Metamorphic zircon formation in gabbroic rocks – the tale of microtextures

Abstract: Jordens plattektoniska rörelser leder till tektoniska skeenden vid plattgränserna, bland annat bergskedjebildning, då berggrunden utsätts för förändringar i tryck och temperatur. Vid ändrat tryck och ändrad temperatur förändras också bergarter: de ursprungliga mineralen konsumeras i kemiska reaktioner och i stället bildas nya mineral som är stabila vid de nya fysikaliska förhållandena - en process som kallas metamorfos. Under tektonisk förtjockning av jordskorpan ökar både tryck och temperatur, viket ger upphov till prograd metamorfos (ökande temperatur); retrograd metamorfos sker då temperaturen minskar under avsvalning och upplyftning. Datering av prograd respektive retrograd metamorfos är avgörande för vår förståelse av storskaliga geologiska processer, så som bergskedjebildning.Mineralet zirkon (ZrSiO4) är ett av de mest använda för datering av magmatiska och metamorfa skeenden. När zirkon bildas innesluts uran men inte bly i kristallgittret, men bly bildas med tiden genom radioaktivt sönderfall från uran. Därmed fungerar uran- och bly-isotoperna i zirkon som en radioaktiv klocka. Diffusionshastigheterna för uran och bly i zirkon är båda låga, vilket gör att den radioaktiva klockan inte ställs om även om bergarten utsätts för hög temperatur. Metamorfos under bergskedjebildning är en dynamisk process som äger rum över miljontals år. För en kunna tolka en datering med mineralet zirkon är det därför nödvändigt att förstå genom vilken process zirkonkristallerna bildades. Daterar zirkonåldern uppvärmning i samband med tektonisk förtjockning av jordskorpan (prograd metamorfos) eller sen avsvalning (retrograd metamorfos)? Tolkningen av vid vilken process zirkonkristallerna bildades har därmed direkt inverkan på den tektoniska tolkningen. Metamorf zirkon kan bildas i flera olika geologiska miljöer, under olika tryck och temperatur och genom flera olika processer. Detta innebär att för att kunna sätta en datering i sitt sammanhang måste man kunna knyta den zirkonbildande processen till de metamorfa mineralreaktionerna i bergarten. Ett vanligt antagande har varit att en zirkonålder daterar tidpunkten då den högsta temperaturen uppnåddes. Detta förenklade antagande beror delvis på att zirkon har en mycket hög blockeringstemperatur, c. 900°C, under vilken den radiometriska klockan inte nollställs. Å andra sidan visar massbalans-modeller att i basiska bergarter bör zirkon bör lösas upp under prograd metamorfos, för att i stället bildas under avkylning och upplyftning. Om vattenrika fluider saknas under en metamorfos kan basiska intrusivbergarter, som gabbro och diabas, förbli i stort sett opåverkade. I synnerhet grovkorniga gabbrobergarter är vanligen motståndskraftiga mot deformation och associerad fluidinfiltration. Gabbrobergarter kan därför uppvisa gradvisa övergångar från välbevarad gabbro till en fullständigt metamorft omkristalliserad metagabbro. Sådana metamorfa övergångszoner ger värdefull information om hur metamorf zirkon bildades, och vid vilket stadium av den metamorfa utvecklingen. I denna avhandling har två metamorfa övergångszoner undersökts i detalj: en övergångszon från gabbro till eklogit i Vinddøldalen, södra Norge, samt en övergångszon från gabbro till granatamfibolit i Herrestad, Småland. Syfte med studierna har varit att systematiskt dokumentera reaktionstexturer och mekanismer för bildningen av metamorf zirkon, och att erhålla en direkt åldersbestämning metamorfosen. En tredje studie omfattar en undersökning och sammanställning av metamorf zirkonbildning i ett flertal olika gabbrobergarter, vilka har genomgått metamorfos vid olika tryck och temperatur. Sammantaget visar erhållna data att bildningen av metamorf zirkon är påfallande lika i samtliga fall, oberoende av tryck och temperatur, samt att den huvudsakliga zirkonbildningen skedde genom nedbrytning av det magmatiska mineralet baddeleyit (ZrO2). Detta betyder att metamorfa reaktioner och zirkonbildning i gabbrobergarterna i större utsträckning är beroende av fluidinfiltration (vanligen i sin tur beroende av deformation) än specifika tryck- och temperatur-förhållanden. Följaktligen bildas metamorf zirkon i gabbrobergarter generellt under det första tillfället av metamorf rekristallisation, vanligen under prograd metamorfos.