Geochronological and structural evolution of the western and central Kaoko Belt in NW Namibia

Abstract

This thesis focusses on the tectonic evolution and geochronology of part of the Kaoko orogen, which is part of a network of Pan-African orogenic belts in NW Namibia. By combining geochemical, isotopic and structural analysis, the aim was to gain more information about how and when the Kaoko Belt formed. The first chapter gives a general overview of the studied area and the second one describes the basis of the Electron Probe Microanalysis dating method. The reworking of Palaeo- to Mesoproterozoic basement during the Pan-African orogeny as part of the assembly of West Gondwana is discussed in Chapter 3. In the study area, high-grade rocks occupy a large area, and the belt is marked by several large-scale structural discontinuities. The two major discontinuities, the Sesfontein Thrust (ST) and the Puros Shear Zone (PSZ), subdivide the orogen into three tectonic units: the Eastern Kaoko Zone (EKZ), the Central Kaoko Zone (CKZ) and the Western Kaoko Zone (WKZ). An important lineament, the Village Mylonite Zone (VMZ), has been identified in the WKZ. Since plutonic rocks play an important role in understanding the evolution of a mountain belt, zircons from granitoid gneisses were dated by conventional U-Pb, SHRIMP and Pb-Pb techniques to identify different age provinces. Four different age provinces were recognized within the Central and Western part of the belt, which occur in different structural positions. The VMZ seems to mark the limit between Pan-African granitic rocks east of the lineament and Palaeo- to Mesoproterozoic basement to the west. In Chapter 4 the tectonic processes are discussed that led to the Neoproterozoic architecture of the orogen. The data suggest that the Kaoko Belt experienced three main phases of deformation, D1-D3, during the Pan-African orogeny. Early structures in the central part of the study area indicate that the initial stage of collision was governed by underthrusting of the medium-grade Central Kaoko zone below the high-grade Western Kaoko zone, resulting in the development of an inverted metamorphic gradient. The early structures were overprinted by a second phase D2, which was associated with the development of the PSZ and extensive partial melting and intrusion of ~550 Ma granitic bodies in the high-grade WKZ. Transcurrent deformation continued during cooling of the entire belt, giving rise to the localized low-temperature VMZ that separates a segment of elevated Mesoproterozoic basement from the rest of the Western zone in which only Pan-African ages have so far been observed. The data suggest that the boundary between the Western and Central Kaoko zones represents a modified thrust zone, controlling the tectonic evolution of the Kaoko belt. The geodynamic evolution and the processes that generated this belt system are discussed in Chapter 5. Nd mean crustal residence ages of granitoid rocks permit subdivision of the belt into four provinces. Province I is characterised by mean crustal residence ages <1.7 Ga and is restricted to the Neoproterozoic granitoids. A wide range of initial Sr isotopic values (87Sr/86Sri = 0.7075 to 0.7225) suggests heterogeneous sources for these granitoids. The second province consists of Mesoproterozoic (1516-1448 Ma) and late Palaeo-proterozoic (1776-1701 Ma) rocks and is probably related to the Eburnian cycle with Nd model ages of 1.8-2.2 Ga. The eNd i values of these granitoids are around zero and suggest a predominantly juvenile source. Late Archaean and middle Palaeoproterozoic rocks with model ages of 2.5 to 2.8 Ga make up Province III in the central part of the belt and are distinct from two early Proterozoic samples taken near the PSZ which show even older TDM ages of ~3.3 Ga (Province IV). There is no clear geological evidence for the involvement of oceanic lithosphere in the formation of the Kaoko-Dom Feliciano orogen. Chapter 6 presents the results of isotopic analyses of garnet porphyroblasts from high-grade meta-igneous and metasedimentary rocks of the sillimanite-K-feldspar zone. Minimum P-T conditions for peak metamorphism were calculated at 731±10 °C at 6.7±1.2 kbar, substantially lower than those previously reported. A Sm-Nd garnet-whole rock errorchron obtained on a single meta-igneous rock yielded an unexpectedly old age of 692±13 Ma, which is interpreted as an inherited metamorphic age reflecting an early Pan-African granulite-facies event. The dated garnets survived a younger high-grade metamorphism that occurred between ca. 570 and 520 Ma and apparently maintained their old Sm-Nd isotopic systematics, implying that the closure temperature for garnet in this sample was higher than 730 °C. The metamorphic peak of the younger event was dated by electronmicroprobe on monazite at 567±5 Ma. From a regional viewpoint, it is possible that these granulites of igneous origin may be unrelated to the early Pan-African metamorphic evolution of the Kaoko Belt and may represent a previously unrecognised exotic terrane.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der tektonischen und geochronologischen Entwick-lung des westlichen und zentralen Teils des Kaoko-Gebirges in Namibia, das zu einem weit ver-zweigten Pan-Afrikanischen Gebirgssystem gehört. Die Region wird durch zwei bedeutende Störungen – die Sesfontein Überschiebung (ST) und die Puros Scherzone (PSZ) – in drei Zonen aufgeteilt: die östliche Kaoko Zone, die zentrale Kaoko Zone und die westliche Kaoko Zone (EKZ, CKZ und WKZ). Außerdem konnte eine weitere wichtige Störung, die Village Mylonit-zone (VMZ), in der WKZ kartiert werden. Um die Evolution der Gebirgskette besser verstehen zu können wurden Zirkone aus granitischen Gneisen mit der U-Pb, SHRIMP und Pb-Pb Methode datiert. Vier verschiedene Altersprovinzen konnten im zentralen und im westlichen Teil des Orogens identifiziert werden. Zusätzlich ergab sich aus den Datierungen, dass die VMZ eine Grenze von Pan- Afrikanischen Gesteinen mit Palaeo– und Mesoproterozoischen Gesteinen markiert. Es wurden drei Hauptdeformation D1-3, die die Pan-Afrikanische Tektonik des Kaoko Orogens prägen, erkannt. Frühe Strukturen im zentralen Teil zeigen, dass die beginnende Konti-nent Kollision durch die Überschiebung der hochgradigen westlichen Kaokozone über die mittelgradig metamorphisierte zentrale Kaokozone geprägt ist, die zu einer Inversion der Meta-morphosegraden führte. Diese frühen Strukturen wurden durch die zweite Deformationsphase überprägt, die mit der Bildung der PSZ in Zusammenhang gebracht wird, und mit partieller Schmelzbildung und granitischen Instrusionen um ~550 Ma in der hochgradigen WKZ einher-geht. Der gesamte Gebirgsgürtel wurde auch während der Abkühlung von einer Transpressions-phase geprägt, die zur Entwicklung der Niedrigtemperatur Village Mylonitzone führte. Neodym Modellalter von krustalen Gesteinen ermöglichen eine Unterteilung des Arbeitsgebietes in vier Teile (Provinz I-IV). Die Provinz I ist durch eine mittlere Krustenverweildauer <1.7 Ga gekenn-zeichnet und ist auf die Neoproterozoischen Granitoide beschränkt. Die zweite Provinz besteht aus Mesoproterozoischen (1516-1448 Ma) und Spät-Palaeoproterozoischen (1776-1701 Ma) Ge-steinen. Diese sind durch Nd- Modellalter von 1.8-2.2 Ga charakterisiert und werden in Zusammenhang mit dem Eburnischen Gebirgszyklus gesehen. Die _Ndinitial Werte dieser Ge-steine streuen um Null und weisen auf eine vorwiegend juvenile Quelle hin. Die vierte Provinz besteht aus Spätarchaischen und Mittel-Palaeoproterozoischen Gesteinen, die ein Modellalter von 2.5-2.8 Ga aufweisen. Diese unterscheiden sich deutlich von zwei Proben die in der Nähe der Puros Scherzone entnommen wurden und TDM-Alter von ~3.3 Ga aufweisen (Provinz IV). P-T Berechnungen von metamagmatischen und metasedimentären Gesteinen aus der Sillimanit-K-Feldspat Zone ergaben minimum P-T Bedingungen von 731±10°C bei 6.7±1.2 kbar. Eine gut definierte sieben Punkt Granat-„errorchron“ in einem metamagmatischen Gestein ergab ein un-erwartet hohes Alter von 692±14 Ma. Es konnte gezeigt werden, dass die datierten Granate ein jüngeres hochgradiges Ereignis überstanden haben, das zwischen ca. 570 Ma und 520 Ma auftrat, ohne dass die Sm-Nd Isotopie gestört wurde. Das Temperaturmaximum der jüngeren Meta-morphose wurde mit Hilfe der Mikrosondendatierung von Monaziten (EPMA dating) auf 567±5 Ma bestimmt. Regionalgeologisch bedeutet dies, dass diese speziellen Granulite möglicherweise nichts mit der Pan-Afrikanischen metamorphen Evolution der Kaoko Orogens zu tun haben, sondern von einem bisher unentdeckten exotischen Terrane herkommen