Η Αλπική τεκτονική των Νοτίων Κυκλάδων

Abstract

The present dissertation investigates the deformational, kinematic, and tectono-metamorphic evolution of the rocks of the Attico–Cycladic Massif (ACM) exposed in the Southern Cyclades (islands of Ios and Sikinos) during the Alpine Orogeny. In this region, the ACM is subdivided into two high-pressure metamorphic units: the Cycladic Blueschist Unit (CBU) and the Cycladic Basement (CB). The aim of this study is to examine the origin of the opposite shear senses observed in the study area, to assess the distribution of strain, and to propose a new geodynamic model for the Alpine tectonic evolution of the Southern Cyclades that incorporates the results of the structural analysis. Within this framework, mesoscopic and microscopic structural–kinematic analyses were conducted, along with detailed examination of deformation microstructures in various minerals (quartz, calcite, and feldspar). Additionally, the preferred orientation of crystallographic c-axes, as well as the shape-preferred orientation of recrystallized quartz and calcite grains, were documented and analyzed. Grain-size analysis and piezometric estimates based on recrystallized quartz and calcite were also carried out. Finally, the kinematic vorticity number was estimated for the rocks of both units.In the study area, tectonic structures were identified and classified into five distinct deformation phases. The oldest phase (DH) is preserved exclusively within the CB. DH is associated with deformation that occurred under amphibolite-facies metamorphic conditions during the Variscan/Hercynian Orogeny in the Permian period. The rocks of the CB entered the Alpine Paleocene subduction channel while preserving the structural imprint of the DH deformation phase. During the Middle Eocene, the first Alpine deformation phase (DA1) occurred under blueschist- to eclogite-facies metamorphic conditions. The DA1 phase affected exclusively the CBU and is associated with subduction-related deformation and the development of foliation. This phase possibly did not affect the rocks of the CB. The subsequent deformation phase (DA2Early) is linked to the early exhumation of the CBU under eclogite- to blueschist-facies conditions, as well as to the final stages of subduction of the CB under eclogite-facies conditions. The pervasive isoclinal folding of this phase resulted in the formation of the main foliation, developed parallel to the axial planes of folds, and a N–S-trending mineral stretching lineation oriented (sub)parallel to the fold axes. The occurrence of calcite pseudomorphs after aragonite, together with randomly oriented coarse-grained blue amphibole in the rocks of the CBU, indicates a period of deformation quiescence under blueschist-facies conditions. This period for the Southern Cyclades most likely coincides with the end of the Eocene.This period was followed, during the Late Eocene, by the reactivation of pre-existing tectonic structures under blueschist-facies conditions, marking the initial stages of the DA2Late deformation phase. This phase is expressed by the development of a S-directed shear zone along the contact between the two units. This shear zone is associated with the early exhumation of the CB under eclogite- to blueschist-facies conditions, as indicated by dynamic recrystallization of quartz through GBM/SGR to SGR. In addition, top-to-the-S sense of shear is also recorded at the lower structural levels of the CBU expressed by the recrystallization of calcite pseudomorphs through SGR. The top-to-the-S shearing is related to general shear with high simple-shear component near the contact (Wn = 0.5–1), under differential stresses (quartz piezometry) of approximately 21–23 MPa.The overall dataset suggests that the DA2Late deformation phase continued through distributed deformation associated with N-directed shearing, affecting the entire rock pile of the Southern Cyclades between the Late Eocene and Early Miocene. This deformation developed parallel to the main foliation and resulted in the reversal of shearing from S- to N-directed. This distributed deformation is not associated with the development of any major shear zone, while it is attributed to the main exhumation of the rocks from blueschist- to greenschist-facies conditions, as indicated by grain-size reduction of quartz and calcite through dynamic recrystallization via SGR. Top-to-the-N shearing is predominantly characterized by general shear (Wn = 0.56–0.85) and locally by simple shear (Wn = 0.79–1). Quartz piezometry yielded differential stresses of 17–32 MPa. The final stages of DA2Late deformation are related to the exhumation of the Southern Cyclades to the upper crustal levels at greenschist-facies conditions during the Miocene. During this period, bands of fine-grained recrystallized calcite developed parallel to the foliation at specific structural levels of the rock pile due to strain localization. These final stages of DA2Late operated under differential stresses of ~26 MPa for calcite and continued at >64 MPa, leading to local dynamic recrystallization through BLG.The subsequent DA3 deformation phase occurred during post-orogenic exhumation, at the ductile to brittle transition. This phase is characterized by the development of semi-brittle normal faults crosscutting the main mesoscopic foliation at high angles and indicating top-to-the-N shear sense. During the same period, local upright open folds and crenulations formed, likely related to the development of the metamorphic core complex of the Southern Cyclades. The final deformation phase, DA4, is associated with the development of brittle normal faults. The development of opposite shear senses in the Southern Cyclades occurred parallel to the main foliation plane. Their origin is related to a reversal in shear sense – from initially top-to-the-S to subsequently top-to-the-N – during the main ductile deformation phase. This reversal is considered to have occurred synchronously with the change in the distribution of deformation from localized to distributed. This deformational and kinematic evolution was associated with the early ductile exhumation of the Southern Cyclades through a composite N-directed ductile extrusion. Specifically, the localized top-to-the-S shearing likely corresponds to the roof of an internal northward ductile extrusion of the CB. This shearing is attributed to the higher extrusion rate of the CB relative to the CBU, and as a result, the contact between the two units operated as a passive roof detachment fault under blueschist-facies conditions. In contrast, top-to-the-N shearing is associated with the main exhumation of both units from blueschist- to greenschist-facies conditions. This shearing occurred after the tectonic emplacement of the CB beneath the CBU and the downward migration of the basal thrust of the subduction channel to lower crustal levels. Consequently, both units were exhumed as a coherent body through northward ductile extrusion.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται την παραμορφωτική, κινηματική και τεκτονο-μεταμορφική εξέλιξη των πετρωμάτων της Αττικό-Κυκλαδικής Μάζας που εμφανίζονται στην περιοχή των Νοτίων Κυκλάδων (νησιά Ίου και Σικίνου) κατά την Αλπική Ορογένεση. Στην περιοχή αυτή, η Αττικό-Κυκλαδική Μάζα διαχωρίζεται σε δυο μεταμορφωμένες ενότητες υψηλών πιέσεων: την Ενότητα Κυανοσχιστολίθων και το Κυκλαδικό Υπόβαθρο. Σκοπός της διατριβής είναι η διερεύνηση της προέλευσης των αντίθετων κινηματικών δεικτών, οι οποίοι απαντώνται στην περιοχή μελέτης, καθώς και της κατανομής της παραμόρφωσης, και η πρόταση ενός νέου γεωδυναμικού μοντέλου για την Αλπική τεκτονική εξέλιξη των Νοτίων Κυκλάδων που να ενσωματώνει τα αποτελέσματα της τεκτονικής ανάλυσης. Στο πλαίσιο αυτό πραγματοποιήθηκε μεσοσκοπική και μικροσκοπική τεκτονική-κινηματική ανάλυση καθώς και ανάλυση των μικροδομών παραμόρφωσης διάφορων ορυκτών (χαλαζίας, ασβεστίτης και αλκαλικός άστριος). Παράλληλα, καταγράφηκε και αναλύθηκε ο προτιμητέος προσανατολισμός των κρυσταλλογραφικών c-αξόνων, καθώς και του σχήματος ανακρυσταλλωμένων κόκκων χαλαζία και ασβεστίτη. Επίσης, πραγματοποιήθηκε ανάλυση κοκκομετρικού μεγέθους καθώς και πιεζομετρική ανάλυση ανακρυσταλλωμένων κόκκων χαλαζία και ασβεστίτη. Τέλος, έγινε εκτίμηση του κινηματικού αριθμού στροβίλισης στα πετρώματα των δυο ενοτήτων.Στην περιοχή εντοπίστηκαν τεκτονικές δομές, οι οποίες εντάχθηκαν σε πέντε διακριτές φάσεις παραμόρφωσης. H παλαιότερη φάση (DH) διατηρείται αποκλειστικά εντός του Κυκλαδικού Υποβάθρου. Η DH σχετίζεται με την παραμόρφωση που έλαβε χώρα υπό συνθήκες αμφιβολιτικής φάσης μεταμόρφωσης κατά τη Βαρυσκική/Ερκύνια Ορογένεση την περίοδο του Περμίου. Τα πετρώματα του Κυκλαδικού Υποβάθρου εισήλθαν στο κανάλι της Αλπικής καταβύθισης του Παλαιοκαίνου διατηρώντας τις δομές της DH. Κατά το Μέσο Ηώκαινο έλαβε χώρα σε συνθήκες κυανοσχιστολιθικής έως εκλογιτικής φάσης μεταμόρφωσης η πρώτη Αλπικής ηλικίας παραμόρφωση (DA1). Η DA1 φάση επηρέασε αποκλειστικά την Ενότητα Κυανοσχιστολίθων και συνδέεται με την καταβύθιση των πετρωμάτων και τον σχηματισμό φολίωσης. Η φάση αυτή πιθανότατα δεν επηρέασε τα πετρώματα του Κυκλαδικού Υποβάθρου. Η επακόλουθη φάση παραμόρφωσης (DA2Early) σχετίζεται με τον πρώιμο εκταφιασμό της Ενότητας Κυανοσχιστολίθων σε συνθήκες εκλογιτικής έως κυανοσχιστολιθικής φάσης μεταμόρφωσης, καθώς και με τα τελικά στάδια καταβύθισης του Κυκλαδικού Υποβάθρου σε συνθήκες εκλογιτικής φάσης μεταμόρφωσης. Η DA2Early πιθανότατα έλαβε χώρα κατά το Ανώτερο Ηώκαινο. Η εκτεταμένη ισοκλινής πτύχωση αυτής της φάσης είχε ως αποτέλεσμα το σχηματισμό της κύριας φολίωσης, η οποία αναπτύσσεται παράλληλα στα αξονικά επίπεδα πτυχών, καθώς και της κρυσταλλικής γράμμωσης έκτασης με διεύθυνση Β-Ν, η οποία διευθύνεται (υπο)παράλληλα στους άξονες των πτυχών αυτών. Η παρουσία ψευδόμορφων κρυστάλλων ασβεστίτη κατά αραγωνίτη, καθώς και αδροκρυσταλλικής μπλε αμφιβόλου δίχως προτιμητέο προσανατολισμό στα πετρώματα της Ενότητας Κυανοσχιστολίθων υποδηλώνει μια περίοδο παύσης της παραμόρφωσης σε συνθήκες κυανοσχιστολιθικής φάσης μεταμόρφωσης. Η περίοδος αυτή για την περιοχή των Νοτίων Κυκλάδων πιθανότατα συμπίπτει με το τέλος του Ηωκαίνου. Την περίοδο αυτή ακολούθησε η επαναλειτουργία των προηγούμενων τεκτονικών δομών, κατά το Ανώτερο Ηώκαινο, σε συνθήκες κυανοσχιστολιθικής φάσης μεταμόρφωσης, η οποία συμπίπτει με τα αρχικά στάδια λειτουργίας της DA2Late φάσης παραμόρφωσης. Η φάση αυτή εκφράζεται μέσω του σχηματισμού μιας ζώνης διάτμησης με κίνηση προς τον νότο κατά μήκος της επαφής μεταξύ των δύο ενοτήτων. Αυτή η ζώνη διάτμησης σχετίζεται με τον πρώιμο εκταφιασμό του Κυκλαδικού Υποβάθρου, ο οποίος έλαβε χώρα υπό συνθήκες εκλογιτικής έως κυανοσχιστολιθικής φάσης μεταμόρφωσης όπως υποδεικνύεται από τη δυναμική ανακρυστάλλωση του χαλαζία μέσω GBM/SGR έως SGR. Παράλληλα, η κίνηση προς τον νότο καταγράφεται και στα κατώτερα δομικά επίπεδα της Ενότητας Κυανοσχιστολίθων μέσω της ανακρυστάλλωσης με SGR των ψευδόμορφων ασβεστίτη. Η κίνηση προς τον νότο συνδέεται με επίπεδη παραμόρφωσης που περιλάμβανε υψηλά ποσοστά απλής διάτμησης κοντά στην επαφή (Wn=0,5–1), υπό διαφορικές τάσεις (ανάλυση χαλαζία) της τάξης των 21-23 MPa.Το σύνολο των στοιχείων υποδηλώνουν ότι η DA2Late φάση παραμόρφωσης συνεχίστηκε μέσω κατανεμημένης παραμόρφωσης με κίνηση προς τον βορρά, η οποία επηρέασε το σύνολο των πετρωμάτων των Νοτίων Κυκλάδων κατά το διάστημα μεταξύ Ανώτερου Ηωκαίνου-Κατώτερου Μειοκαίνου. Η παραμόρφωση αυτή έλαβε χώρα παράλληλα στην κύρια φολίωση προκαλώντας αντιστροφή στην κατεύθυνση κίνησης από νότο προς βορρά. Η διάχυτη αυτή παραμόρφωση δε συνδέεται με ανάπτυξη κάποιας κύριας ζώνης διάτμησης και αποδίδεται στον κύριο εκταφιασμό των πετρωμάτων από συνθήκες κυανοσχιστολιθικής έως πρασινοσχιστολιθικής φάσης μεταμόρφωσης, όπως υποδεικνύει η μείωση του κοκκομετρικού μεγέθους του χαλαζία και ασβεστίτη μέσω δυναμικής ανακρυστάλλωσης υπό συνθήκες SGR. Η κίνηση προς το βορρά χαρακτηρίζεται κυρίως από επίπεδη παραμόρφωση με γενική (Wn=0,56–0,85) και τοπικά απλή διάτμηση (Wn=0,79–1). Η πιεζομετρική ανάλυση του χαλαζία έδειξε διαφορικές τάσεις 17–32 MPa. Τα τελικά στάδια της παραμόρφωσης DA2Late σχετίζονται με τον εκταφιασμό των Νοτίων Κυκλάδων κοντά στον ανώτερο φλοιό σε συνθήκες πρασινοσχιστολιθικής φάσης μεταμόρφωσης την περίοδο του Μειοκαίνου. Κατά την περίοδο αυτή, αναπτύχθηκαν ορίζοντες λεπτοκρυσταλλικού ανακρυσταλλωμένου ασβεστίτη παράλληλα στη φολίωση σε συγκεκριμένα δομικά επίπεδα της ακολουθίας λόγω συγκέντρωσης της παραμόρφωσης. Τα τελικά στάδια της DA2Late παραμόρφωσης λειτούργησαν υπό διαφορικές τάσεις του ασβεστίτη ~26 MPa και συνεχίστηκαν σε >64 MPa, οδηγώντας σε τοπική δυναμική ανακρυστάλλωση μέσω BLG.Η επακόλουθη DA3 φάση παραμόρφωσης συνέβη κατά τον μετα-ορογενετικό εκταφιασμό, στη μετάβαση από πλαστικές σε θραυσιγενείς συνθήκες στα τέλη του Μειοκαίνου. Η φάση αυτή χαρακτηρίζεται από την ανάπτυξη ημι-θραυσιγενών κανονικών επιφανειών, οι οποίες τέμνουν την κύρια μεσοσκοπική φολίωση σε μεγάλες γωνίες και φανερώνουν κίνηση προς τον βορρά. Την ίδια περίοδο σχηματίστηκαν τοπικά όρθιες, ανοιχτές πτυχές και ρυτιδώσεις, οι οποίες πιθανότατα σχετίζονται με τη διαμόρφωση του μεταμορφικού συμπλέγματος πυρήνα των Νοτίων Κυκλάδων. Η τελική παραμορφωτική φάση DA4 συνδέεται με την ανάπτυξη κανονικών θραυσιγενών ρηγμάτων, τα οποία διαμορφώθηκαν κατά τη νεοτεκτονική εξέλιξη των Νοτίων Κυκλάδων. Η ανάπτυξη των αντίθετων κινήσεων στην περιοχή των Νοτίων Κυκλάδων έγινε παράλληλα στο επίπεδο της κύριας φολίωσης. Η προέλευση των κινήσεων αυτών σχετίζεται με αντιστροφή στη φορά της κίνησης – αρχικά προς τον νότο και έπειτα προς τον βορρά – κατά τη διάρκεια της κύριας φάσης πλαστικής παραμόρφωσης DA2Late. Αυτή η αντιστροφή θεωρείται ότι έγινε σύγχρονα με τη μεταβολή στην κατανομή της παραμόρφωσης από εντοπισμένη σε κατανεμημένη. Αυτή η παραμορφωτική και κινηματική εξέλιξη συνδέθηκε με τον πρώιμο εκταφιασμό σε πλαστικές συνθήκες των πετρωμάτων των Νοτίων Κυκλάδων μέσω μιας σύνθετης πλαστικής διαφυγής προς το βορρά. Ειδικότερα, η εντοπισμένη κίνηση προς τον νότο πιθανώς αντιστοιχεί στην οροφή μιας εσωτερικής πλαστικής διαφυγής του Κυκλαδικού Υποβάθρου προς το βορρά. Η κίνηση αυτή αποδίδεται στη μεγαλύτερη ταχύτητα διαφυγής του Κυκλαδικού Υποβάθρου συγκριτικά με την Ενότητα Κυανοσχιστολίθων, που είχε ως αποτέλεσμα τη λειτουργία της επαφής μεταξύ των δυο ενοτήτων ως παθητικό ρήγμα αποκόλλησης οροφής υπό συνθήκες κυανοσχιστολιθικής φάσης μεταμόρφωσης. Αντίθετα, η κίνηση προς τον βορρά σχετίζεται με τον κύριο εκταφιασμό των πετρωμάτων και των δυο ενοτήτων από συνθήκες κυανοσχιστολιθικής έως πρασινοσχιστολιθικής φάσης μεταμόρφωσης. Η κίνηση αυτή έλαβε χώρα μετά την τεκτονική τοποθέτηση του Κυκλαδικού Υποβάθρου κάτω από την Ενότητα Κυανοσχιστολίθων και τη μετανάστευση της επώθησης βάσης του καναλιού σε κατώτερα φλοιικά επίπεδα. Ως εκ τούτου, οι δυο ενότητες εκταφιάστηκαν μέσω πλαστικής διαφυγής προς το βορρά, αποτελώντας ένα ενιαίο σώμα.