Tectonometamorphic evolution and exhumation of the metamorphic rocks of Amorgos Island: a study on the architecture and evolution of the Late Eocene-Oligocene Hellenic subduction zone

Abstract

The Hellenides constitute an integral part of the Alpine mountain chain in the eastern Mediterranean. They were shaped during the Cretaceous to Tertiary Africa-Eurasia convergence-collision and subsequent overprinting by extensional tectonics forming the Aegean domain. Exhumed HP rocks have been affected by extensional processes, concealing their syn-orogenic history that is essential for understanding the regional configuration of the Attic-Cycladic during the subduction-related stage.This dissertation concentrates on the southeastern Cyclades of the Aegean domain. Field-based observations and structural measurements combined with novel lab techniques are used to investigate the deformation and exhumation of the low-grade HP rocks of Amorgos Island. The new findings are further compared to the neighboring Iraklia island to understand better the exhumation mechanisms and the different tectonometamorphic records of the exhumed subduction-type rocks. In Chapter II, a new lithostratigraphic configuration for the Amorgos Unit is presented, and a new paleogeographic position is proposed. Based on along-strike variations in the sedimentary facies, the Amorgos Unit is subdivided into three stratigraphic columns representative of the island's northeast, central and southwest parts, respectively. Furthermore, the structural evolution is briefly discussed, and a retro-wedge setting is proposed for the top-NW kinematics of the early syn-HP deformation. The detrital zircon U-Pb geochronology and zircon (U-Th)/He dating results are described in detail, providing fundamental knowledge for the provenance signatures and the timing of exhumation processes. Our results show that the Amorgos Unit was paleogeographically located at the southern Pelagonian margin and structurally above the CBU. In Chapter III, we present new structural data and integrate our results with those of Chapter IΙ. A multi-stage deformation is described as evolving from a consistent syn-orogenic compressional phase during the Late Eocene-Oligocene to a post-orogenic extensional phase in the early-mid Miocene. An alternative tectonic model for the Amorgos structural evolution is proposed that includes a short-lived SE-directed subduction zone that was eventually developed at the retrowedge side of the late Eocene-Oligocene subduction zone. Based on our results, a composite double-verging orogen is proposed for the Late Eocene-Oligocene collisional phase. Detachment faulting has affected the Amorgos Unit by top-SE kinematics during the Early-mid Miocene extensional phase, associated with the Santorini Detachment System.Chapter IV presents a structural analysis of the Iraklia Island CBU rocks combined with detrital zircon U-Pb geochronology. Based on the provenance signatures of the schists, the stratigraphy of Iraklia is reviewed and the record of distinct geodynamic environments is discussed. The structural evolution of Iraklia revealed the retrogression/decompression stage during exhumation. An intra-CBU shear zone with top- N kinematics is recorded associated with the Paros-Naxos Detachment System. Relics of the prograde path is preserved as blue amphibole inclusions in feldspars. Zircon rim U-Pb ages indicate an early Eocene subduction-related HP event, typical for the CBU rocks documented in the neighboring islands.

Οι Ελληνίδες αποτελούν ένα αναπόσπαστο τμήμα της αλπικής οροσειράς στην ανατολική Μεσόγειο. Σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της σύγκλισης-σύγκρουσης μεταξύ Αφρικής-Ευρασίας, η οποία έλαβε χώρα κατά το Κρητιδικό-Τριτογενές και την επακόλουθη επικάλυψη από εφελκυστικές διεργασίες, οι οποίες διαμόρφωσαν το χώρο του Αιγαίου. Τα υψηλού βαθμού μεταμορφωμένα πετρώματα έχουν επηρεαστεί από εφελκυστικές διεργασίες, αποκρύπτοντας τη συν-ορογενική ιστορία τους κατά το στάδιο της υποβύθισης, η οποία είναι απαραίτητη για την κατανόηση της διαμόρφωσης του ευρύτερου Αττικού-Κυκλαδικού χώρου.Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στις νοτιοανατολικές Κυκλάδες της περιοχής του Αιγαίου. Οι επιτόπιες παρατηρήσεις και οι τεκτονικές αναλύσεις- μετρήσεις σε συνδυασμό με νέες εργαστηριακές τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της παραμόρφωσης και εκταφής των χαμηλού βαθμού μεταμορφωμένων πετρωμάτων της νήσου Αμοργού. Τα νέα ευρήματα συγκρίθηκαν περαιτέρω με το γειτονικό νησί της Ηράκλειας για να κατανοηθούν καλύτερα οι μηχανισμοί εκταφής και η διαφορετική τεκτονομεταμορφική εξέλιξη των υποβυθιζόμενων πετρωμάτων που έχουν εκταφεί.Στο Κεφάλαιο ΙΙ παρουσιάζεται μια νέα λιθοστρωματογραφική διάρθρωση της Ενότητας Αμοργού και προτείνεται μια νέα παλαιογεωγραφική θέση. Με βάση τις πλευρικές διαφοροποιήσεις των ιζηματογενών φάσεων, η Ενότητα Αμοργού υποδιαιρείται σε τρεις στρωματογραφικές στήλες, οι οποίες αντιπροσωπεύουν το βορειοανατολικό, κεντρικό και νοτιοδυτικό τμήμα του νησιού, αντίστοιχα. Επιπλέον, συζητείται εν συντομία η τεκτονική εξέλιξη και προτείνεται μια διαφορετική θέση εντός του οπίσθιου πρίσματος του ορογενετικού τόξου (retro-wedge setting), η οποία σχετίζεται με φορά κίνησης προς τα ΒΔ κατά τη πρώιμη συν-μεταμορφική παραμορφωτική φάση. Τα αποτελέσματα των ραδιοχρονολογήσεων U-Pb και (U-Th)/He σε ζιρκόνια, περιγράφονται λεπτομερώς, παρέχοντας θεμελιώδεις γνώσεις για τις πηγές προέλευσης καθώς και την ηλικία της εκταφής των πετρωμάτων. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η Ενότητα της Αμοργού βρισκόταν παλαιογεωγραφικά στο νότιο περιθώριο της Πελαγονικής και τεκτονικά πάνω από τη Ενότητα των Κυανοσχιστολίθων των Κυκλάδων.Στο Κεφάλαιο ΙΙΙ, παρουσιάζουμε νέα τεκτονικά δεδομένα ενσωματώνοντας τα αποτελέσματά μας σε αυτά του Κεφαλαίου ΙΙ. Μια πολύπλοκη παραμορφωτική φάση πολλαπλών σταδίων περιγράφεται, η οποία εξελίσσεται από μια συνεχή συν-ορογενετική συμπιεστική φάση κατά τη διάρκεια του Ανώτατου Ηωκαίνου-Ολιγόκαινου σε μια μετα-ορογενετική εφελκυστική φάση κατά τη διάρκεια του Κάτω- Μέσου Μειοκαίνου. Προτείνεται ένα εναλλακτικό τεκτονικό μοντέλο για την τεκτονική εξέλιξη της Αμοργού που περιλαμβάνει μια ένδο-ηπειρωτική ζώνη υποβύθισης με φορά προς τα ΝΑ, η οποία πολύ πιθανόν αναπτύχθηκε στο οπίσθιο πρίσμα της ζώνης υποβύθισης του Ανώτερου Ηωκαινίου-Ολιγόκαινου. Με βάση τα αποτελέσματά μας, παρουσιάζεται ένα σύνθετο ορογενές κατά τη φάση της σύγκρουσης του Ανώτερου Ηωκαινίου- Ολιγόκαινου. Τα ρήγματα αποκόλλησης επηρέασαν τη Ενότητα της Αμοργού με φορά κίνησης προς τα ΝΑ κατά τη φάση εφελκυσμού του Κάτω-Μέσου Μειόκαινου, που σχετίζεται με το Σύστημα Αποκόλλησης της Σαντορίνης.Το Κεφάλαιο IV παρουσιάζει την τεκτονική ανάλυση των πετρωμάτων της Ενότητας των Κυανοσχιστολίθων της νήσου Ηρακλειά σε συνδυασμό με ραδιοχρονολογικά δεδομένα U-Pb σε ζιρκόνια. Με βάση τις πηγές προέλευσης των σχιστόλιθων, γίνεται αναθεώρηση της στρωματογραφίας της Ηράκλειας και περιγράφονται τα διακριτά γεωδυναμικά περιβάλλοντα. Η τεκτονική εξέλιξη της Ηράκλειας αποκάλυψε το στάδιο της οπισθοδρόμησης/αποσυμπίεσης κατά την εκταφή. Μια ζώνη διάτμησης εντός της Ενότητας των Κυανοσχιστολίθων διακρίνεται με φορά κίνησης προς Β που σχετίζεται με το Σύστημα Αποκόλλησης Πάρου-Νάξου. Υπολείμματα της προοδευτικής πορείας έχουν διατηρηθεί ως εγκλείσματα των μπλε αμφίβολων μέσα σε άστριους. Οι ραδιοχρονολογικές μεταμορφικές ηλικίες U-Pb στα ζιρκόνια υποδεικνύουν ένα πρώιμο μεταμορφικό γεγονός υψηλής πίεσης που σχετίζεται με την ζώνη υποβύθισης κατά το Ηώκαινο, χαρακτηριστικό για τα πετρώματα της Κυανοσχιστολιθικής Ενότητας που τεκμηριώνονται στα γειτονικά νησιά.