Thermal evolution of high-pressure metamorphic rocks in the Alps

Thermische evolutie van hoge druk metamorfe gesteenten in de Alpen

Proefschrift verdedigd en doctoraat toegekend op 20 november 2000. Universiteit Utrecht.
Dit proefschrift is gepubliceerd als Geologica Ultraiectina, deel 199, 221 blz., 2000.

Samenvatting

EŽn van de belangrijke onderwerpen in de geologie, de studie van de aarde, is de vorming van gebergten. De grootschalige processen die gebergtevorming veroorzaken worden redelijk begrepen: de aardkorst bestaat uit lithosfeerplaten en waar deze tegen elkaar botsen of onder elkaar schuiven ontstaan gebergten, als een soort kreukelzones. Verschillende kleinschaliger processen die een rol spelen in gebergtevorming zijn echter nog niet verklaard. Deze processen zijn het onderwerp van dit proefschrift. Een belangrijk instrument van geologen bij de bestudering van gebergtevorming is de petrologie: de studie van mineralen en mineraal-assemblages in gesteenten. In stenen vormen zich bij bepaalde temperatuur en druk nieuwe mineralen (metamorfose). In de aarde nemen de druk en de temperatuur toe met de diepte; de samenstelling en combinatie van mineralen in gesteentemonsters geven dus aan hoe diep de steen was en hoe warm het daar was toen deze mineralen groeiden. Een deel van die informatie blijft bewaard en zo maakt de steen een soort bandopname van zijn weg naar het oppervlak, vergelijkbaar met de zwarte doos van een vliegtuig. Het ontcijferen van de bewaarde gegevens levert waardevolle informatie op over de gang van de steen naar het aardoppervlak.

De Alpen zijn ongetwijfeld het meest bestudeerde gebergte op aarde. Het ontstaan van de Alpen is het een gevolg van de botsing van Itali‘ met de rest van Europa, ongeveer 50 miljoen jaar geleden. Ondanks de enorme hoeveelheid geologische en geofysische gegevens die in de afgelopen twee eeuwen is vergaard, begrijpen aardwetenschappers de ontwikkeling van het gebergte maar tot een bepaald niveau en bestaan er nog steeds veel meningsverschillen. Twee vraagstukken over de geologie van de Alpen hebben te maken met de metamorfe geschiedenis van stenen in de interne zones van de Alpen in Noordwest-Itali‘ en Zuid-Zwitserland. Ten eerste zijn er aanwijzingen dat stenen, op geologische tijdschaal kort geleden, meer dan vijftig of zelfs honderd kilometer diep in de aarde zaten, terwijl ze nu aan het aardoppervlak liggen. Aangezien de Alpen maximaal zo'n 250 kilometer breed zijn, moeten de processen waardoor de stenen meer dan 100 kilometer naar boven komen effect hebben op het hele gebergte. Ten tweede bevatten sommige van deze hoge druk metamorfe stenen aanwijzingen, dat ze op hun weg naar boven eerst afkoelden en daarna weer opgewarmd zijn, terwijl normaal gesproken de temperatuur afneemt naarmate het aardoppervlak genaderd wordt. Het weer opwarmen van de stenen in een laat stadium van de gebergtevorming wordt in de Alpen Lepontiene metamorfose genoemd.

In dit proefschrift wordt geologisch bewijs verzameld voor hoge druk metamorfose, snel transport naar het oppervlak, afkoeling die soms wordt gevolgd door opwarming tijdens dit transport en worden mogelijke oorzaken onderzocht. De gegevens worden verzameld in een combinatie van veldgeori‘nteerd onderzoek, met name het reconstrueren van de druk-temperatuur geschiedenis door de tijd (PTt-paden) van stenen uit de Alpen, en computermodellen van processen die de opwarming kunnen verklaren. In deze computermodellen worden mogelijke verklaringen uitgewerkt. De ontwikkeling van de geometrie van de botsingszone van de twee platen wordt nagebootst, waarbij de temperatuurverdeling in het systeem door de tijd verandert. Op deze manier kunnen de modellen grenzen aangeven aan de mogelijke afkoeling en opwarming van stenen voor de gekozen geometrie. PTt-paden worden gebruikt als randvoorwaarden voor de computermodellen en maken het mogelijk verklaringen voor de opwarming van de hoge druk metamorfe stenen op hun weg naar het oppervlak te testen.

In de metamorfe Penninische Zone van de Alpen zijn drie gebieden geselecteerd voor gedetailleerde studie van hun metamorfe (PT) geschiedenis (kaartje zie figuur 2.2). De gebieden liggen respectievelijk in de zogenaamde Lepontiene Gneissen in de centrale Alpen van Zuid-Zwitserland, in de metamorfe ondergrond van het Gran Paradiso massief in de westelijke Alpen in Noordwest-Itali‘ en in het Voltri Massief in de Ligurische Alpen bij Genua. Ze zijn gekozen vanwege hun verspreiding langs de boog van de Alpen, steeds op ongeveer 150 kilometer van elkaar, om zo op de schaal van het hele gebergte inzicht te krijgen in de overeenkomsten en verschillen in de metamorfe ontwikkeling van de stenen in de interne zones van de Alpen.

Bij het reconstrueren van de metamorfe geschiedenis van de Lepontiene Gneissen die het Alpe Arami granaatperidotietlichaam omringen (hoofdstuk 3 - zie ook samenvattend figuur 6.8) ligt de nadruk op de thermische geschiedenis. De gebruikte informatie is vooral vergaard uit een lens van pelitische (meta-sedimentaire) gesteenten en uit meta-basische gesteenten (gemetamorfoseerde stenen van vulkanische oorsprong) uit de omliggende Arbedo Zone. De stenen sluiten relicten in van hoge druk metamorfose bij een druk van 21 kilobar, wat overeen komt met een diepte van ongeveer 70 kilometer. De temperatuur was ongeveer 900 ¡C. Volgens recente dateringsstudies vond deze hoge druk metamorfose ongeveer 37 tot 40 miljoen jaar geleden plaats. Hierna begonnen de stenen aan hun weg richting het aardoppervlak, met een snelheid van ongeveer 7 millimeter per jaar, waarbij ze eerst afkoelden tot onder ongeveer 650 ¡C. Rond 32 miljoen jaar geleden werden de stenen, op een diepte van ongeveer 20 kilometer, weer zo'n 110 ¡C warmer, waardoor mineralen groeiden die wijzen op metamorfose bij matige druk en hoge temperatuur, zoals bijvoorbeeld cordi‘riet en sillimaniet. De informatie uit de stenen wijst op een temperatuur van 760 ¡C, bij een druk van 4 tot 6 kilobar. Na deze opwarming koelden de stenen af tijdens hun verdere weg naar boven. Rond 18 miljoen jaar geleden waren ze nog maar 200 ¡C en 7 miljoen jaar geleden waren ze afgekoeld tot onder 100 ¡C. Het laatste deel van het transport naar het aardoppervlak ging met een snelheid van ongeveer 0.8 millimeter per jaar, veel langzamer dan in het begin.

De metamorfe geschiedenis van het Gran Paradiso massief in de Italiaanse westelijke Alpen (hoofdstuk 4) lijkt een beetje op die van de Lepontiene Gneissen. De stenen ondergingen hoge druk metamorfose bij ongeveer 525 ¡C en 12 tot 14 kilobar, wat overeenkomt met een diepte van ongeveer 50 kilometer. Dit gebeurde ongeveer 43 miljoen jaar geleden. In het begin bewogen de stenen, met een snelheid van ongeveer 3.3 millimeter per jaar, snel richting het aardoppervlak waarbij ze afkoelden. Op een diepte van ongeveer 20 kilometer werden de stenen weer enkele tientallen graden opgewarmd, waardoor matige druk-, matige temperatuur-metamorfose plaatsvond bij 6 kilobar en 550 ¡C. Op basis van dateringsstudies van andere aardwetenschappers vond het opwarmen naar schatting kort voor 34 miljoen jaar geleden plaats. Na de opwarming koelden de stenen af op hun verdere weg naar het oppervlak, waarbij ze rond 30 miljoen jaar geleden onder 200 ¡C kwamen en tussen 24 en 20 miljoen jaar geleden onder 100 ¡C. Na de opwarmfase bewogen de stenen met een gemiddelde snelheid van 0.6 millimeter per jaar naar het oppervlak.

In een tektonische melange in het Voltri Massief in de Ligurische Alpen bij Genua drijven grote blokken eclogiet (basische stenen met sporen van hoge druk metamorfose) in een fijnkorrelige massa (hoofdstuk 5). Door middel van thermobarometrische studie van de hoge druk mineralen is bepaald dat de hoogste druk die deze stenen hebben geregistreerd ongeveer 18 kilobar is, wat overeen komt met een diepte van ongeveer 65 kilometer. De temperatuur op deze diepte was ongeveer 525 ¡C. Op hun weg omhoog werden deze stenen steeds verder afgekoeld, waarbij eerst de temperatuur langzaam daalde en de druk snel, terwijl later de temperatuur sneller afnam. Er zijn geen dateringsstudies beschikbaar van deze stenen, dus de ouderdom van de hoge druk metamorfose is onbekend. Hierdoor kunnen ook de snelheid waarmee de stenen naar het oppervlak hebben bewogen en hun afkoelingssnelheid niet worden bepaald. Het Voltri Massief lag 34 miljoen jaar geleden op de zeebodem tussen Itali‘ en Frankrijk, waarna er sedimenten zijn afgezet.

Samenvattend kan worden vastgesteld dat de stenen in alledrie de gebieden hoge druk metamorfose hebben ondergaan. In de centrale en westelijke Alpen koelden de stenen eerst af op hun weg omhoog, waarna zij werden opgewarmd op een diepte van ongeveer 20 kilometer (met respectievelijk 110 en 40 ¡C in ongeveer 7 miljoen jaar), terwijl de stenen in het Voltri Massief tijdens hun gang naar het aardoppervlak alleen afkoelden.

Het vervolg op het veldonderzoek bestaat uit het zoeken van een verklaring voor de opwarming die is geregistreerd in de centrale en westelijke Alpen. De klassieke verklaring voor opwarming tijdens gebergtevorming is opwarming door het verval van radioactieve mineralen die in relatief grote hoeveelheden aanwezig zijn in de aardkorst. Dit effect kan eventueel versterkt worden door ophoping van radioactief materiaal in de zone waar de ene lithosfeerplaat onder een andere schuift. Een alternatieve verklaring voor de opwarming is het afbreken van de onderschuivende plaat. Het afgebroken deel zinkt weg in de mantel en de vrijgekomen ruimte wordt opgevuld met warm mantelmateriaal. Deze twee hypotheses zijn vergeleken met behulp van computermodellen, zoals hiervoor al kort is beschreven (zie hoofdstuk 6).

In eerste instantie hebben we de computermodellen toegepast op de centrale Alpen, omdat in dit gebied de botsing tussen de platen min of meer frontaal was, waardoor het proces beschreven kan worden met een tweedimensionaal model. De resultaten van de computermodellen geven aan, dat beide mechanismen voldoende opwarming kunnen veroorzaken. Het verschil tussen de twee is echter dat radiogene opwarming veel langer duurt, terwijl er niet voldoende tijd is om een wig van korstmateriaal te accumuleren waarin het verwarmende effect van de radioactieve mineralen wordt versterkt. De opwarming in de centrale Alpen kan verklaard worden door het afbreken van de onderschuivende plaat.

In de westelijke Alpen is de geometrie veel ingewikkelder. Omdat de Alpen de vorm van een boog hebben, is de onderschuivende beweging in het westen niet loodrecht, maar schuin ten opzichte van het contact tussen de twee platen. Het lijkt het meest waarschijnlijk dat de gesteenten in de westelijke Alpen zijn opgewarmd door het afbreken van de plaat in de centrale Alpen, en dat ze tijdens het omhoog komen zich niet alleen verticaal hebben verplaatst, maar ook horizontaal: weg van de stenen die nu in de centrale Alpen aan het oppervlak liggen.

Hoe de stenen in de Alpen precies naar het oppervlak gebracht zijn is nog niet helemaal duidelijk, maar het is wel zeker dat dit met (geologisch) hoge snelheid gebeurd is. Een mogelijk scenario, dat past bij de informatie die bekend is over de Alpen en hun geschiedenis, is het volgende: door dichtheidsverschillen veroorzaakte opwaartse druk "duwt" de stenen van hun diepste positie naar de onderkant van de korst. Van daaraf worden ze verder omhoog gebracht door een proces van corner flow, of wigstroming. Aan de onderkant van het, in verticale doorsnede, wigvormige gebergte worden steeds stukken gesteente toegevoegd die de bovenliggende gesteenten omhoog duwen. Ter compensatie van het steeds steiler worden van de wig, bewegen de stenen boven in de wig zijwaarts, waardoor diepere gesteenten het aardoppervlak bereiken. Het afbreken van de onderschuivende plaat zou een rol kunnen spelen in het omhoog brengen van de gesteenten, maar die rol is niet helemaal duidelijk. Het is wel duidelijk dat dit proces hoogstwaarschijnlijk een belangrijke bijdrage heeft geleverd aan de thermische geschiedenis van de onderzochte gesteenten uit de Alpen.