Formation and evolution of a Proterozoic magmatic arc – the Ongole domain of the Eastern Ghats Belt, India.

Sarkar, Tapabrato

The Eastern Ghats Belt (EGB), a well known Proterozoic mobile belt along the east coast of Peninsular India, is an assembly of several polymetamorphosed granulite terrains. The Ongole domain is one such terrain in the SW part of the EGB. Detailed studies were mostly concentrated in the northern parts of the EGB, revealing that the different terrains have distinct and apparently unrelated evolutionary histories. However, such comprehensive geological studies are lacking for the southern part of the EGB, especially the Ongole domain. This thesis aims to fulfill this deficit of knowledge through petrological, geochronological and geochemical investigations of granulite-facies rocks from the Ongole domain for a holistic understanding of the formation and evolution of this Proterozoic domain and its connection to Precambrian crustal assemblies involving India. The Ongole domain is dominated by a suite of charnoenderbites with enclaves of pelitic and mafic granulites. The major, trace and rare earth element geochemistry of the meta-igneous rocks indicate their formation in a magmatic arc setting near a continent. The large, euhedral to subhedral zircon grains from the charnoenderbites showing fine-scale oscillatory zoning also implies a magmatic origin. The Palaeoproterozoic age of ca. 1750-1700 Ma obtained from them indicate the time of magma emplacement and arc formation. Detailed petrographic and mineral chemical studies of the different rock types reveal at least two generations of mineral growth. The association of spinel and quartz, P-T conditions obtained from conventional thermobarometry, feldspar thermometry and pseudosection modeling suggests that the rocks underwent ultrahigh-temperature (UHT) (T>950°C) peak metamorphism at P=6.5-7 kbar. The absence of cordierite in retrograde mineral assemblages points to isobaric cooling, giving rise to a near-isobaric heating-cooling trajectory. P-T pseudosections and thermobarometry from the second, chemically distinct generation of minerals (especially garnet) indicate their formation at a higher pressure but lower temperature (ca. 780°C, 9.5 kbar) during a second metamorphic event. The late-stage low-pressure mineral assemblage including andalusite points to a near-isothermal decompression from the peak pressures followed by isobaric cooling, along a clockwise P-T path. However, petrology alone could not distinguish if the two events are part of the same or different orogenic cycles. Metamorphic overgrowths over detrital zircon cores and metamorphic zircons from the metapelites, together with unzoned, metamorphic overgrowths surrounding the oscillatory-zoned magmatic zircon cores from some younger charnoenderbites show concordant ages of 1630-1600 Ma, indicating the time and duration of a high-grade metamorphism. In contrast, texturally controlled in-situ EMP monazite dating of two chemically distinct monazite generations in metapelites revealed two metamorphic events separated by 60-80 Ma, thereby complementing the petrologic study. Small monazite inclusions in porphyroblastic garnets and cores of some matrix monazite grains show ages of ca. 1610 Ma, similar to the concordia ages from zircon, thereby confirming the time of the UHT metamorphism. The monazite grains in the matrix, growing along with a second generation of garnet and late-stage symplectites are highly recrystallized and show ages of ca. 1540 Ma, indicating the time of the second metamorphic event at higher pressures but lower temperatures. Monazite in the charnoenderbites records the second metamorphic event but only rarely the earlier UHT event. In addition, they show evidence for later imprints of deformation between ca. 1450 and 1360 Ma and minor disturbances at ca. 730 Ma and ca. 510 Ma. Thus, the combination of petrological, geochronological and geochemical data unveils the tectono-metamorphic history of the Ongole domain in a hitherto unknown detail. The Ongole domain was formed as a magmatic arc near the Indian continent during the Palaeoproterozoic. Subsequently, the rocks were metamorphosed under UHT conditions during late Palaeoproterozoic (ca. 1610 Ma) due to advective heat from magma underplating during the growth of the arc. Finally, 60 to 80 Ma later (ca. 1540 Ma), during early Mesoproterozoic, the terrain was accreted to the Indian craton leading to crustal thickening and consequently the second metamorphic event. The two-stage evolutionary history of the Ongole domain fits well to the expected evolution of magmatic arcs in general. In context of supercontinent cycles, the formation and growth of the magmatic arc (Ongole domain) through subduction related accretion can be correlated with the growth of Columbia (1.8-1.2 Ga) but its accretion to the Indian craton is apparently unrelated to the formation of any supercontinent on a global scale.

Im Eastern Ghats Belt (EGB), einem proterozoischen Gebirgsgürtel entlang der indischen Ostküste, befinden sich mehrere polymetamorphe, granulitfazielle Krustenblöcke. Einer dieser Blöcke ist die Ongole Provinz im Südwesten des EGB. Detaillierte frühere Arbeiten konzentrierten sich hauptsächlich auf den nördlichen Teil des EGB und zeigen deutliche Unterschiede in den Entstehungsgeschichten der einzelnen Blöcke des EGB. Jedoch wurde bislang bei keiner dieser Untersuchungen der südliche Teil des EGB, insbesondere die Ongole Provinz, genauer bearbeitet. Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, dieses Informationsdefizit durch petrologische, geochronologische und geochemische Untersuchungen der granulitfaziellen Gesteine der Ongole Provinz zu beheben, um ein besseres Verständnis der Entstehung und Entwicklung der Ongole Provinz zu erhalten, sodass auch die Rolle dieser Provinz in der präkambrischen Krustenbildung des indischen Kontinents verstanden wird. Die Ongole Provinz besteht hauptsächlich aus Abfolgen von Charnoenderbiten, in welche pelitische und mafische Granulite eingeschaltet sind. Geochemische Untersuchungen sowohl der Haupt- und Spurenelemente, als auch der Seltenen Erdelemente der metamagmatischen Gesteine, deuten auf eine Bildung in einem magmatischen Inselbogen nahe eines Kontinents hin. Der magmatische Ursprung der Gesteine kann auch durch die oszillierende Zonierung der großen, euhedralen bis subhedralen Zirkone in den Charnoenderbiten erkannt werden. Das an den Zirkonen gemessene paläoproterozoische Alter von 1750 bis 1700 Ma entspricht der Zeit der Magmenbildung und dementsprechend der Entstehung des magmatischen Inselbogens. Aus der Petrographie der verschiedenen Gesteinstypen kann auf zwei Generationen des metamorphen Mineralwachstums geschlossen werden. Sowohl die Vergesellschaftung von Spinell und Quarz, als auch die Ergebnisse von Feldspat-Thermometrie, Modellierung von Pseudosections und die aus konventioneller Thermobarometrie abgeleiteten Druck- und Temperaturbedingen, für die erste Phase des Mineralwachstums sprechen für eine Ultrahochtemperatur-Metamorphose mit Temperaturen > 950°C und Drücken von 6.5–7 kbar. Die Abwesenheit von Cordierit in retrograden Mineralparagenesen weist auf einen Prozess isobaren Abkühlens hin und impliziert einen nahezu isobaren Kurvenverlauf von Aufheizung und Abkühlung. Sowohl die Ergebnisse der Thermobarometrie, als auch die P-T-Pseudosections der petrographisch identifizierten zweiten Generation von Mineralen (besonders Granat), deuten auf höhere Drücke und niedrigere Temperaturen (ca. 780°C und 9.5 kbar) während eines zweiten metamorphen Ereignisses hin. Die im Spätstadium des zweiten Ereignisses entstandenen Niederdruck-Minerale zeigen eine nahezu isotherme Dekompression an, die von einer isobaren Abkühlung gefolgt war. Die petrologischen Beobachtungen alleine reichen aber nicht aus, um festzustellen, ob beide Ereignisse Teile eines einzigen oder zweier verschiedener orogener Zyklen sind. Altersbestimmungen an metamorphen Anwachssäumen um detritische Zirkonkerne, sowie metamorphen Zirkonen aus Metapeliten, zusammen mit den unzonierten Bereichen von metamorph überprägten magmatischen Zirkon-Kernen aus den Charnoenderbiten, ergeben ein konkordantes Alter von 1630–1600 Ma. Dieses entspricht etwa der Dauer einer hochgradigen Metamorphose. Im Gegensatz dazu ergeben texturell kontrollierte, in-situ Mikrosonden-Datierungen an zwei chemisch und texturell identifizierten Monazit-Generationen in Metapeliten zwei metamorphe Ereignisse, die 60-80 Ma auseinander liegen. Dieses Ergebnis wiederum ergänzt die petrologischen Untersuchungen. Einschlüsse von Monazit in porphyroblastischen Granaten, sowie die Kerne einiger Monazite in der Matrix sind auf 1610 Ma datiert, welches dem Alter der konkordanten Zirkone entspricht und dem Ultrahochtemperaturereignis zugeordnet wird. Die Monazitkörner in der Matrix, die in der zweiten Generation von Granat und in späten Symplektiten eingeschlossen vorkommen, sind stark rekristallisiert und weisen ein Alter von 1540 Ma auf. Sie werden dem zweiten Metamorphosereignis bei höheren Drücken und niedrigeren Temperaturen zugeordnet. An den Monaziten aus den Charnoenderbiten lässt sich zwar das zweite metamorphe Ereignis bestätigen, jedoch sind kaum Alter aus dem frühen Ultrahochtemperatur-Ereignis erhalten. Sie geben aber Hinweise auf noch spätere Überprägungen zwischen ca. 1450 und 1360 Ma und schwächere Ereignisse bei ca. 730 Ma und 510 Ma. Insgesamt ergeben die kombinierten petrologischen, geochronologischen und geochemischen Daten einen bis dato unerreichten, detaillierten Einblick in die tektono-metamorphe Entstehungsgeschichte des Ongole Blocks. Dieser Block wurde während des Paläoproterozoikums als magmatischer Inselbogen vor dem indischen Kontinent gebildet. Anschließend wurden die Gesteine, durch konstante magmatische Aktivität (magmatic underplating) und dem daraus resultierenden Wachstum des Inselbogens, metamorphen Ultrahochtemperatur-Bedingungen ausgesetzt. 60-80 Ma später, zur Zeit des frühen Mesoproterozoikums, erfolgte die Akkretion des Inselbogens an den indischen Kraton, was zu einer Verdickung der kontinentalen Kruste und daraus resultierend dem zweiten metamorphen Ereignis führte. Diese zweigeteilte Entwicklungsgeschichte der Ongole Provinz stimmt mit der generell zu erwartenden Entwicklung magmatischer Inselbögen überein. Im Kontext der Bildung von Superkontinenten kann man die Entstehung und Entwicklung der Ongole Provinz und ihre subduktionsgesteuerte Akkretion mit dem Wachstum von Columbia vor 1.8 bis 1.2 Ma zuordnen. Dagegen ist die Akkretion an den indischen Kraton im globalen Kontext bislang mit keiner anderen Superkontinentbildung zu korrelieren.

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Sarkar, Tapabrato: Formation and evolution of a Proterozoic magmatic arc – the Ongole domain of the Eastern Ghats Belt, India.. 2014.

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