Geodynamic and metamorphic evolution of the Ara?ua? orogen (SE Brazil).

Programa de P?s-Gradua??o em Evolu??o Crustal e Recursos Naturais. Departamento de Geologia, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.Ciclos repetidos de amalgama??o e quebra de supercontinentes influenciaram profundamente a evolu??o da crosta, atmosfera, hidrosfera e biosfera da Terra a partir do final do Arqueano. A forma??o de supercontinentes ? caracterizada pela forma??o de margens convergentes, que por fim resultam em colis?o continental. Espessamento crustal e produ??o de calor devido a acumula??o de elementos produtores de calor e/ou aumento da contribui??o de calor mant?lico em margens convergentes resultam em fus?o parcial de litologias pr?-existentes e produ??o de grandes volumes de magma gran?tico, contribuindo para a diferencia??o da crosta terrestre. Este trabalho tem como foco o or?geno Ara?ua? no sudeste brasileiro, o qual ? um dos diversos cintur?es colisionais do ciclo Brasiliano/Pan-Africano, edificados durante a converg?ncia dos proto-continentes Sul-Americano e Africano ao final do Neoproteroz?ico, resultando na forma??o do supercontinente Gondwana Ocidental. A colis?o entre os cr?tons S?o Francisco e Congo resultou em um prolongado magmatismo gran?tico, agora exposto na por??o interna do or?geno Ara?ua?. Enquanto este magmatismo ? bem caracterizado, a evolu??o metam?rfica do or?geno e a evolu??o geodin?mica relacionada aos blocos continentais que antecederam a amalgama??o do Gondwana Ocidental s?o menos estudados, apesar da grande exposi??o de rochas metassedimentares. Um estudo combinado de trabalhos de campo, petrografia, geoqu?mica de rocha total e an?lises isot?picas de U?Pb?Hf em zirc?es detr?ticos foi realizado em rochas metassedimentares de forma a melhor entender a evolu??o geodin?mica dos blocos continentais pr?-Gondwana Ocidental. Processos de retrabalhamento crustal durante a forma??o de supercontinentes foram estudados utilizando an?lises isot?picas U?Pb?Hf em zirc?es de intrus?es gran?ticas e rochas do embasamento. Al?m disso, geocronologia U?Pb in situ em granadas e modelamento metam?rfico foram aplicados na reconstru??o da evolu??o metam?rfica do or?geno Ara?ua? de forma a compreender os processos orogen?ticos e fontes de calor que produziram fus?es parciais durante a colis?o continental. An?lises isot?picas U?Pb?Hf e dados de elementos tra?o em zirc?es detr?ticos de rochas metassedimentares do or?geno Ara?ua? forneceram evid?ncias da quebra do cr?ton Congo-S?o Francisco. O espectro de idades U?Pb dos zirc?es detr?ticos variou de 900?650 Ma e definiram uma idade m?xima de deposi??o de ca. 650 Ma. Elementos tra?o dos zirc?es e qu?mica de rocha total indicaram um arco de ilhas como fonte dos prot?litos dos metassedimentos. Valores positivos de ?Hf(t) dos zirc?es indicam uma fase extensional Neoproteroz?ica e forma??o de crosta oce?nica em uma bacia precursora ao or?geno Ara?ua?. A natureza juvenil, espectro de idades e composi??o de elementos tra?o dos zirc?es detr?ticos correspondem com zirc?es de rochas metassedimentares e restos crosta oce?nica dos cintur?es orog?nicos Brasilianos adjacentes. Isto sugere o rifteamento e gera??o de crosta oce?nica em um grande sistema orog?nico conectado e de forma contempor?nea, provavelmente relacionado ? abertura de um grande oceano. Isto tamb?m implica que os blocos crat?nicos envolvidos nesta evolu??o orogen?tica estavam conectados h? 900 Ma. Gnaisses migmat?ticos Paleoproteroz?icos do embasamento do or?geno Ara?ua? representam adi??o de crosta juvenil em um cen?rio de acre??o orogen?tica entre 2.2?2.0 Ga, evidenciado pelos valores positivos de ?Hf de seus zirc?es. A composi??o isot?pica de Hf dos zirc?es dos granit?ides pr?-colisionais definem um grande intervalo de valores negativos de ?Hf, consistente com a mistura ineficiente de fus?es derivadas de fontes m?ficas e f?lsicas Paleoproteroz?icas. Gr?os de zirc?o de intrus?es m?ficas contempor?neas exibem composi??o isot?pica de Hf enriquecida, indicando fus?o de anfibolitos Paleoproteroz?icos ao inv?s de adi??es mant?licas. O magmatismo do or?geno Ara?ua? relacionado ? amalgama??o do Gondwana Ocidental ?, desta forma, dominantemente um evento de retrabalhamento crustal. Observa??es petrogr?ficas, qu?mica mineral e modelamento metam?rfico restringe o pico metam?rfico das rochas metassedimentares n?o-anat?ticas do dom?nio central do or?geno em 640 ? 20 ?C e 8.75 ? 0.75 kbar. Sem precedentes, geocronologia U-Pb in-situ em granadas de baixo-U (<1 ?g/g) produziram idades consitentes para o pico metam?rfico entre 585?570 Ma. Zirc?es metam?rficos com idades de ca. 630 Ma. s?o relacionados ? um evento de acre??o de um terreno n?o exposto atualmente antes da orog?nese, enquanto as idades U?Pb em granada registram o pico metam?rfico devido ? orog?nese, revelado pelo desequil?brio entre o particionamento de elementos terras raras (ETR) entre os dois minerais. A combina??o das condi??es metam?rficas define uma evolu??o P?T em sentido hor?rio para o or?geno Ara?ua?, caracterizado pelo lento soterramento a profundidades de 26?30 km, seguido por descompress?o praticamente isot?rmica de ~10 a 6 kbar. Diferen?as substanciais entre as temperaturas de pico metam?rfico nos diversos dom?nios do or?geno Ara?ua? s?o consistentes com diferentes litologias em diferentes se??es crustais, causando uma maior concentra??o de elementos produtores de calor no dom?nio anat?tico, causando fus?o parcial das rochas metassedimentares. Isto sugere que os elementos produtores de calor foram uma fonte significativa de calor para o retrabalhamento crustal durante a tect?nica convergente do Gondwana Ocidental.Repeated cycles of supercontinent amalgamation and break-up have profoundly influenced the evolution of the Earth?s crust, atmosphere, hydrosphere and biosphere since the late Archean. Supercontinent assembly is characterised by the formation of convergent plate boundaries, which ultimately results in continental collisions. Crustal thickening and heating due to accumulation of heatproducing elements and/or increased mantle heat flow in continental collision settings leads to melting of pre-existing crustal lithologies and production of large volumes of granitic magmas, contributing to the differentiation of the Earth?s crust. This work focuses on the Ara?ua? orogen in southeast Brazil, which is one of many Brasiliano/Pan African collisional orogenic belts that developed during convergence of South American and African protocontinents in the late Neoproterozoic and formed the West Gondwana supercontinent. Collision between the S?o Francisco and Congo craton resulted in prolonged granitic magmatism now exposed in the internal part of the Ara?ua? orogen. While this magmatism is well-characterised, the metamorphic evolution of the orogen and the geodynamic evolution of involved continental blocks prior to West Gondwana assembly are less studied. Combined field work, petrography, whole rock geochemistry and detrital zircon U?Pb?Hf isotope analyses were performed on metasedimentary rocks in order to place better constraints on the geodynamic evolution of pre-West Gondwana continental blocks. Crustal reworking processes during supercontinent amalgamation have been studied through zircon U?Pb?Hf isotope analyses of granitoid intrusions and basement rocks. In addition, garnet in situ U?Pb geochronology and phase equilibria modelling were applied to reconstruct the metamorphic evolution of the Ara?ua? orogen in order to better understand mountain-building processes and heat sources of partial melting during continental collision. Detrital zircon U?Pb?Hf isotopic and trace element data from metasedimentary rocks of the Ara?ua? orogen provide evidence for break-up of the Congo?S?o Francisco craton. The U?Pb age spectra of detrital zircon range from 900?650 Ma and define a maximum depositional age of ca. 650 Ma. Zircon trace element and whole rock data constrain an oceanic island arc as source for the protoliths to the metasediments. Positive zircon ?Hf(t) values indicate a Neoproterozoic extensional phase and oceanic crust formation in a precursor basin to the Ara?ua? orogen. The juvenile nature, age spectra and trace element composition recorded in detrital zircons correspond with zircons from metasedimentary rocks and oceanic crust remnants of adjacent Brasiliano orogenic belts. This suggests that rifting and oceanic crust formation of a large connected orogenic system was contemporaneous, most likely related to the opening of a large ocean. It further indicates that the cratonic blocks involved in this orogenic evolution were spatially connected as early as 900 Ma. Paleoproterozoic migmatitic gneisses from the basement of the Ara?ua? orogen represent addition of juvenile crust in an accretionary orogenic setting at ca. 2.2?2.0 Ga evidenced by their positive zircon ?Hf values. The Hf isotopic composition of zircon from pre-collisional granitoids defines a large range of negative ?Hf values consistent with inefficient mixing of melts derived from felsic and mafic Paleoproterozoic sources. Zircon grains of contemporaneous mafic intrusions display enriched Hf isotopic compositions indicating melting of Paleoproterozoic amphibolites rather than addition of mantle melts. Magmatism of the Ara?ua? orogen related to the assembly of West Gondwana is dominantly a crustal reworking event. Petrographic observations, mineral chemistry, and phase equilibria modelling constrain peak metamorphic conditions of non-anatectic metasedimentary rocks of the central domain of the Ara?ua? orogen at 640 ? 20 ?C and 8.75 ? 0.75 kbar. Unprecedented in situ low-U (