Leo Jakob Millonig

• This study presents new petrological results obtained from high-grade metamorphic rocks of the Beit Bridge, Mahalapye and Phikwe Complexes, which constitute the Central Zone of the Limpopo Belt in southern Africa. These results provide detailed information about the prograde and retrograde pressure-temperature (P-T) evolution of the three investigated complexes and, in concert with geochronological data, form the basis for the development of a coherent geodynamic model for the evolution of the Limpopo’s Central Zone. The P-T paths were inferredThis study presents new petrological results obtained from high-grade metamorphic rocks of the Beit Bridge, Mahalapye and Phikwe Complexes, which constitute the Central Zone of the Limpopo Belt in southern Africa. These results provide detailed information about the prograde and retrograde pressure-temperature (P-T) evolution of the three investigated complexes and, in concert with geochronological data, form the basis for the development of a coherent geodynamic model for the evolution of the Limpopo’s Central Zone. The P-T paths were inferred by the thorough investigation of silica-saturated and silica- undersaturated metapelitic and metabasic rocks, comprising six sillimanite-garnet-cordierite gneisses, four (garnet)-biotite-plagioclase gneisses, two garnet-orthopyroxene-biotite-Kfeldspar-plagioclase gneisses, one garnet- cordierite-orthoamphibole fels, one garnet-biotite amphibolite, and one garnet-clinopyroxene amphibolite. P-T points and P-T evolutions were derived by the application of conventional geothermobarometers, and quantitative phase diagrams in the systems Na2O - CaO - K2O - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O - TiO2 - O (NCKFMASHTiO), and MnO - TiO2 - Na2O - CaO - K2O - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O (MnTiNCKFMASH) - using the computer software THERMOCALC and THERIAK-DOMINO. The petrological information, in particular those obtained by comparison between observed and thermodynamically calculated mineral assemblages, zonations and modes, in combination with new and existing geochronological data provide evidence that rocks from the three investigated complexes underwent slightly different P-T evolutions at different times. The samples from the Bulai Pluton area (Beit Bridge Complex) provide evidence for a Neoarchean high-grade metamorphic event at ~2.64 Ga (M2), with peak P-T conditions of ~850°C at 8-9 kbar, and a decompression-cooling path to ~750°C at 5-6 kbar. This metamorphic evolution perhaps took place in a magmatic arc setting. In contrast, samples from the Mahalapye and Phikwe Complex document a Palaeoproterozoic event at ~2.03-2.05 Ga (M3), and were subject to different styles of prograde metamorphism. Metamorphic rocks from the Mahalapye Complex experienced a high-temperature low-pressure (HT-LP) metamorphic overprint, accompanied by the emplacement of voluminous granite bodies between 2.06 and 2.02 Ga, and provide evidence for a slightly prograde decompression from ~650°C/7 kbar to ~800°C/5.5 kbar. In contrast, the metamorphic rocks from the Phikwe Complex provide evidence for a simultaneous pressure and temperature increase from ~600°C/6 kbar to ~750°C/8 kbar, in the absence of significant Palaeoproterozoic magmatism. The HT-LP metamorphic evolution of the Mahalapye Complex is interpreted to be initiated by the underplating of hot mafic melts, either formed in response to SE-subduction during the Kheis-Magondi orogeny, and/or by contemporaneous mantle plume activities related to the formation of the Bushveld Complex. In contrast, the prograde pressure and temperature increase reflected by the rocks from the Phikwe Complex rather reflects successive crustal stacking at ~2.03 Ga. This stacking, which is also reported from many other units throughout the Limpopo Belt, is interpreted to result from the final convergence between the Kaapvaal and Zimbabwe Cratons, perhaps caused by SE-directed compression in response to the Kheis-Magondi orogeny between ~2.06 and 1.90 Ga.…
• Die vorliegende Doktorarbeit präsentiert neue petrologische Untersuchungen an hochgradig metamorphen Gesteinen des Beit Bridge, Mahalapye und Phikwe Komplexes, welche gemeinsam die Central Zone des Limpopo Belt im südlichen Afrika bilden. Die Ergebnisse liefern detaillierte Informationen über die pro- und retrograde Druck-Temperatur-(P-T)-Entwicklung der drei Komplexe und bilden, in Einklang mit geochronologischen Daten, die Grundlage für die Erstellung eines einheitlichen geodynamischen Modells der Bildung der Central Zone des Limpopo Belt.Die vorliegende Doktorarbeit präsentiert neue petrologische Untersuchungen an hochgradig metamorphen Gesteinen des Beit Bridge, Mahalapye und Phikwe Komplexes, welche gemeinsam die Central Zone des Limpopo Belt im südlichen Afrika bilden. Die Ergebnisse liefern detaillierte Informationen über die pro- und retrograde Druck-Temperatur-(P-T)-Entwicklung der drei Komplexe und bilden, in Einklang mit geochronologischen Daten, die Grundlage für die Erstellung eines einheitlichen geodynamischen Modells der Bildung der Central Zone des Limpopo Belt. Die abgeleiteten P-T Pfade wurden anhand detaillierter Untersuchungen an quartzgesättigten und - untersättigten Metapeliten bis Metabasiten erstellt, wobei sechs Sillimanit-Granat-Cordierit Gneisse, vier (Granat)- Biotit-Plagioklas Gneisse, zwei Granat-Orthopyroxen-Biotit- Kalifeldspat-Plagioklas Gneisse, ein Granat-Cordierit-Orthoamphibol Fels, ein Granat-Biotit Amphibolit und ein Granat-Klinopyroxen Amphibolit untersucht wurden. PT Punkte und P-T Entwicklungen wurden mit Hilfe von konventionellen Geothermobarometern und quantitativen Phasendiagrammen in den Systemen Na2O - CaO - K2O - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O - TiO2 - O(NCKFMASHTiO) und MnO - TiO2 - Na2O - CaO - K2O - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O (MnTiNCKFMASH) berechnet und abgeleitet. Die Phasendiagramme wurden mit den Programmen THERMOCALC und THERIAK-DOMINO berechnet. Petrologische Informationen, speziell solche, die durch den Vergleich von beobeachteten/gemessenen mit thermodynamisch berechneten Mineralparagenesen, -zonierungen, -zusammensetzungen und Modalgehalten erhalten wurden zeigen, in Kombination mit neuen und bereits existierenden geochronologischen Daten, dass Gesteine der drei untersuchten Komplexe geringfügig unterschiedliche P-T Entwicklungen zu verschiedenen Zeiten durchliefen. Proben aus der Gegend des Bulai Plutons (Beit Bridge Komplex) belegen ein hochgradig metamorphes Ereignis im Neoarchaikum um ~2.64 Ga (M2), mit peak-metamorphen Bedingungen von ~850°C/8-9 kbar und einer retrograden Dekompression mit gleichzeitiger Abkühlung zu ~750°C/5-6 kbar. Diese metamorphe Entwicklung erfolgte vermutlich im geodynamischen Umfeld eines Magmatischen Bogens. Im Gegensatz hierzu dokumentieren Proben des Mahalapye und Phikwe Komplexes metamorphe Entwicklungen im Paläoproterozoikum um ~2.03-2.05 Ga (M3), die sich zudem im prograden Verlauf der Metamorphose voneinander unterscheiden. Metamorphe Gesteine des Mahalapye Komplexes kennzeichnet eine Hochtemperatur- Niedrigdruck-(HT-LP)- Metamorphose mit schwacher prograder Dekompression von ~650°C/7 kbar nach ~800°C/5.5 kbar, die mit der Platznahme von ausgedehnten granitischen Intrusionen um ~2.06-2.02 Ga einherging. Metamorphe Gesteine des Phikwe Komplexes hingegen zeigen eine gleichzeitige Druck- und Temperaturzunahme von ~600°C/6 kbar nach ~750°C/8 kbar, die nicht mit Magmatismus im Paläoproterozoikum assoziiert war. Es wird gefolgert, dass die HT-LP metamorphe Entwicklung des Mahalapye Komplexes ihre Ursache in dem magmatischen „Underplating“ heisser mafischer Schmelzen, als Ergebnis südost- erichteter Subduktion während der Kheis-Magondy Orogenese, und/oder der zeitgleichen Aktivität von Mantel Plumes, in Zusammenhang mit der Bildung des Bushveld Komplexes, hat. Im Gegensatz hierzu belegen die Gesteine des Phikwe Komplexes eine prograde Druck- und Temperaturzunahme, hervorgerufen durch eine fortschreitende Krustenstapelung um ~2.03 Ga. Diese Stapelung ist bereits für zahlreiche andere geologischen Einheiten des Limpopo Belt belegt. Sie wird als eine Folge der endenden Annäherung/Kollision zwischen dem Kaapvaal und Zimbabwe Kraton interpretiert, welche durch südost-gerichtete Kompression im Zuge der Kheis-Magondy Orogenese zw. ~2.06 und 1.90 Ga hervorgerufen wurde.…