Ανάλυση της παραμόρφωσης και κινηματική της πελαγονικής ζώνης στη Βόρεια Ελλάδα

Abstract

The present thesis investigates the deformation and kinematics of the Pelagonian nappe in Northern Greece and particularly the western part of the Voras mountainous area. At its lower structural levels, the western part of the Voras Mountain is composed of the crystalline series of the eastern Pelagonian nappe, as well as the overlain Triassic-Jurassic carbonate series. The upper structural levels of the western Voras mountain consist of metamorphic crystalline rocks, ophiolites and the transgressive Upper Jurassic-Lower Cretaceous low grade metamorphic series of the western Axios zone (Almopias Subzone), forming a complicate thrust sheet structure. From East to West and from top to bottom, this structure is distinguished into the Garefi Unit, the Anna Unit and the Loutra Aridaia Unit. These units together with the transgressive Upper Cretaceous limestones overthrust the eastern Pelagonian margin. Geological mapping, structural analysis and tectonic-metamoprhism relationships associated with the existing isotopic and stratigraphic data from the northern part of the Pelagonian nappe and the neighboring units of the western Axios zone, allowed us to reconstruct the geometry, kinematic and evolutionary history of the deformation and metamorphism of the Pelagonian nappe during the Alpine orogeny. We distinguished seven deformational events (D1 to D7), affected the study area. The first, almost relictic, D1-deformation took place in ductile conditions, during the Mid-Late Jurassic. It is related with an intra-oceanic subduction in the Axios Ocean (=Neotethys), and subsequently with a towards-NW to WNW obduction of the Axios-ophiolites on the eastern Pelagonian margin. Intense thrusting, nappe stacking and crustal overthickening took place simultaneously with D1-event. Furthermore, syn-D1 M1-metamorphism from top to bottom in the greenshist- to amphibolite facies conditions (M1: T=450-6000C, P=6,3-12 Kb) affected the Pelagonian units. A possible remnant high pressure metamorphism, relatively older than the M1 (>150 Ma), is also recognized in the Pelagonian basement. The transgressive Upper Jurassic-Lower Cretaceous clastic sediments and shallow water limestones on the top of the obducted ophiolitic rocks and mélanges are possibly related with local extension and basin subsidence during the D1, ca. simultaneously with the nappe stacking and metamorphism at the structurally lower Pelagonian crustal levels. Ductile D2-deformation continued during Aptian-Albian time associated with intense retrogression under greenschist facies conditions (M2 metamorphism: T=330-4400C, P=3-5 Kb) and new nappe stacking. The main tectonic movement during D2 has been recognized towards-NW to WNW but also towards-SE to ESE. In the metamorphic rocks of the Axios zone (e.g. Anna Unit), a SW-ward sense of movement during D2 dominates. A transpressional tectonic deformation during the D2-event could explain the simultaneous development of these perpendicular movement directions of the nappe transport, possibly due to an oblique plate convergence.Low angle discrete mylonitic shear zones (D3-event) with normal sense of movement, mainly towards NE, took place during the Late Cretaceous, possibly associated with basins subsidence and deposition of the Upper Cretaceous neritic limestones and Paleocene flysch.Intense imbrication and kink folding affected all tectonic units during the Paleocene-Eocene with a main vergence towards-SW (D4-deformation). Towards-NE buckthrusts are also recognized in a few cases. Simultaneously with the D4-event, the A-type subduction and the evolution of the Paleocene-Eocene HP zone of the Hellenides took place more western towards the foreland and at the deeper Pelagonian levels. At the late action stages of the D4-contraction, low angle normal to normal oblique semibrittle shear zones (D5-event) developed progressively, also related to a main top to SE sense of movement and tectonic denudation. During the Oligocene-Miocene semibrittle to brittle low angle normal shear zones were developed (D6-deformation), causing a towards-SW and NE tectonic collapse and crustal escape of the previous overthickening crust and nappe pile. Thick clastites or ultraclastites formations were commonly developed along the D5 and D6 shear zones and their shear planes.From Miocene until today, high angle normal and strike-slip faults were formed. They are the younger brittle structures (D7-event) recognized in the study area, overprinting all previous structures and rocks units and are related to the creation of the Neogene depressions, as well as the final crustal uplift. Some of these great faults remain active until today. Furthermore, our attempt was also focused in the study of the Ercynian granitoids (~300 Ma), intruded often into the Paleozoic or older Pelagonian crystalline basement. The Ercynian granitoids are composed of hornblende-biotite granodiorites to granites (Hb)BtGrd, biotite granites (BtGr), monzonitic to monzodioritic mafic enclaves (MME) and leucogranites (LGr). Based on the field observations, the mineralogical composition and the geochemistry of the rock types, a two-stage process of the formation of MME, (Hb)BtGrd and BtGr is suggested. In the first stage, a basic magma of mantle origin and composition similar to the more basic MME underwent fractional crystallization and simultaneously was mixed with an acid magma of crustal origin and composition similar to the most acid BtGr. This mixing-fractional crystallization process had low rate of fractional crystallization (r), due to the difference in composition and viscosity of the two magmas. It resulted in the formation of the most basic (Hb)BtGrd. In the second stage, the produced magma was fractionated and mixed with the afore mentioned crustal magma, but with higher r giving the (Hb)BtGrd and BtGr. The LGr followed a different evolutionary history forming a separate intrusion. Crystallization pressures range from 2,5 to 3,6 Kb for the MME and 2,1 to 3 Kb for the (Hb)BtGrd, while the crystallization temperatures range from 719 to 795oC for the MME, 708 to 815oC for the (Hb)BtGrd, 734 to 788oC for the BtGr and 665 to 699oC for the LGr. Finally, the granitoid rocks according to their geochemical composition and structural geometry, as well as isotopic age (~300 Ma), could be related to a Late Paleozoic volcanic arc geotectonic setting, associated with the subduction of the Paleotethys ocean beneath the Pelagonian continental fragment.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την παραμόρφωση και κινηματική της Πελαγονικής ζώνης στη βόρεια Ελλάδα και συγκεκριμένα στο δυτικό τμήμα της οροσειράς του Βόρα. Στα κατώτερα δομικά επίπεδα, το δυτικό τμήμα της οροσειράς του Βόρα, συγκροτείται από τις κρυσταλλοσχιστώδεις σειρές της ανατολικής Πελαγονικής ζώνης καθώς και από τις υπερκείμενες Τριαδικοϊουρασικές ανθρακικές σειρές. Τα ανώτερα δομικά επίπεδα της δυτικής οροσειράς του Βόρα συγκροτούνται από τις κρυσταλλοσχιστώδεις σειρές, τους οφιόλιθους, καθώς και από τις επικλυσιγενείς ημιμεταμορφωμένες σειρές του Άνω Ιουρασικού - Κάτω Κρητιδικού της δυτικής ζώνης του Αξιού (υποζώνη Αλμωπίας). Οι σειρές αυτές των πετρωμάτων συγκροτούν γεωλογικές ενότητες που τοποθετούνται μεταξύ τους με την μορφή τεκτονικών λεπίων, και από τα ανατολικά προς τα δυτικά και από πάνω προς τα κάτω διακρίνονται στην ενότητα Άνω Γαρέφι, ενότητα Άννας και ενότητα Λουτρών Αριδαίας. Οι ενότητες αυτές μαζί με τους σχηματισμούς του Άνω Κρητιδικού επικλυσιγενούς καλύμματος, το οποίο συμμετέχει και αυτό στην τελική λεπίωση, τοποθετούνται τεκτονικά πάνω στο ανατολικό Πελαγονικό κάλυμμα. Η γεωλογική και τεκτονική χαρτογράφηση, η ανάλυση και κινηματική της παραμόρφωσης καθώς και η σχέση τεκτονικής–μεταμόρφωσης σε συνδυασμό με τα υπάρχοντα γεωχρονολογικά και στρωματογραφικά δεδομένα, στο βόρειο τμήμα του Πελαγονικού υποβάθρου και των παρακείμενων ιζηματογενών και μεταμορφωμένων ακολουθιών της ζώνης του Αξιού στην ευρύτερη περιοχή έρευνας (βορειοδυτική Ελλάδα και Π.Γ.Δ.Μ.) μας επέτρεψε να ανασυνθέσουμε τη γεωμετρία, κινηματική και την ιστορία της παραμόρφωσης–μεταμόρφωσης του Πελαγονικού καλύμματος κατά τη διάρκεια της Αλπικής ορογένεσης. Έτσι λοιπόν, αναγνωρίσαμε επτά παραμορφωτικά γεγονότα (D1 έως D7). Η πρώτη, σχεδόν υπολειμματική D1 παραμόρφωση έλαβε χώρα σε πλαστικές συνθήκες παραμόρφωσης, ξεκίνησε στο Μέσο έως Άνω Ιουρασικό και συνδέεται με τις ενδο-ωκεάνιες επωθήσεις που συμβαίνουν στον δυτικό ωκεανό του Αξιού (Νεοτηθύς), την προς ΒΔ έως ΔΝΔ επώθηση των οφιολίθων και των οφιολιθικών μειγμάτων (δημιουργία τεκτονικού mélange) πάνω στα πετρώματα των Πελαγονικών ενοτήτων με ταυτόχρονη συσσώρευση καλυμμάτων και πάχυνση του φλοιού. Τα πετρώματα της ανατολικής Πελαγονικής ζώνης μεταμορφώνονται στην άνω πρασινοσχιστολιθική έως αμφιβολιτική φάση (Μ1: T=450-600°C, P=6,3-12,8kb). Επίσης, αναγνωρίστηκε και μια πιθανή, τελείως υπολειμματική μεταμόρφωση υψηλής πίεσης σχετικά παλαιότερη από την M1 μεταμόρφωση. Τα επικλυσιγενή κλαστικά ιζήματα και οι ασβεστόλιθοι ρηχής θάλασσας του Άνω Ιουρασικού έως Κάτω Κρητιδικού που υπέρκεινται των επωθημένων οφιολίθων, ενδεχομένως να συνδέονται με μια έκταση και τη δημιουργία λεκανών στα ανώτερα τμήματα των συσσωρευμένων καλυμμάτων, ταυτόχρονα με τον σχηματισμό και την μεταμόρφωση των κατωτέρων τεκτονικών Πελαγονικών καλυμμάτων. Πλαστική D2 παραμόρφωση συνεχίστηκε και κατά την διάρκεια του Άπτιου - Άλβιου με έντονη ανάδρομη παραμόρφωση και μεταμόρφωση (Μ2: T= 330-440°C, P=3-5kb). Η μεταφορά των τεκτονικών καλυμμάτων στα κατώτερα δομικά επίπεδα γινόταν κυρίως προς τα ΝΑ αλλά και προς τα ΒΔ, ενώ στα ανώτερα δομικά επίπεδα προς τα ΝΔ, σε ένα διασυμπιεστικό περιβάλλον παραμόρφωσης (transpression), όπως φαίνεται από την ταυτόχρονη ανάπτυξη δύο διευθύνσεων τεκτονικής μεταφοράς (ΒΔ-ΝΑ και ΒΑ-ΝΔ) των καλυμμάτων κατά την διάρκεια εξέλιξης του D2 τεκτονικού γεγονότος, αποτέλεσμα μίας ενδεχόμενης πλάγιας σύγκλισης των λιθοσφαιρικών πλακών την περίοδο αυτή.Μικρής γωνίας μυλονιτικές ζώνες διάτμησης χαμηλού βαθμού μεταμόρφωσης με φορά κίνησης προς ΒΑ (D3), αναπτύχθηκαν κατά την διάρκεια της Άνω Κρητιδικής περιόδου, ταυτόχρονα με τον σχηματισμό λεκανών και την ιζηματογένεση των νηριτικών ασβεστόλιθων του Άνω Κρητιδικού και του Μεστρίχτιου έως Παλαιόκαινου φλύσχη. Έντονη λεπίωση κάτω από ημιθραυσιγενείς συνθήκες παραμόρφωσης του συνόλου των τεκτονικών ενοτήτων, εξελίσσεται κατά τη διάρκεια του Παλαιοκαίνου έως το Ηώκαινο με ΝΔ φορά κίνησης (D4). Η σημερινή αντικλινική δομή της Πελαγονικκής ζώνης στην περιοχή έρευνας πιθανόν να είναι αποτέλεσμα της D4 συρρίκνωσης. Η D4 παραμόρφωση εξελίσσεται ταυτόχρονα με τη συνεχιζόμενη υποβύθιση ηπειρωτικού φλοιού κάτω από τα βαθύτερα τεκτονικά επίπεδα του Πελαγονικού καλύμματος προς την εμπροστοχώρα με την τελική ανάπτυξη της εσωτερικής ζώνης υψηλής πίεσης στην περιοχή της ανατολικής Θεσσαλίας, Εύβοιας και στις Κυκλάδες. Ταυτόχρονα με το τέλος της D4 συμπίεσης έως την έναρξη του επόμενου τεκτονικού γεγονότος, στην περιοχή έρευνας, αναπτύσσονται μικρής γωνίας κανονικές έως πλαγιοκανονικές ζώνες διάτμησης (D5 τεκτονικό γεγονός), ενδεχομένως συνδεδεμένες με τη διαφυγή μέρους των πετρωμάτων κυρίως προς τα ΝΑ, συνοδευόμενες από μία αρχική τεκτονική απογύμνωση του ορογενούς. Η τεκτονική συνεχίστηκε κατά τη διάρκεια του Ολιγοκαίνου έως το Κάτω Μειόκαινο (D6) στα υψηλότερα επίπεδα των καλυμμάτων της ανατολικής Πελαγονικής ζώνης και της ζώνης του Αξιού, κάτω από ημιεύθραστες έως εύθραυστες συνθήκες παραμόρφωσης κατά μήκος χαμηλής γωνίας κανονικών ζωνών διάτμησης, προκαλώντας την διαφυγή σημαντικού πάχους πετρωμάτων με ΒΑ και ΝΔ φορά κίνησης. Οι D6 όπως και D5 μικρής γωνίας διατμητικές ζώνες συνδέονται με κατακλαστικά και υπερκατακλαστικά φαινόμενα. Από το Μειόκαινο έως την σημερινή εποχή, μεγάλης γωνίας κανονικά ρήγματα έως πλάγιο-κανονικά ρήγματα (D7) φαίνεται να επηρεάζουν όλες τις τεκτονικές ενότητες και σειρές πετρωμάτων. Πρόκειται για ένα εκτατικό τεκτονικό γεγονός που είναι υπεύθυνο για τον σχηματισμό των Νεογενών λεκανών και το κατευθυντήριο για την ανοδική ιστορία της υπό έρευνα περιοχής.Επιπρόσθετα, στην παρούσα διατριβή, εξετάστηκαν και τα Ερκύνιας ηλικίας (300±3Ma) πλουτωνικά πετρώματα στην περιοχή του δυτικού Βόρα που διεισδύουν στο παλαιοζωικό υπόβαθρο της ανατολικής Πελαγονικής ζώνης. Αυτά συνίστανται από τέσσερις κύριους πετρογραφικούς τύπους: τους κεροστιλβικούς-βιοτιτικούς γρανοδιορίτες έως γρανίτες ((Hb)BtGrd) που μεταβαίνουν σε βιοτιτικούς γρανίτες (BtGr), περιέχουν μονζονιτικής έως μοντζοδιοριτικής σύστασης εγκλείσματα (ΜΜΕ), ενώ σπανίζουν οι ξενόλιθοι (ΧΕΝ) και διακόπτονται από τους λευκογρανίτες (LGr). Τα γεωλογικά, ορυκτολογικά και γεωχημικά στοιχεία δείχνουν ότι τα ΜΜΕ και οι (Hb)BtGrd + BtGr είναι αποτέλεσμα μίξης-κλασματικής κρυστάλλωσης δύο σταδίων, ενώ οι LGr δεν αποτελούν εξελιγμένο μάγμα, αλλά ξεχωριστή διείσδυση. Στο πρώτο στάδιο βασικό μάγμα μανδυακής προέλευσης, με σύσταση αντίστοιχη του βασικότερου από τα εγκλείσματα (ΜΜΕ), υπόκειται σε κλασματική κρυστάλλωση και ταυτόχρονα μειγνύεται με ένα όξινο μάγμα, πιθανά φλοιϊκής προέλευσης, σύστασης παρόμοιας του οξινότερου από τους BtGr. Ο ρυθμός μείξης προς τον ρυθμό κλασματικής κρυστάλλωσης (r) είναι χαμηλός λόγω της μεγάλης διαφοράς ιξώδους των δύο μαγμάτων με αποτέλεσμα τη δημιουργία των MME και των βασικότερων (Hb)BtGrd. Στο δεύτερο στάδιο τo μάγμα που προκύπτει υπόκειται σε διαδικασία κλασματικής κρυστάλλωσης και ταυτόχρονα μειγνύεται με το ίδιο όξινο φλοιϊκό μάγμα. Σε αυτή την περίπτωση ο ρυθμός μίξης προς τον ρυθμό κλασματικής κρυστάλλωσης (r) είναι υψηλότερος λόγο της μικρής διαφοράς ιξώδους των δύο μαγμάτων οδηγώντας στη δημιουργία της σειράς των (Hb)BtGrd και BtGr. Οι πιέσεις κρυστάλλωσης υπολογίστηκαν από 2,5 έως 3,6 Κb για τα ΜΜΕ και 2,1 έως 3Kb για τους ((Hb)BtGrd), ενώ οι θερμοκρασίες κρυστάλλωσης από 719 έως 795οC στα ΜΜΕ, από 708 έως 815οC στους ((Hb)BtGrd), από 734 έως 788οC στους BtGr και στους LGr από 665 έως 699 οC. Επειδή τα πλουτωνικά πετρώματα που διεισδύουν στο Πελαγονικό κρυσταλλοσχιστώδες ακολουθούν τη γενική τεκτονική δομή της περιοχής κατά τη διάρκεια εξέλιξης των αλπικών τεκτο-μεταμορφικών γεγονότων, μπορούμε να θεωρήσουμε ένα προ-κινηματικό ως προς την αλπική παραμόρφωση τεκτονο-μαγματικό γεγονός, Ερκύνιας ηλικίας, 300±3Ma, συσχετιζόμενο πιθανόν με γεωτεκτονικό περιβάλλον ηφαιστειακού τόξου κατά τη διάρκεια σύγκλισης των λιθοσφαιρικών πλακών.