Study of the high potassium magmatism in Northern Greece: implications for the mantle geochemistry and the geodynamic evolution of the area

Abstract

The Rhodope Massif is extending over large areas of northern Greece and southern Bulgaria. Ιt is defined as a key area for understanding the evolution of the Tethyan systems. It is considered today as a metamorphic complex, with a large scale nappe tectonics, interrupted by magmatic products, formed during the closure of the Tethys Ocean. Due to the complexity of the area many researchers have focused on its tectonic and magmatic evolution separately and few efforts have been made to combine petrology and tectonics. The present study combines all previous research carried out for the Tertiary magmatic products of the Hellenic part of the Rhodope Massif with new geochemical and isotopic data. It focuses both on the mafic and the felsic magmatic rocks, aiming to conclude on the nature of the mantle source, the role of the RM continental crust and to suggest a unified geodynamical model for the area. Although this research is dedicated to Greece, it is impossible to ignore the research that has been carried out in the Bulgarian part of the Rhodope Massif as both parts constitute an interrelated system.After the convergence and the thickening of the orogen, post-collision plutonic rocks (~50 Ma) are reported all over Rhodope Massif characterized by adakitic affinity. According to new data and new discrimination analysis applied here, the Elatia pluton belongs to this group of plutonic rocks and presents different characteristics from the other magmatic rocks of the Hellenic Rhodope Massif. The following upper Oligocene-lower Miocene extensional deformation in the back-arc, is accompanied by the intrusion of plutonic and volcanic rocks which share almost similar geochemical features. The geochemistry of the mafic members of these rocks, present similar geochemical and isotopic characteristics and indicates derivation from a lithospheric enriched mantle source metasomatised from slab subducted released sediment melts and fluids. Additionally, limited deviations observed in the geochemistry of the mafic rocks suggest variable enrichment of the mantle source from the slab subducted released sediment melts and fluids resulting in a so-called a leopard-skin mantle. Subsequently, the mafic mantle-derived melts intruded the Rhodopian crust and provided heat which, coupled with the decompression of the crust caused by the mantle upwelling, triggered melting of the Rhodope metamorphic rocks. Mixing and fractional crystallization process, as inferred from the presence of mafic enclaves to most of the studied areas, seems to be the driving mechanism between the mantle-derived mafic melts and the Rhodopian crustal anatectic melts. This interaction resulted in the genesis of the large volumes of magmas that gave genesis to the Tertiary plutonic and volcanic magmatic rocks intruding the Hellenic Rhodope Massif.The geodynamic setting suggested here, was induced by combining the origin of the magmatic rocks of the present study in comparison with the origin of the magmatic rocks of the Bulgarian RM and the previous geotectonic and geophysical studies in the area. Slab roll-back and detachment could be the driving forces toroidal mantle flow and mantle upwelling. Slab detachment however, could have occurred in deeper mantle (>50 Km) and eliminated the asthenospheric mantle contribution at least in the geochemistry of the magmatic rocks of the Hellenic Rhodope Massif. Persisting extension and mantle upwelling resulted in progressive thinning of upper lithospheric mantle and continental crust. Finally, asthenospheric diapirism occurred at some extent and resulted in the orogenic asthenospheric derived melts of the Bulgarian Rhodope Massif at the latest stages of the magmatic activity in lower Miocene.

Η Μάζα της Ροδόπης καταλαμβάνει ένα μεγάλο μέρος της βόρειας Ελλάδας και της νότιας Βουλγαρίας. Αποτελεί πολύ σημαντική περιοχή για την κατανόηση και την εξέλιξη των συστημάτων του ωκεανού της Τυθήος. Σήμερα θεωρείται ένα μεταμορφικό σύμπλεγμα με μεγάλα τεκτονικά καλύμματα τα οποία διακόπτονται από διεισδύσεις μαγματικών προϊόντων που δημιουργήθηκαν κατά το κλείσιμο του ωκεανού της Τηθύος. Λόγω της πολυπλοκότητας της περιοχής, πολλοί ερευνητές επικεντρώθηκαν ξεχωριστά στην τεκτονική και στη μαγματική εξέλιξη και λίγες είναι οι προσπάθειες που έγιναν να συνδυαστούν η πετρολογία μαζί με την τεκτονική. Η παρούσα μελέτη συνδυάζει όλη την έρευνα που προηγήθηκε για τα Τριτογενή μαγματικά προϊόντα του ελληνικού μέρους της Μάζας της Ροδόπης με νέα γεωχημικά και ισοτοπικά στοιχεία. Επικεντρώνεται στα βασικά και στα όξινα μαγματικά πετρώματα με σκοπό να δώσει στοιχεία για την σύσταση του μανδύα, το ρόλο που έπαιξε ο ηπειρωτικός φλοιός της Μάζας της Ροδόπης και προτείνει ένα ολοκληρωμένο γεωδυναμικό μοντέλο για την περιοχή. Παρότι η έρευνα αυτή αφορά τον ελληνικό χώρο είναι αδύνατο να αγνοηθεί η έρευνα που έχει γίνει για τη Βουλγαρική Μάζα της Ροδόπης καθώς και τα δύο μέρη αποτελούν ένα ενιαίο σύστημα.Μετά τη σύγκλιση των ηπειρωτικών πλακών και την πάχυνση του ορογενούς, δημιουργήθηκαν μαγματικά πετρώματα που διεισδύουν σε όλη τη Μάζα της Ροδόπης και χαρακτηρίζονται από αδακιτικό χαρακτήρα. Σύμφωνα με νέα στοιχεία και μία νέα ανάλυση διάκρισης ο πλουτωνίτης της Ελατιάς φαίνεται πως ανήκει σε αυτήν την ομάδα πλουτωνικών πετρωμάτων της Μάζας της Ροδόπης και παρουσιάζει χαρακτηριστικά που διαφέρουν από τα υπόλοιπα πετρώματα της Ελληνικής Μάζας της Ροδόπης. Το επικείμενο ολιγοκαινικό-κάτω μειοκαινικό εκτατικό παραμορφωτικό γεγονός που ακολούθησε πίσω από το τόξο της σύγκρουσης συνοδεύεται από την διείσδυση πλουτωνικών και ηφαιστειακών πετρωμάτων τα οποία παρουσιάζουν σχεδόν παρόμοια χαρακτηριστικά. Τα γεωχημικά και ισοτοπικά χαρακτηριστικά αυτών των πετρωμάτων καταδεικνύουν ότι προήλθαν από εμπλουτισμένη λιθοσφαιρική μανδυακή πηγή η οποία εμπλουτίστηκε από τήγματα ιζημάτων και ρευστών της καταδυόμενης ωκεάνιας λιθόσφαιρας. Επιπλέον, κάποιες περιορισμένες γεωχημικές διαφορές που παρουσιάζουν τα βασικά πετρώματα δείχνουν μεταβαλλόμενο εμπλουτισμό της μανδυακής πηγής από τα τήγματα και τα ρευστά της καταδυόμενης ωκεάνιας λιθόσφαιρας με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός λεγόμενου “leopard-skin” μανδύα, δηλαδή ενός ανομοιογενώς εμπλουτισμένου μανδύα. Στη συνέχεια τα βασικά τήγματα διείσδυσαν στον φλοιό της Ροδόπης προσφέροντας θερμότητα, κάτι το οποίο σε συνδυασμό με την αποσυμπίεση του φλοιού που προκλήθηκε από την αναθόλωση του μανδύα προκάλεσαν τήξη των μεταμορφωμένων πετρωμάτων της Μάζας της Ροδόπης. Η διαδικασία της μίξη με ταυτόχρονη κλασματική κρυστάλλωση, όπως δείχνει η παρουσία εγκλεισμάτων στα περισσότερα πετρώματα των υπό μελέτη περιοχών, φαίνεται να αποτελεί τον κύριο μηχανισμό αλληλεπίδρασης μεταξύ των μανδυακής προέλευσης βασικών τηγμάτων και των ανατηκτικών φλοιικών τηγμάτων της Ελληνικής Μάζας της Ροδόπης.Το γεωδυναμικό καθεστώς που προτείνεται στην παρούσα μελέτη είναι το αποτέλεσμα του συνδυασμού της προέλευσης των μαγματικών πετρωμάτων της παρούσας μελέτης σε σύγκριση με την προέλευση των μαγματικών πετρωμάτων της Βουλγαρικής Ροδόπης καθώς και των προηγούμενων γεωτεκτονικών και γεωδυναμικών μελετών. Η αντίθετη, ως προς την κατεύθυνση της κατάδυσης, κίνηση του καταδυόμενου ωκεάνιου φλοιού (roll-back) και η αποκόλληση του (detachment) θα μπορούσαν να αποτελούν τις κινητήριες δυνάμεις που προκάλεσαν ροή επιστροφής (return flow) και αναθόλωση (upwelling) του μανδύα. Η αποκόλληση της καταδυόμενης ωκεάνιας λιθοσφαιρικής πλάκας θα έπρεπε να έχει λάβει χώρα σε βαθύτερα σημεία του μανδύα (>50 χλμ) ώστε να εμπόδισε τη συμβολή ασθενοσφαιρικού μανδυακού υλικού τουλάχιστον στα μαγματικά πετρωμάτα της Ελληνικής Μάζας της Ροδόπης. Η συνεχής έκταση στην περιοχή και η αναθόλωση του μανδύα είχαν σαν αποτέλεσμα στην προοδευτική λέπτυνση του λιθοσφαιρικού μανδύα και του ηπειρωτικού φλοιού. Τελικά, ασθενοσφαιρική διείσδυση θα πρέπει να έλαβε χώρα σε κάποιο χρόνο στα τελικά στάδια της μαγματικής δραστηριότητας, μετά από εκτεταμένη λέπτυνση, στο κάτω Μειόκαινο και συνέβαλε στη δημιουργία των πετρωμάτων με ορογενετικά ασθενοσφαιρικά χαρακτηριστικά της Ανατολικής Βουλγαρίας.