Petrochronology and mineral chemistry of mid-crustal shear zones: new tools for tectonics and mineral exploration

Abstract

Dating ductile shear zones is daunting because we have to demonstrate either that the chronometer of choice grew during shear zone operation or that crystal-plastic deformation induced age resetting. By adopting a petrochronological approach in this project combining petrographic, geochemical, U-Pb isotopic, and quantitative microstructural data U-Pb isotopic dates are linked with certain shear zone processes. The study area is the South Range of the world-class Sudbury Impact Structure. Specifically, mylonitic shear zones at the Creighton Mine (South Range, Sudbury) show operation during three distinct orogenic events at ca. 1.75 Ga, 1.65 Ga, and 1.45 Ga. The age dating of texturally and geochemically characterised titanite grains from a shear zone exposed at the 5400 level of the Creighton Mine, indicates operation of the shear during the Mazatzalian – Labradorian orogeny (1.7 – 1.6 Ga). Meso-scale sulphide structures of mechanical remobilization, within the main body of the examined shear zone, show that this event facilitated the local-scale transfer of sulphides to satellite positions. Three age populations of ca. 1.75 Ga, 1.65 Ga, and 1.45 Ga are also prevalent in shear zones from deeper levels of the Creighton Mine. These age populations yield new insights into the orogenic history of the South Range and the Southern Province, and provide further constraints on the comparison of accretionary provinces of the North American Mid-continent and the Southwest United States. Taking in consideration the fluid-mediated and crystal-plasticity textural features in the examined titanite populations it is suggested that these dates record events of syndeformational fluid percolation.Within the 1.75 Ga textural population of titanite grains survived inclusions of inherited titanite grains with shock-metamorphic features. Microstructural and micro to nano-scale crosscutting relationships suggest that the shock wave during the 1.85 Ga impact event induced in these grains the growth of 75°/<010> and 108°/<010> shock microtwins. The nucleation of twins induced a work hardening effect that allowed their survival during their later polyorogenic reworking (1.75 to 1.45 Ga). U-Pb age dating of these grains yield accurately the age of impact (i.e. 1851 ± 12 Ma). In comparison, titanite grains from the Vredefort structure with identical crystallographic features show partial age resetting. The differential response is attributed to the different distance of the samples from the base of the impact melt sheet that was the dominant heat source.The ore-controlling character of the examined shear zones in the Sudbury mining camp can provide critical information about the exploration potential of these structures in metallogenetic settings. Preliminary mineral-chemical analysis, from major to trace element level, of fabric-forming silicates show distinct trends in the abundance of pathfinder elements (e.g. transition metals). Further, work that will collate the different datatasets using multivariable statistical methods will be pursued in order to untangle the vectoring potential of different elements.

Η χρονολόγηση πλαστικών ζωνών διάτμησης είναι μια διαδικασία με προκλήσεις επειδή πρέπει να αποδείξουμε είτε ότι το χρονόμετρο που επιλέξαμε αναπτύχθηκε είτε κατά την λειτουργία της ζώνης διάτμησης ή ότι η κρυσταλλοπλαστική παραμόρφωση προξένησε αναζωογόνηση της ηλικίας. Υιοθετώντας μια πετροχρονολογική προσέγγιση σε αυτή την εργασία συνδυάζοντας πετρογραφικά, γεωχημικά, U-Pb ισοτοπικά, και ποσοτικά δεδομένα μικροδομών οι ηλικίες U-Pb συνδέονται με συγκεκριμένες διαδικασίες ζωνών διάτμησης. Η περιοχή μελέτης είναι το νότιο περιθώριο της παγκοσμίου φήμης προσκρουσιγενής δομής του Sudbury. Συγκεκριμένα, μυλωνιτικές ζώνες διάτμησης από το μεταλλείο του Creighton (Νότιο περιθώριο, Sudbury) δείχνουν λειτουργία κατά την διάρκεια τριών ορογενετικών γεγονότων στα 1.75 Ga, 1.65 Ga, και 1.45 Ga. Η χρονολόγηση ιστολογικά και γεωχημικά χαρακτηρισμένων κόκκων τιτανίτη από μία ζώνη που εμφανίζεται στο 5400 επίπεδο του μεταλλείου του Creighton δείχνει λειτουργία κατά την διάρκεια της Mazatzalian - Labradorian ορογένεσης (1.7 - 1.6 Ga). Μεσοσκοπικές δομές σουλφιδίων από μηχανική ανακίνηση, στο κύριο σώμα της ζώνης διάτμησης, δείχνουν ότι κατά την διάρκεια του ορογενετικού γεγονότος ευνοήθηκε η τοπικής κλίμακας μεταφορά σουλφιδίων σε δορυφορικές θέσεις. Τρείς πληθυσμοί ηλικιών στα 1.75, 1.65, και 1.45 Ga κυριαρχούν σε ζώνες διάτμησης στα βαθύτερα επίπεδα του μεταλλείου Creighton. Αυτοί οι ηλικιακοί πληθυσμοί παρέχουν νέες πληροφορίες για την ορογενετική ιστορία του Νότιου Περιθωρίου και της Νότιας επαρχίας και παρέχουν νέα δεδομένα για την σύγκριση επαρχιών προσαύξησης στη Βόρεια Αμερική και το Νοτιοδυτικό τμήμα των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής. Λαμβάνοντας υπόψιν χαρακτηριστικά που προκαλούνται από διέλευση ρευστών και κρυσταλλοπλαστική παραμόρφωση προτείνετε ότι οι ηλικίες καταγράφουν γεγονότα συν-παραμορφωτικής διέλευσης ρευστών. Στον ιστολογικό πληθυσμό 1.75 Ga κόκκων τιτανίτη έχουν επιβιώσει , ως εγκλείσματα, κόκκοι τιτανίτη με χαρακτηριστικά προσκρουσιγενούς μεταμόρφωσης. Μικροδομές και μκρο εως νανοκλίμακας σχέσεις υπέρθεσης δηλώνουν ότι κατά την διάρκεια του κύματος πρόσκρουσης στα 1.85 Ga αναπτύχθηκε η ανάπτυξη 75°/<010> και 108°/<010> μικροδιδυμιών πρόσκρουσης. Η ανάπτυξη διδυμιών οδήγησε σε ‘’work hardening’’ φαινόμενα στους τιτανίτες που ευνόησαν την επιβίωση τους κατά την ύστερη πολυορογενετική δραστηριότητα (1.75 εως 1.45 Ga). Η χρονολόγηση αυτών των τιτανιτών με το σύστημα U-Pb δείχνει την ακριβή ηλικία του γεγονότος πρόσκρουσης (1851 ± 12 Μa). Συγκριτικά κόκκοι τιτανιτών από τον κρατήρα Vredefort με ίδια κρυσταλλογραφικά χαρακτηριστικά δείχνουν μερική αναζωογόνηση της ηλικίας τους. Η διαφορική απόκριση οφείλετε στην διαφορετική απόσταση των δειγμάτων από την βάση του προσκρουσιγενούς τήγματος που ήταν και η κύρια πηγή θερμότητας. Ο μεταλλοφόρος χαρακτήρας των εξεταζόμενων ζωνών διάτμησης στο μεταλλευτικό πεδίο του Sudbury μπορεί να παράσχει κρίσιμης σημασίας πληροφορίες για το δυναμικό εξερεύνησης αυτών των δομών σε μεταλλογενετικά πεδία. Προπαρασκευαστική ορυκτοχημική ανάλυση, σε επίπεδο κύριων στοιχείων και ιχνοστοιχείων, δείχνει κύριες τάσεις στην κατανομή στοιχείων πρόβλεψης μεταλλοφορίας (π.χ. μεταβατικά μέταλλα). Περαιτέρω εργασίες που θα συνθέσουν διαφορετικά σετ δεδομένων χρησιμοποιώντας πολυμεταβλητές στατιστικές μεθόδους θα χρησιμοποιηθούν για να κατανοηθεί καλύτερα το δυναμικό προσέγγισης μεταλλοφορίας διαφορετικών χημικών στοιχείων.