un creux en Ta-Nb et en Ti, indicatif de magmas associés à des bordures de plaques convergentes. L'altération hydrothermale a été accompagnée d'un apport massif de K, Fe, Ca et CO₂ et d'une perte systématique en Na et Mg.Les valeurs de ¹⁸O sur roche totale s'échelonnent entre 4 et 18, ce qui confirme l'importance d'échanges isotopiques avec un réservoir aqueux. L'altération s'est déroulée à des températures qui vont de 250° à 100°; la valeur de ¹⁸O des fluides hydrothermaux devait être comprise entre –11 et + 11 %.Au cours de la tectonique d'extension, l'ensemble a été le siège d'un double régime de fluides. Aux niveaux structuraux inférieurs, des fluides réducteurs d'origine métamorphique et/ou météorique évoluée se sont concentrés de long des failles de décollement, sous haute pression lithostatique et ont provoqué la métasomatose en Fe, Mn et Mg. Par contre, dans les niveaux structuraux supérieurs, les fluides hydrothermaux étaient des eaux d'origine probablement météorique, modifiées à des degrés divers, moins chaudes et oxydantes.

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, , , , . , (hydraulic fracturing) ; . , 500 ° . 300–350 ° . , ; . , . (incompatible elements — Th, LREE, P₂O₅), (La_cn/Yb_cn = 18), «» , - r, , Ni, Sc. , 3–6%. — Nb Ti . , . , , . ¹⁸O 4 18%., . 250 100 °. ¹⁸ –11 +11 %.