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Fluids and new fluid tracers in water under-saturated continental crust: From rifting to tectonic inversion

English title Fluids and new fluid tracers in water under-saturated continental crust: From rifting to tectonic inversion
Applicant Berger Alfons
Number 178785
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Geologie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Geology
Start/End 01.09.2018 - 31.08.2022
Approved amount 273'749.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Geology
Other disciplines of Earth Sciences
Geochronology

Keywords (9)

Hydrogen isotopes; fluid sources; continental middle crust; LA-ICPMS; fluid distribution; inversion tectonics; U-Pb; epidote; fluids

Lay Summary (German)

Lead
Fluide spielen eine wichtige Rolle für die Deformation und den Elementtransport in der Erdkruste. Deshalb werden in diesem Projekt, Fluidquellen und Fluidpfade des Erdinnern untersucht. Die Wassergehalte in einem Gesteinskörper hängen von Druck, Temperatur und der Zusammensetzung des Gesteins ab. Eine Möglichkeit der Hydratisierung von granitoider Mittelkruste ist die Alteration dieser Gesteine mit infiltrierendem Wasser. Während des Vorgangs des Riftings zerbrechen die Krustengesteine, was ein Eindringen von Meerwasser und somit auch die Hydratisierung über grosse Bereiche ermöglicht. Als Wasserträger kommen zum einen alterierte Gesteinspartien als auch in Rissen neu ausgefällte wasserhaltige Minerale (Mineraladern) in Frage, welche in diesem Projekt untersucht werden.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Variszische Granite, die im Mesozoikum ein Dehnung erfahren haben, werden als Vertreter solcher wasseruntersättigter Krustenabschnitte mit verschiedenen quantitativen Methoden untersucht. Es sollen mikrostrukturelle Kriterien herangezogen werden um bestimmte Adern und alterierte Granitoide zu studieren. Diese mikrostrukturellen Hinweise werden kombiniert mit stabilen Isotopenmessungen. Es sollen hauptsächlich Wasserstoffisotope in Epidoten und Schichtsilikaten erfasst werden. Wasserstoffisotope in Kombination mit Spurenelementen sind ein wichtiger Indikator für mögliche Fluidquellen. Diese strukturellen und geochemischen Informationen sollen zeitlich eingeordnet werden. Dazu werden Datierungsmethoden entwickelt um dem Entstehungszeitpunkt von Epidotadern mit Hilfe der U/Pb Methode ein absolutes Alter zuzuordnen. Falls diese Methoden von Erfolg gekrönt sind, sollen diese neuen Methoden (U/Pb Datierungen, Wasserstoffisotopie) an verschiedenen Gesteinen und Adern angewendet werden, um den einen Zyklus der Entstehungsgeschichte wässriger Fluide rekonstruieren zu können.
Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts
Das Projekt hat zum Ziel die Pfade und die Menge der Fluide in granitoiden Krustenabschnitten besser zu verstehen. Diese Erkenntnis ist wichtig, um das Verformungsverhalten sowohl im spröden als auch im duktilen Bereich, und im besonderen an dem spröd-duktilen Übergang, besser zu verstehen. Das ist entscheidend für die geologische Entwicklung dieser Krustenabschnitte, spielt aber auch eine zentrale Rolle für heute aktive hydrothermale Interaktionen (sowohl natürliche als auch artifizielle hydrothermale Prozesse, letztere vor allem im Bereich der Geothermie). Generell, ist ein grundsätzliches Verständnis von Fluidquellen äusserst wichtig um das Verformungsverhalten der Erdkruste (z.B. Erdbeben) und den Elementtransport (z.B. mineralische Lagerstätten, Rohstoffe) besser zu verstehen.

Direct link to Lay Summary Last update: 09.05.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
162340 The role of sheet silicate-rich rocks during mountain building processes 01.01.2016 Project funding (Div. I-III)
170738 New Ionpolisher for high-end surface preparation of composite materials 01.12.2016 R'EQUIP
169055 Structure and evolution of an antiformal nappe stack (Aar massif, Central Alps): Formation of mechanical anisotropies and their bearing on natural risks 01.10.2016 Project funding (Div. I-III)
170722 A new state-of-the-art Laser Ablation ICP-MS facility with emphasis on mapping and technique development 01.01.2017 R'EQUIP
149385 Structure and evolution of an antiformal nappe stack (Aar massif, Central Alps): Formation of mechanical anisotropies and their bearing on natural risks 01.10.2013 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Fluids often control mass transport, mineral reactions, recrystallization and deformation in the crust. In contrast to many studies in subduction scenarios, the fluid source and distribution in the continental middle crust is less well understood. In general, these mainly granitoid crustal levels show low primary water contents. In contrast, tectonites of the middle crust are often enriched in hydrous phases (mainly sheet silicates), which causes their low mechanical strength. The occurrence and spatial distribution of hydrous mineral phases and related fluids therefore strongly influence the temporal evolution of the crustal strength as well as the location of the brittle/ductile transition. We hypothesize that the potential water uptake in these tectonites is deformation related. However, the origin of such fluids in the middle crust of a collisional orogeny is frequently unclear. Generally, four different fluid sources can be considered in such a geodynamic setting: (1) magmatic fluids; (2) fluids originating from deeper levels owing to metamorphic dehydration reactions; (3) infiltration of meteoric fluids from the earth’s surface; or (4) remobilization of fluids already stored in the granitoids itself due to former hydration reactions. Here, we propose to investigate the hypothesis of pre-collisional water storage in the granitic crust. Particularly during rifting stages, with considerable crustal extension accommodated by crustal thinning along normal faults, new fluid pathways evolve allowing infiltration of surface water. Crystallization of hydrated phases might then result in fluid storage in the host rocks prior to collisional tectonics. It is the mobilization of these extension-related fluids, which promotes strain localization and reaction weakening during later compressional regimes. The Alps with their inverted passive continental margins and their well-known geodynamic evolution provide a suitable study area to test this hypothesis. For this purpose, a combination of structural investigations within a well-defined tectonic framework and the use of different fluid tracers (geochemistry, geochronology) are required. The proposed project should establish epidote as a new, innovative fluid-tracer in granitoid host rocks. The project investigates epidote veins formed during rifting as well subsequenet compression and tests their potential to serve as both fluid tracer and geochronometer. The latter can be achieved by U-Pb isochrone-dating of epidote grains located in well-defined and characterized microstructures. The charact¬erization of the common- and radiogenic Pb-isotopes inside such veins permits to date the timing of mineral growth as well as the timing of fluid/rock interaction. In addition, hydrogen stable isotope data (dD), fingerprints dD values of fluids equilibrating within selected vein arrays. These results will be coupled with Sr-isotope investigations performed on the same samples.
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