Thermobarometrische und geochemische Untersuchungen der Gesteine der Küstenkordillere Chiloés, Südchile

Abstract

Die Geologie Chiles wird durch aktiven Kontinentalrand entlang des süd-amerikanischen Kontinents geprägt. Zur Rekonstruktion der prä-andinen Geschichte ist das metamorphe Grundgebirge der chilenischen Küstenkordillere ein wichtiger Schlüssel, da diese Einheiten wenig durch andine Ereignisse beeinflusst wurde. Das metamorphe Grundgebirge der Insel Chiloé wird im wesentlichen von metamorphisierten turbiditischen Sequenzen aufgebaut untergeordnet treten synsedimentär abgelagerte pyroklastische mafische Zwischenlagen sowie tektonisch eingeschuppte mafische Schiefer auf. Bei den geothermobarometrisch bearbeiteten Proben handelt es sich um Phyllite, Quarzphyllite und granatführende Quarzite. Trotz der Einschränkungen aufgrund der Mineralparagenese ist es mit der Chlorit-Phengit- und Chlorit-Phengit-Granat-Multigleichgewichtsberechnung (Vidal & Parra 2000) gelungen eine HP-LT Metamorphose der Metasedimente nachzuweisen. Bei den Metase-dimenten handelt es sich um einen Subduktionszonenkomplex mit einem ermittelten geothermischen Gradienten von ca. 13_°C/km, was auf eine langsame oder flache Subduktion hinweist. Ferner konnte ein Schuppenbau mit unterschiedlichen Versenkungstiefen von 23 km und 33 km festgestellt werden. Mit den jetzt vorliegenden Daten kann belegt werden, dass alle untersuchten Metapelite der Insel Chiloés eine HP-LT-Metamorphose erfuhren. Um die bereits subduzierte ozeanische Platte näher charakterisieren zu können wurden von Metavulkaniten eine geochemische Gesamtgesteinsanalyse erstellt. Die geochemische Signatur zweier Proben aus dm-mächtigen Grünschieferzwischenlagen und als pyroklastische Ablagerungen interpretiert werden sind charakteristisch für Inselbögen oder aktive Kontinentalränder. Die restlichen Proben zeigen typische Charakteristika, die für die Bildung im Bereich eines vulkanischen Bogens als auch die für eine Bildung im Bereich eines Mittelozeanischen Rückens sprechen. Nachdem back-arc-Becken Basalte Merkmale von vulkanischen Bogenbasalten und MORB vereinen (Saunders & Tarney 1991) läge es nahe die Proben einem solchen geotektonischen Bildungsmilieu zuzuordnen. Nimmt man die Bildung der Proben mit MORB-Merkmalen und vulkanischen Bogen-Merkmalen an einem Mittelozeanischen Rücken an, kann folgendes Modell entworfen werden: An einem mittelozeanischen Rücken wurden Magmen generiert, die eine Anreicherung an LIL-Elementen aufweisen und die durch deutlich positive Pb-Anomalien den Einfluß von recyclierten Sedimentgesteinen im Magma nahelegen. Die Anreicherung von LIL-Elementen könnte nachvollziehbar sein, Hinweise auf recycelte Sedimentgesteine im Bereich von mittelozeanischen Rücken können jedoch kaum erklärt werden. Aufgrund der Spreizungsaktivität am Rücken und der Subduktionstätigkeit am westlichen Gondwanarand nähert sich die ozeanische Kruste dem westlichen Gondwanarand. Während der Tiefseesedimentation wird auch pyroklastisches Material eines kalk-alkalischen Vulkans eingetragen und sedimentiert. In den Akkretionskeil wurde ozeanische Kruste mit einbezogen. Teile des Akkretionskeils wurden durch die Subduktion in größere Tiefen versenkt. Aufgrund der Ergebnisse der Geothermobarometrie wurden die Metasedimente der Küstenkordillere Chiloés bis zu max. 33 km bei einer Temperatur von 450_°C versenkt. Nimmt man die Bildung der Proben als Bildungen im Bereich eines back-arc-Beckens an, kann folgendes Modell entworfen werden: Prädevonisch entwickelte sich im Präpazifik östlich des Gondwanarandes an einer ostvergenten Subduktionszone ein ozeanischer Inselbogen mit back-arc-Becken. Die Subduktionszone kollabierte und die Spreizung des back-arc-Beckens endete. Im Späten Devon bis Karbon kam es zur Ausbildung einer NS streichenden nach Osten abtauchenden Subduktionszone. Im Akkretionskeil akkumulierten die Sedimente der ozeanischen Kruste und die pelitischen Sedimente Gondwanas. Teile des Akkretionskeils wurden durch die Subduktion in größere Tiefen versenkt. Aufgrund der Ergebnisse der Geothermobarometrie wurden die Metasedimente der Küstenkordillere Chiloés bis zu max. 33 km bei einer Temperatur von ca. 450 °C versenkt. Durch Subduktion der ozeanischen Kruste kam es zur Annäherung des kollabierten ozeanischen Inselbogens an den Gondwanarand. Während des Mittleren Perms bis zur Mittleren Trias kollidierte das Inselbogen/back-arc-Terrane mit dem Gondwanarand. Teile des Inselbogen/back-arc-Terranes wurden in den Akkretionskeil eingeschuppt. Von der Späten Trias bis Mittleren Jura kam es zur zunehmenden Subduktion des Inselbogen/back-arc Terranes. Es kann keine Aussage getroffen werden, welches Modell der Realität am nächsten kommt. Obwohl die vorliegende Arbeit kein abschließendes Entstehungsmodell für die Region vorstellen kann ist es erstmals gelungen durch eine systematische geothermobarometrische Bearbeitung der Westlichen Serie des metamorphen Grundgebirges einen P-T-Pfad zu rekonstruieren und die HP-LT-Metamorphose aller untersuchten Metasediment zu belegen.

Since the Jurassic the geology of Chile is characterized by the processes of the active continental margin. The key to the pre Andean history is the metamorphic basement of the Chilean Cordillera because these units were only slightly effected by the younger Andean orogenic movements. Hervé (1988) interpreted the so called Western Series of the metamorphic basement of Chiloé as a fossil accretionary wedge. The aim of this study is to unveil the pre Andean history of the Island of Chiloé and to give a model that explains the evolution of the metamorphic basement in this area. In the course of petrographic, petrologic, and geochemic investigations 290 samples from the Island of Chiloé were studied and analysed. Phyllites, quarzphyllites, and garnet containing quarzites were studied geobarometrically. Although the predominantly occurring mineral parageneses only offer very limited possibilities, it was possible to differentiate two separate PT-paths for the occurring metasediments, and to proof the existence of a HP-LT metamorphism. The metasediments represent relics of a subduction zone complex showing a geobarometric gradient of 13ºC/km, thus indicating a slow or gentle dipping subduction respectively. In addition, structurally isolated blocks that were transported downwards to depths between 23 and 33km could be identified. With the new data it can be shown that all metasediments of the Western Series were effected by a HP-LT metamorphism. In order to charcterize the already subducted oceanic plate 29 bulk rock samples from predominantly structurally isolated metavolcanic rocks from the metamorphic basement of the Island of Chiloé were geochemically analysed. The geochemic signatures of two samples are charcteristic of island arcs or of destsructive continental margins respectively. These two samples come from units of greenschists, which are interpreted as former pyroclastic rocks. The distinct Nb-, Pb-, and P-anomalies in the multi-element-diagram lead to the conclusion that sediments were assimilated in the magma source, and that indicates affinities with volcanic island arcs. The REE content is enriched about ten times usually an indicator of MORBs. Thus, the samples show different characteristics. Since back-arc basin basalts unite the characteristics of both volcanic arcs and MORBs (Saunders & Tarney 1991) it seems plausible to interpret the studied samples as back-arc basin basalts. Given the samples with MORB- and volcanic arc characteristics originated from a mid-oceanic ridge, leads to the following model: At a mid-oceanic ridge LILE enriched magmas with a distinct positive Pb-anomaly were generated. The LILE enrichment in MOR-basalts is possible. The positive Pb-anomaly, usually indicating the influence of sediment recycling in the magma, can hardly be explained in such a settin. Due to spreading activity along the MOR and simultaneous subduction of the oceanic plate the latter was permanently conveyed towards the western margin of Gondwana. During this process thick units of deep-sea sediments were deposited on the oceanic plate. In addition, calc-alcaline pyroclastic rocks with an active continental margin signature were also accumulated. In the accretionary wedge pelites originating from Gondwana were accumulated, fragments of the oceanic crust were also incorporated. Parts of the accretionary wedge were subducted into greater depths. According to the geobarometric data the metasediments were subducted about 33km and heated up to maximum 450ºC. If one assumes the generation of the basalts with MORB and volcanic arc signature in a back-arc setting the following model seems plausible: In pre Devonian times an oceanic island arc with back-arc basin was buil. The subduction zone of the island arc was directed towards the East, collapsed later and the spreading activity in the back-arc basin stopped. From the Late Devonian to the Carboniferous a NS striking, eastward directed subduction zone along the western margin of Gondwana evolved. In the accretionary wedge sediments conveyed by the oceanic plate and the pelitic sediments were deposited. Parts of the accretionary prism were subducted and underwent a HP-LT metamorphism. Due to the subduction processes the former active island arc and back-arc basin moved towards the western margin of Gondwana. From the Middle Permian to the Middle Triassic the island arc- back-arc-terrain collided with Gondwana. Parts of the terrain were structurally isolated and incorporated into the accretionary wedge. From the Late Triassic to the Middle Jurassic the island arc- back-arc terrain was subducted. Since some of the above given results support either of the models a final decision cannot be made. However, for the first time it was possible to present proof of HP-LT metamorphism for the entire set of metasediments cropping out on the Island of Chiloé.