Description for the general public

Streszczenie popularnonaukowe

When continental plates collide with each other, then the margin of one continent dunks underneath the other -- but only temporarily before it returns to the surface. This is because the density of the rocks we live on is too light to become recycled into the Earth's interior. The maximum depth, from which crustal rocks (gneiss) returned to the surface, increased as more as our planet matured. Exhumation depths of 90 km (the stability field of coesite, a high pressure variant of quartz) are documented in many orogens worldwide since about 630 million years ago and of 120 km (diamond) since about 530 million years ago. Although, the mechanisms that allowed continental margins to become exhumed from such depths are disputed. One problem relates to the transformation of these ultra-high pressure (UHP) metamorphic rocks on their way back to the surface. This so called retrogression obliterated most of the evidence for UHP metamorphism. Another complication is that evidence for UHP is preferentially preserved in a minor rock type (eclogite) enclosed in gneiss that in turn dominantly lacks such evidence.

The proposed study aims to investigate different types of eclogite that are exposed in the Western Gneiss Region (WGR) of Norway, one of the best studied and largest UHP terrains worldwide. These eclogites occur inside and outside of distinct UHP areas that are recognised to host UHP metamorphic rocks (Figure 1). This study will analyse and compare the inclusions, the chemical zoning and the water content of the eclogites' major minerals. Evaluation of these data is expected to answer to which extent different eclogites had a shared evolution. The degree of retrogression is particularly important. A systematically higher degree of retrogression in normal high pressure (HP) eclogite than in UHP eclogite would imply that a much larger area of exposed continental crust was buried and exhumed from minimum 90 km depth than recognised so far. A similar conclusion has recently been drawn from exotic mantle fragments enclosed in the same gneisses. If confirmed then a direct implication is that retrogression (1) was spatially variable (i.e. caused diverse obliteration of the major rock history) and (2) may have influenced peak metamorphic and isotopic age data of eclogite that is commonly used for tectonic models to explain the exhumation of UHP metamorphic rocks, not only in the WGR. The consequence would be that applicable exhumation models require a revision. In addition, the conditions can be constrained, under which UHP eclogite survives its return to the surface. This information helps to understand the changes in orogenic processes while our planet matures.

Kiedy płyty kontynentalne kolidują ze sobą, krawędź jednej z kolidujących płyt zanurza się pod drugą. Głębokość maksymalna, z której skały skorupowe (gnejsy) były wynoszone z powrotem na powierzchnię wzrastała wraz z rozwojem naszej planety. Ekshumacja z głębokości 90 km (z pola stabilności koesytu, wysokociśnieniowego analogu kwarcu) jest znana z wielu orogenów na świecie młodszych niż 650 mln lat, zaś ekshumacja z głębokości 120 km (z pola stabilności diamentu) od 530 milionów lat. Jednakże mechanizmy umożliwiające ekshumację z takich głębokości są nadal przedmiotem dyskusji. Jeden z problemów dotyczy transformacji tych ultrawysokociśnieniowych skał (UHP) podczas ich drogi powrotnej ku powierzchni. Ta tak zwana retrogresja zaciera zapis wcześniejszego metamorfizmu UHP. Dodatkową komplikacją jest fakt, iż dowody na UHP są preferencyjnie zapisywane w objętościowo rzadkich skałach (eklogitach) tkwiących w dużo bardziej pospolitych gnejsach, które z kolei rzadko niosą zapis informacji o UHP.

Zaproponowane studium ma na celu przebadanie różnych typów eklogitów z Western Gneiss Region (WGR) w Norwegii, jednego z najlepiej zachowanych terranów UHP na świecie. Te eklogity występują zarówno wewnątrz, jak i poza obszarami UHP, w obrębie których skały UHP zostały rozpoznane. W ramach tego projektu porównane zostaną inkluzje fluidalne i mineralne, zonalność chemiczna minerałów oraz zawartość wody w nominalnie bezwodnych minerałach tych eklogitów. Ewaluacja uzyskanych danych powinna przynieść odpowiedź na pytanie czy badane typy eklogitów przeszły wspólną historię, czy może różne stadia rozwoju. Stopień retrogresji jest szczególnie ważny. Systematycznie wyższy stopień retrogresji w zwykłych (HP) eklogitach w porównaniu do eklogitów UHP mógłby być przesłanką, iż znacznie większy obszar odsłaniającej się skorupy kontynentalnej był pogrążony do głębokości 90 km niż dotychczas uważano. Podobny wniosek niedawno sformułowano na podstawie badań egzotycznych fragmentów płaszcza ziemskiego zawartych w tych samych gnejsach. Jeśli zostanie to potwierdzone to konsekwencje wprost wypływające z tych badań będą następujące: (1) stopień retrogresji jest zmienny na badanym obszarze i (2) mógł wpłynąć na zapis danych na temat warunków metamorfizmu oraz wieku izotopowego eklogitów, co z kolei używa się w modelach tektonicznych opisujących proces ekshumacji skał UHP w WGR. W efekcie, wszystkie zastosowane dotychczas modele powinny być przeformułowane. Dodatkowo, będzie można określić specjalne warunki, w których eklogit UHP jest w stanie przetrwać powrót na powierzchnię Ziemi.

Objectives

Cele

This study investigates the mineral chemistry, petrology and inclusion mineralogy of different types of WGR eclogite in a spatial context.

WGR eclogites typically occur in and in between areas of UHP metamorphism, which leads to ambiguity on the mechanisms applicable to have exhumed the high grade rocks. New data is expected to constrain (1) the metamorphic and spatial extents to which UHP and HP eclogites have a shared evolution, (2) if HP eclogites differ among each other depending on its occurrence within or in between UHP areas and (3) the preconditions required for the preservation of UHP eclogite. The working hypothesis is that many HP eclogites may have lost its former UHP metamorphic record. This project intends to localise the areas in which eclogites were most affected by retrogression.

Niniejsze studium obejmuje badania chemii minerałów, petrologii i mineralogii inkluzji różnych typów eklogitów z regionu WGR w kontekśćie ich rozmieszczenia.

Eklogity WGR występują zarówno wewnatrz, jak i pomiędzy obszarami metamorfizmu UHP, co powoduje, iż nie jest jasnym, jakie mechanizmy miały zastosowanie w przypadku ekshumacji tych skał wysokiego stopnia metamorfizmu. Nowe dane powinny pomóc uściślić (1) zakres metamorfizmu i przestrzenny, w jakim eklogity UHP i HP dzieliły wspólną ewolucję, (2) czy eklogity HP różnią się między sobą w zależności od miejsca ich występowania wewnątrz lub pomiędzy obszarami UHP, (3) warunki wstępne pozwalające na przetrwanie eklogitów UHP. Hipoteza badawcza zakłada, że wiele eklogitów HP utraciło zapis metamorfizmu UHP. Projekt ten powinien zlokalizować obszary, w których eklogity były najbardziej dotknięte retrogresją.

Motivation

Motywacja

The WGR exposes isolated mafic rock bodies (eclogites in crustal gneisses) that preserve variable maximum metamorphic conditions imposed on the rocks during the latest tectonometamorphic event, the Scandian orogeny (Cuthbert et al., 2000). Associated isolated ultramafic rock bodies (Mg-Cr garnet peridotites of cratonic mantle origin; Carswell et al., 1983) record an equilibration within the coesite stability field, at conditions typical for a cratonic geotherm (Spengler et al., 2021), prior to their Scandian superimposition (Spengler et al., 2009) and cargo by crustal gneisses (Brueckner, 1998). By implication, the areal distribution of Scandian peak metamorphism shows a partial mismatch, namely UHP ultramafic rocks occur in between UHP zones defined by eclogite (Figure 1; Spencer et al., 2013). This mismatch seems to coincide with a difference in the effective diffusion length of elements (e.g. Al in orthopyroxene) sensitive to estimate peak metamorphic pressures (Spengler et al., 2021).

Na obszarze WGR odsłaniają się izolowane ciała skał maficznych (eklogity w gnejsach pochodzenia skorupowego), które zachowują różne maksymalne ciśnienia metamorfizmu osiągnięte podczas ostatniego zdarzenia tektonometamorficznego, czyli orogenzy skandyjskiej (Cuthbert et al., 2000). Stowarzyszone z nimi skały ultramaficzne (Mg-Cr granatowe perydotyty o pochodzeniu płaszcza kratonicznego; Carswell et al., 1983) zapisują zespoły mineralne zrównoważone w polu stabilności koesytu, w warunkach typowych dla kratonicznego gradientu geotermalnego. Ta równowaga ustaliła się przed skandyjską superpozycją tych skał (Spengler et al., 2009) i wkopmponowaniem w gnejsy skorupowe (Brueckner, 1998). W konsekwencji, rozprzestrzenienie skandyjskiego piku metamorfizmu pokazuje częściowe niedopasowanie, a mianowicie ultramaficzne skały UHP wystepują pomiędzy strefami UHP definiowanymi przez wystąpienia eklogitów (Spencer et al., 2013). To niedopasowanie wydaje się koincydować z efektywnym tempem dyfuzji pierwiastków chemicznych (np. Al w ortopiroksenie) używanych do oszacowania pikowych warunków ciśnienia metamorfizmu (Spengler et al., 2021).

Approach

Podejście

Sample coverage:	UHP and HP zones (in collaboration with Simon Cuthbert, AGH) Orthopyroxene-free and orthopyroxene-bearing eclogites Coastal and hinterland areas
Planned analyses:	Optical polarised-light microscopy Secondary electron microscopy Raman micro-spectroscopy Electron microprobe Laser ablation-inductively coupled plasma-mass spectrometry (in collaboration with Anna Cipriani, UNIMORE, Italy) Fourier-transform infrared spectroscopy
Expected layers of data:	Geothermobarometry using host mineral chemistry and inclusions pins evolutionary stages of eclogite. Inclusion systematics (minerals, fluids) may link or discriminate between evolutionary stages that may have affected different eclogite types (UHP, HP within/between UHP zones). Mineral chemical zoning of elements with different diffusivity may constrain the effectiveness of retrogression. Structural and molecular water contents in nominally anhydrous minerals serve as independent criteria for the presence of fluids known to enhance mineral chemical diffusion. A synthesis from these four layers of data is expected to illustrate the degree and areal extent of eclogite-facies retrogression of WGR eclogite exposure.

Zakres próbek:	Strefy UHP i HP (we współpracy z Simonem Cuthbertem, AGH) Eklogity wolne od ortopiroksenu i zawierające ortopiroksen Obszary przybrzeżne i w głębi lądu
Planowane analizy:	Mikroskopia optyczna w świetle spolaryzowanym Wtórna mikroskopia elektronowa Mikrospektroskopia Ramana Mikrosonda elektronowa Ablacja laserowa - spektrometria mas z plazmą indukcyjnie sprzężoną (we współpracy z Anną Cipriani, UNIMORE, Włochy) Spektroskopia w podczerwieni z transformatą Fouriera
Przewidywane warstwy danych:	Geotermobarometria wykorzystująca chemię minerałów macierzystych i inkluzji łączy etapy ewolucji eklogitu. Systematyka inkluzji (minerały, płyny) może łączyć lub rozróżniać etapy ewolucji, które mogły mieć wpływ na różne typy eklogitów (UHP, HP wewnątrz / pomiędzy strefami UHP). Podział na strefy mineralne pierwiastków o różnej dyfuzyjności może ograniczać skuteczność retrogresji. Strukturalna i molekularna zawartość wody w nominalnie bezwodnych minerałach służy jako niezależne kryterium obecności płynów, o których wiadomo, że zwiększają dyfuzję chemiczną minerałów. Przewidywana synteza tych czterech warstw danych zilustruje stopień i zasięg obszarowy retrogresji eklogitowo-facjalnej odsłonięcia eklogitu WGR.

Funding

Finansowanie

85% Norwegian Financial Mechanism 2014–2021 (Norway Grants)
15% Polish National Science Centre (NCN)
Budget: PLN 870,250 (EUR 198,185)
Duration: 02.11.2021–30.04.2024

85% Norweski Mechanizm Finansowy 2014–2021 (fundusze norweskie)
15% Polskie Narodowe Centrum Nauki (NCN)
Budżet: 870 250 ZŁ (198 185 EUR)
Czas trwania: 02.11.2021–30.04.2024

References

Referencje

Brueckner, 1998, Geology 26:631–634
Brueckner, 2018, Journal of Metamorphic Geology 36:517–527
Carswell et al., 1983, Bulletin de Minéralogie:106 727–750
Cuthbert et al., 2000, Lithos 52:165–195
Spencer et al., 2013, Chemical Geology 341:84–101
Spengler et al., 2009, Earth and Planetary Science Letters 281:27–35
Spengler et al., 2021, Journal of Petrology 62:egab008