Πετρολογική και ορυκτολογική μελέτη των μεταμορφωμένων πετρωμάτων που σχηματίζονται στην επαφή με τον πλουτωνίτη του Βαρνούντα (ΒΔ Μακεδονία)

Abstract

This doctoral dissertation investigates the contact between the Varnous pluton (NW Macedonia, Greece) and its surrounding metamorphic rocks. The pluton intrudes the lower structural levels of the metamorphic basement of the area, which is composed of metapelitic schists. These rocks exhibit a pronounced modification of both texture and mineralogical composition at their contact with the pluton. The main objectives of this study are to examine the mineral assemblages of the metamorphic rocks at the contact zone, to determine their conditions of formation, to clarify their relationship with the Varnous pluton, and to place them within the broader tectonic framework of the Pelagonian Zone. The Varnous pluton intruded the basement of the Pelagonian Zone prior to 297 Ma. The metapelitic basement rocks have undergone polymetamorphism, having been affected by contact metamorphism during pluton emplacement as well as by regional metamorphism during the stages of the Alpine orogeny. A combined methodological approach was applied for the petrographic and geochemical study of the samples, including the preparation of thin and polished sections, mineral chemical analyses (SEM-EDS), whole-rock geochemical analyses (XRF), as well as pressure–temperature estimations through thermodynamic modeling (Perple_X, TWQ) and the application of established geothermometers and geobarometers.Geochemical data indicate that samples representing regional metamorphic assemblages largely preserve compositions similar to that of the protolith, suggesting limited element mobility. In contrast, samples associated with contact metamorphism show enrichment in Fe and Ti, locally Mn, and depletion in Na and Ca. The distinction between high-temperature assemblages (e.g., Sil, And–Crd) and lower-temperature ones (e.g., Chl–Cld) confirms that the intensity of geochemical modifications is largely controlled by metamorphic conditions.The combined evaluation of mineralogical and thermodynamic data reveals a clear differentiation between the western and the eastern–southern parts of the study area. In the western part, metapelitic rocks in contact with the pluton correspond to cordierite–andalusite hornfelses, typical of contact metamorphism, formed under conditions of P = 0.5–3.5 kbar and T = 580–750°C. In contrast, the eastern and southern parts are characterized by paragneisses containing sillimanite, biotite, and garnet, formed under conditions of P = 3.2–8.2 kbar and T = 550–690°C. In total, later overprinting assemblages related to Alpine orogenic processes were identified. In the eastern part, a high-pressure, lower-temperature metamorphic phase (P=9.3–12.5 kbar, T=550–580 οC) is recorded, which is absent in the western part. Across the entire study area, three additional younger metamorphic events were recognized: (i) a medium-temperature, high-pressure event (T=600-620 οC, P=13–13.5 kbar), (ii) a low-temperature, high-pressure event (T=270–340οC, P=11.5–12.9 kbar), and (iii) a medium-temperature, low-pressure event (T=430–520 οC, P=0.8–2.8 kbar). The integration of these pressure–temperature conditions with existing tectonic data allows a relative timing of the metamorphic events. In the western part, the assemblage Crd+And+Bt+Grt+Qtz+Ms±Pl±Kfs, formed under P=0.5–3.5 kbar and T=580–750 οC, represents a typical contact aureole assemblage developed during emplacement of the pluton and is therefore dated at 297 Ma.The assemblage Qtz+mica (Ms–Ph)+St+Grt+Chl+Sil (fibrolite)±Pg, formed under P=9.3–12.5 kbar and T=550–580 οC, occurs only in the eastern and southern parts of the study area and is younger. Based on regional tectonic observations, these conditions correspond to the D1 tectonic event at 150–130 Ma, during which both the pluton and the surrounding metamorphic rocks were buried to greater depths due to the emplacement of ophiolites over the area.A second compressional tectonic event (D2), dated at 110–95 Ma, is documented across the wider Pelagonian Zone and is associated with nappe stacking and foliation development. This event is divided into two stages. During the first stage (D2i), intense compression led to the formation of mylonites in both plutonic and metamorphic rocks under conditions of P=13–13.5 kbar and T=600–620 οC, accompanied by the development of a strong foliation. Fibrolite and small garnet crystals formed during this stage. The second stage (D2ii) was characterized by lower stress conditions (P=11.5–12.9 kbar, T=270–340 οC), during which garnet crystals grew and developed zoning. Retrograde metamorphism affected all rocks of the area, with partial replacement of large garnet crystals by chlorite and of andalusite and cordierite by paragonite and margarite. Additionally, hornblende in the pluton was locally transformed into tremolite. The extensional tectonic event D3 occurred at 90–70 Ma under low-pressure, moderate-temperature conditions (P=0.8–2.8 kbar, T=430–520 οC). During this stage, the ophiolitic nappes and their associated sedimentary rocks collapsed toward the southwest. Large chloritoid and chlorite crystals with porphyroblastic textures developed, and widespread annealing features were observed, possibly related to a thermal event.The assemblage Sil+Bt+Grt+St+Qtz+Ms±Pl, observed exclusively in the eastern part and formed under conditions of P=3.2–8.2 kbar and T=550–690 οC, is interpreted as predating the intrusion of the pluton.Geobarometric estimates indicate higher pressures in the eastern part of the pluton compared to the western part, a pattern also observed in the surrounding metamorphic rocks. The D4 tectonic event (53–40 Ma) was strongly compressional and produced reverse faults trending ENE–WSW. These faults are considered responsible for the tilting and tectonic uplift of the pluton and its associated metamorphic rocks in the eastern part. As a result, deeper portions of the pluton and basement are exposed at higher structural levels, and in some cases the basement is thrust over the pluton.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ερευνά την επαφή του πλουτωνίτη του Βαρνούντα (ΒΔ Μακεδονία) με τα περιβάλλοντα μεταμορφωμένα πετρώματα. Ο πλουτωνίτης διεισδύει στα κατώτερα τμήματα των μεταμορφωμένων πετρωμάτων της περιοχής, το οποίο αποτελείται κυρίως από μεταπηλιτικούς σχιστολίθους. Τα πετρώματα αυτά εμφανίζουν σαφή μεταβολή της υφής και της ορυκτολογικής τους σύστασης στην επαφή τους με τον πλουτωνίτη. Στόχος της διατριβής είναι η διερεύνηση των ορυκτολογικών παραγενέσεων των μεταμορφωμένων πετρωμάτων στην περιοχή επαφής, ο προσδιορισμός των συνθηκών σχηματισμού τους, η αποσαφήνιση της σχέσης τους με τον πλουτωνίτη του Βαρνούντα, καθώς και η ένταξή τους στο ευρύτερο τεκτονικό πλαίσιο της Πελαγονικής ζώνης. Ο πλουτωνίτης του Βαρνούντα διείσδυσε στο υπόβαθρο της Πελαγονικής ζώνης πριν από ~297 Ma. Τα μεταπηλιτικά πετρώματα του υποβάθρου έχουν υποστεί πολυμεταμόρφωση, καθώς επηρεάστηκαν τόσο από θερμική μεταμόρφωση που σχετίζεται με τη διείσδυση του πλουτωνίτη, όσο και από περιοχική μεταμόρφωση κατά τα διάφορα στάδια της Αλπικής ορογένεσης. Για την πετρογραφική και γεωχημική μελέτη των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε συνδυασμένη προσέγγιση που περιλαμβάνει κατασκευή λεπτών και στιλπνών τομών, ορυκτοχημικές αναλύσεις (SEM-EDS), αναλύσεις ολικού πετρώματος (XRF), καθώς και υπολογισμούς συνθηκών πίεσης–θερμοκρασίας μέσω θερμοδυναμικής μοντελοποίησης (Perple_X, TWQ) και εφαρμογής γεωθερμομέτρων και γεωβαρομέτρων. Τα γεωχημικά δεδομένα δείχνουν ότι τα δείγματα τα οποία αντιπροσωπεύουν τις παραγενέσεις περιοχικής μεταμόρφωσης διατηρούν συστάσεις παρόμοιες με αυτές του πρωτόλιθου με περιορισμένη κινητικότητα, ενώ αυτά που αντιπροσωπεύουν την θερμική μεταμόρφωση δείχνουν εμπλουτισμό σε Fe, Ti και τοπικά Mn και ελάττωση σε Na και Ca. Η διαφοροποίηση μεταξύ παραγενέσεων υψηλών (Sil, And–Crd) και χαμηλότερων θερμοκρασιών (Chl–Cld) επιβεβαιώνει ότι η ένταση των γεωχημικών μεταβολών ελέγχεται σε σημαντικό βαθμό από τις συνθήκες μεταμόρφωσης. Η συνδυασμένη αξιολόγηση ορυκτολογικών και θερμοδυναμικών δεδομένων ανέδειξε σαφή διαφοροποίηση μεταξύ δυτικού και ανατολικού–νότιου τμήματος της περιοχής μελέτης. Στο δυτικό τμήμα, τα μεταπηλιτικά πετρώματα που βρίσκονται σε επαφή με τον πλουτωνίτη αντιστοιχούν σε κορδιεριτικoύς–ανδαλουσιτικούς κερατίτες, χαρακτηριστικούς θερμικής μεταμόρφωσης, με συνθήκες σχηματισμού P = 0,5–3,5 kbar και T = 580–750°C. Αντίθετα, στο ανατολικό και νότιο τμήμα αναπτύσσονται παραγνεύσιοι με σιλλιμανίτη, βιοτίτη και γρανάτη, υπό συνθήκες P = 3,2–8,2 kbar και T = 550–690°C. Τόσο στο δυτικό, όσο και στο ανατολικό και νότιο τμήμα, αναγνωρίστηκαν μεταγενέστερες παραγενέσεις που αποτυπώνονται πάνω στις προηγούμενες και συνδέονται με τις διαδικασίες της Αλπικής ορογένεσης. Στο ανατολικό τμήμα αποτυπώνεται μία μεταμορφική φάση υψηλής πίεσης και χαμηλότερης θερμοκρασίας P=9,3-12,5 kbar και Τ=550-580οC η οποία απουσιάζει από το δυτικό τμήμα. Στη συνέχεια εντοπίζονται τρία ακόμη, μεταγενέστερα μεταμορφικά γεγονότα, ένα μέσης θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης (Τ=600-620oC και P=13-13,5 kbar), ένα χαμηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης (T=270-340oC και P=11,5-12,9 kbar), καθώς και ένα μέσης θερμοκρασίας και χαμηλής πίεσης (T=430-520oC και P=0,8-2,8 kbar). Ο συνδυασμός των παραπάνω συνθηκών με τα δεδομένα που είναι γνωστά για την τεκτονική της περιοχής, μπορεί να δώσει μία σχετική χρονολόγηση για αυτά τα μεταμορφικά γεγονότα. Για το δυτικό τμήμα, η παραγένεση Crd+And+Bt+Gt+Qtz+Ms±Pl±Kfs με συνθήκες P=0,5-3,5 kbar και Τ=580-750οC αποτελεί μία τυπική παραγένεση που σχηματίζεται στην άλω επαφής του πλουτωνίτη με τα μεταπηλιτικά πετρώματα του υποβάθρου. Συνεπώς, αυτό το μεταμορφικό γεγονός χρονολογείται ταυτόχρονα με την διείσδυση του πλουτωνίτη στα 297 Ma.H παραγένεση Qtz+Mica(Ms-Ph)+St+Gt+Chl+Sil(Fi)±Pg με συνθήκες P=9,3-12,5 kbar και Τ=550-580οC εντοπίζεται μόνο στο ανατολικό και το νότιο τμήμα της περιοχής μελέτης και είναι μεταγενέστερη. Πράγματι, με βάση και τις παρατηρήσεις της τεκτονικής της ευρύτερης περιοχής οι συνθήκες ταυτίζονται με αυτές της D1 τεκτονικής στα 150-130 Ma. Κατά τη διάρκεια αυτού του τεκτονικού γεγονότος, τόσο ο πλουτωνίτης όσο και τα περιβάλλοντα μεταμορφωμένα πετρώματα βρέθηκαν σε μεγαλύτερο βάθος, εξαιτίας της επώθησης των οφειoλίθων πάνω από τα πετρώματα της περιοχής. Στα 110-95 Ma αναφέρεται η ύπαρξη ενός δεύτερου συμπιεστικού τεκτονικού γεγονότος D2, το οποίο στην ευρύτερη Πελαγονική ζώνη σχετίζεται με τη δημιουργία λεπιώσεων και την τοποθέτηση των καλυμμάτων της Πελαγονικής. Αυτό το τεκτονικό γεγονός μπορεί να διαιρεθεί σε δύο φάσεις. Στην πρώτη φάση (D2i) παρατηρείται έντονη συμπίεση, σχηματίζονται μυλωνίτες τόσο στο πλουτωνικό όσο και στα μεταμορφωμένα πετρώματα με συνθήκες P=13-13,5 kbar, T=600-620oC και τα πετρώματα αποκτούν έντονη σχιστότητα. Σε αυτή τη φάση σχηματίζεται ο φιμπρόλιθος και οι μικρού μεγέθους γρανάτες. Στη δεύτερη φάση (D2ii) οι συνθήκες είναι πιο ήπιες και οι συμπιεστικές τάσεις παύουν να ασκούνται. Οι συνθήκες που υπολογίστηκαν είναι P=11,5-12,9 kbar και T=270-340oC. Σε αυτό το στάδιο οι μικρού μεγέθους γρανάτες μεγαλώνουν σε μέγεθος και αποκτούν ζώνωση, ενώ παρατηρείται ανάδρομη μεταμόρφωση σε όλα τα πετρώματα της περιοχής, με μερική μετατροπή των μεγάλων κρυστάλλων γρανατών σε χλωρίτη και του ανδαλουσίτη και κορδιερίτη σε παραγονίτη και μαργαρίτη. Τέλος, η κεροστίλβη του πλουτωνίτη μετατρέπεται περιφερειακά σε τρεμολίτη.Στα 90-70 Ma λαμβάνει χώρα το εφελκυστικό τεκτονικό γεγονός D3, σε χαμηλές πιέσεις και μέτριες θερμοκρασίες (P=0,8-2,8 kbar, T=430-520oC). Σε αυτό το γεγονός τα οφειολιθικά καλύμματα, με τα συνοδά τους ιζηματογενή πετρώματα, καταρρέουν προς τα νοτιοδυτικά. Σε αυτή τη φάση αναπτύσσονται μεγαλύτεροι κρύσταλλοι χλωριτοειδούς και χλωρίτη με διαβλαστικό ιστό, ενώ σε όλα τα πετρώματα παρατηρούνται φαινόμενα ανόπτησης, η οποία πιθανόν να συνδέεται με κάποιο θερμικό γεγονός. Η παραγένεση Sil+Bt+Gt+St+Qtz+Ms±Pl που παρατηρείται μόνο στο ανατολικό τμήμα της περιοχής μελέτης, δίνει συνθήκες P=3,2-8,2kbar και Τ=550-690οC και θεωρείται ότι είναι προγενέστερη της διείσδυσης του πλουτωνίτη. Με βάση την πίεση του πλουτωνίτη, όπως αυτή υπολογίστηκε από την γεωβαρομετρία, προκύπτει ότι η πίεση στο ανατολικό τμήμα του είναι υψηλότερη από αυτήν στο δυτικό. Το ίδιο συμπέρασμα προκύπτει και για τα μεταμορφωμένα πετρώματα, με το ανατολικό τμήμα της περιοχής μελέτης να εμφανίζει υψηλότερες τιμές πίεσης από το δυτικό. Το D4 τεκτονικό γεγονός στα 53-40 Ma είναι έντονα συμπιεστικό και δημιουργεί ανάστροφα ρήγματα με φορά ΑΒΑ-ΔΝΔ. Αυτά τα ανάστροφα ρήγματα θεωρούνται υπεύθυνα για την περιστροφή (tilting) και τεκτονική ανύψωση του πλουτωνίτη και των συνοδών μεταμορφωμένων πετρωμάτων στο ανατολικό τμήμα. Ως αποτέλεσμα, τα βαθύτερα τμήματα του πλουτωνίτη και του υποβάθρου να εμφανίζονται σε υψηλότερες θέσεις από τις αρχικές, ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις το υπόβαθρο εμφανίζεται επωθημένο πάνω στον πλουτωνίτη.