UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS G EOCRONOLOGIA E SIGNIFICADO TECTÔNICO DE ROCHAS MÁFICAS DE ALTO F B GRAU METAMÓRFICO DA AIXA RASÍLIA Maria Emilia Schutesky Della Giustina Tese de Doutorado № 101 Brasília, DF 2010 UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS G EOCRONOLOGIA E SIGNIFICADO TECTÔNICO DE ROCHAS MÁFICAS DE ALTO GRAU F B METAMÓRFICO DA AIXA RASÍLIA Maria Emilia Schutesky Della Giustina Tese de Doutorado № 101 Orientador: Prof. Márcio Martins Pimentel Co-orientador: Prof. Cesar Fonseca Ferreira Filho Banca Examinadora: Prof. Reinhardt A. Fuck (UnB) Prof. Nilson F. Botelho (UnB) Prof.ª Renata Schmitt (UFRJ) Prof. Claudio Valeriano (UERJ) Suplente: Prof. Elton L. Dantas (UnB) Brasília, DF, julho de 2010 Tese de doutorado – Maria Emilia Schutesky Della Giustina Agradecimentos A Deus, por me indicar o caminho. Ao Christian e à minha mãe Georgete, em especial, e a toda a minha família, pelo incentivo e paciência. Aos meus orientadores, pela confiança. Ao meu “guru” Claudinei, por todos os palpites. À Joseneusa e ao Sérgio, pelas longas conversas, e a todos os meus amigos, pela força. À equipe do Laboratório de Geocronologia, minha segunda casa nos últimos anos, e a todos que por lá passaram e marcaram nossa vida. À equipe da Geo Lógica Consultoria Ambiental, pelo carinho. Ao CNPq, pela concessão da bolsa de doutorado e pelo apoio financeiro relativo ao projeto 477347/2007-0 (Edital MCT/CNPq Universal). À International Nickel Ventures Ltd. e à Amazônia Mineração, por fornecer os testemunhos de sondagens das intrusões de Damolândia e Taquaral, bem como pelo suporte nos trabalhos de campo. Ao Prof. Claudio Lamarão (UFPA), pelas imagens de catodoluminescência de zircão. À Prof.ª Sandra Andrade (USP), pelas análises de elementos-traço em zircão. Finalmente, a todos que contribuíram de alguma forma para a realização desta tese. i Tese de doutorado – Maria Emilia Schutesky Della Giustina “Se vi mais longe foi porque estava sobre o ombro de gigantes.” Isaac Newton ii Resumo Resumo Maria Emilia Schutesky Della Giustina. 2010. Geocronologia e significado tectônico de rochas máficas de alto grau metamórfico da Faixa Brasília. Tese de doutorado, Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Brasília, 121 p. A interpretação das idades fornecidas por zircão de terrenos de alto grau tem se revelado complexa, visto que há processos que promovem a alteração do cristal ígneo em diferentes escalas durante o evento metamórfico, fornecendo, por vezes, informações geocronológicas ambíguas e pouco acuradas. Nesse sentido, o objetivo deste estudo é investigar a influência do metamorfismo de alto grau no sistema U-Pb de cristais de zircão dos complexos Anápolis-Itauçu e Serra da Malacacheta-Barro Alto, por meio da utilização de imageamento por catodoluminescência e de análises pontuais suplementares de isótopos de Hf e química de zircão. Com isso, pretende-se definir a real-idade geológica dos resultados obtidos e, assim, promover uma melhor compreensão do contexto geotectônico dos terrenos granulíticos mais expressivos da Faixa Brasília. Os complexos acamadados de Damolândia e Taquaral, Goiás, encontram-se inseridos no Complexo Anápolis-Itauçu. Apesar do metamorfismo de fácies granulito superimposto, ainda se observam texturas e mineralogia primária nas duas intrusões e, portanto, os cristais de zircão devem revelar informações primárias e secundárias. Análises U-Pb revelam espalhamento de idades concordantes em intervalo de cerca de 80 Ma, com “interceptos” superiores de ~ 670 Ma. Entretanto, as razões iniciais de 176Hf/177Hf são homogêneas, tanto em escala cristalina quanto na população de zircão e não apresentam correlação com as idades U-Pb. Isso sugere que os cristais formaram-se em um único evento e, portanto, a dispersão observada nas idades reflete a perda parcial de informação do sistema U-Pb. Assim, conclui-se que as idades mais antigas, próximas a 670 Ma, são representativas do evento de cristalização ígnea dos complexos de Damolândia e Taquaral e, portanto, estas intrusões constituem episódio anterior de magmatismo máfico na Faixa Brasília. Este evento magmático mostra-se coevo ao metamorfismo de alto grau e, destarte, pode caracterizar a fonte adicional de calor necessária para o desenvolvimento das assembléias de temperatura ultra-alta dos granulitos do Complexo Anápolis-Itauçu. iii Resumo O complexo Serra da Malacacheta-Barro Alto revela-se, ainda, um alvo adicional para a avaliação das alterações metamórficas em zircão, visto que também reúne rochas máfico- ultramáficas com metamorfismo de alto grau superimposto. Idades U-Pb revelam que o corpo acamadado constitui-se por duas intrusões distintas, caracterizadas pelos complexos Serra da Malcacheta (1,3 Ga) e Barro Alto (0,8 Ga). O metamorfismo de alto grau é datado por titanita e zircão recristalizado das duas unidades em c. 750 Ma, o que implica que ambas já se encontravam unidas neste episódio. Portanto, os novos dados confirmam a similaridade com os complexos Serra dos Borges e Niquelândia, expostos ao norte. Entretanto, os dados U-Pb em zircão são inconclusivos para o metanortosito e para o anfibolito Cafelândia. Em ambos os casos, a assinatura isotópica de Hf é homogênea e, consequentemente, implica em um único episódio de cristalização. Tal fato permite a reclassificação geocronológica das unidades, de modo que o metanortosito relaciona-se ao primeiro episódio magmático, enquanto que o anfibolito Cafelândia insere-se no segundo evento de magmatismo máfico. Assim, o volumoso magmatismo máfico revela-se coevo ao metamorfismo de alto grau e sugere, portanto, que a Faixa Brasília represente um orógeno quente. Palavras-chave: Faixa Brasília, zircão metamórfico, intrusões máficas-ultramáficas acamadadas, metamorfismo de alto grau, Complexo Anápolis-Itauçu, Complexo Serra da Malcacheta - Barro Alto. iv Abstract Abstract Maria Emilia Schutesky Della Giustina. 2010. Geocronologia e significado tectônico de rochas máficas de alto grau metamórfico da Faixa Brasília. Tese de doutorado, Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Brasília, 121 p. The interpretation of U-Pb ages obtained in zircon grains from high-grade rocks have shown to be very complex, given that metamorphism might promote the alteration of igneous crystals in different scales, resulting in ambiguous and imprecise geochronological data. Therefore, the purpose of this study is to investigate the influence of the high-grade metamorphic imprint on the U-Pb isotopic system of zircon from the Anápolis-Itauçu and Serra da Malacacheta-Barro Alto complex, using additional information from cathodoluminescence imaging and in-situ isotopic and chemical analyses in order to define the geological meaning of U-Pb ages. Consequently, the new data provides a better comprehension of the geotectonic evolution of the most noteworthy granulite terranes in the Brasília Belt. The Damolândia and Taquaral layered complexes, Goiás, are part of the Anápolis-Itauçu Complex. Besides of the superimposition of granulite-facies metamorphism, these intrusions still partially preserve igneous texture and mineralogy and, hence, zircon grains might enclose both primary and secondary geochronological information. U-Pb analyses reveal a spread of concordant ages spanning within an age interval of ~80 Ma, which suggests an “upper” intercept age of ~670 Ma. Nevertheless, Hf isotopic ratios are homogeneous within populations and also in crystal-scale domains in all samples and show correlation neither with U-Pb ages nor with Th/U ratios, suggesting that zircon grains crystallized during a single growth event. Therefore, it is suggested that the observed spread of concordant ages in reality reflects the partial reset of the U-Pb system and, thus, the older obtained ages, around 670 Ma, shall be representative of the igneous crystallization of the Damolândia and Taquaral intrusions. Consequently, the new data advocate for a previous episode of mafic magmatism in the Brasília Belt, which is coeval with the high-grade metamorphism in the Anápolis-Itauçu Complexes and, hence, characterizes the additional heat source to the development of ultra-high temperature assemblages. The Serra da Malacacheta-Barro Alto constitutes an additional target to the investigation of metamorphic alteration processes on zircon, since it enclosures mafic-ultramafic rocks v Abstract metamorphosed under amphibolites to granulite facies conditions. U-Pb ages reveal that this composite intrusion is composed of two distinct intrusions, namely the Serra da Malacacheta (1.3 Ga) and Barro Alto complexes (0.8 Ga). The metamorphism is defined at ~750 Ma by titanite and recrystallized domains of zircon from both units, which implies that they were already combined by the time of the metamorphic imprint. Therefore, the new data confirms the similarity among the Serra da Malacacheta-Barro Alto Complex and the Serra dos Borges- Niquelândia complex, exposed to the north. However, U-Pb ages are themselves inconclusive in dating the metanorthosite and the Cafelândia amphibolite. Nevertheless, Hf isotopic signature of both samples is homogeneous and implies that zircon population has crystallized in a single episode, which allows the geochronological reclassification of these units. Thus, the metanorthosite characterizes the first event of mafic magmatism, while the Cafelândia amphibolite is attributed to the second magmatic episode. Therefore, the voluminous mafic magmatism is coeval to high-grade metamorphism in both studied areas and thus, it suggests that the Brasília Belt typify a hot orogen. Key-words: Brasília Belt, metamorphic zircon, layered mafic-ultramafic intrusions, high-grade metamorphism, Anápolis-Itauçu Complex, Serra da Malcacheta - Barro Alto Complex. vi Lista de Figuras Lista de Figuras Figura 1.1 – Mapa geológico esquemático da Faixa Brasília (modificado de Pimentel et al., 2006). 3 Figura 1.2 – Ilustração do problema geocronológico no Complexo Anápolis-Itauçu. Dados U-Pb em zircão (TIMS, SHRIMP). a) Complexo Anápolis-Itauçu; para- e ortogranulitos félsicos (Piuzana, et al., 2003; Baldwin & Brown, 2008; Moraes et al., 2007). b) Complexos máficos-ultramáficos no domínio do Arco de Arenópolis (Hollanda et al., 2003; Laux, et al. 2003). 4 Figura 1.3 – Ilustração do problema geocronológico para o Complexo Serra da Malacacheta-Barro Alto. A) SHRIMP U-Pb em zircão de metanortosito (modificado de Correia et al., 2007). Os dados revelam idades entre 800 e 730 Ma e, portanto, não permitem a distinção entre a cristalização ígnea e o metamorfismo de alto-grau. B) Cristal de zircão de amostra do Complexo de Niquelândia, interpretado como equivalente ao norte do Complexo de Barro Alto (modificado de Pimentel et al., 2004). Bordas metamórficas são nítidas e ocorrem como superfícies curvas quee obliteram a zonação primária. Verifica-se, ainda, que o núcleo apresenta idades mais novas que as bordas, o que sugere distúrbio da assinatura isotópica U-Pb. 5 Figura 2.1 - Aplicações do zircão (baseado em Belousova et al., 2006, Valley, 2003; Watson et al., 2006; Harley & Kelly, 2007; Gerdes & Zeh, 2009). 9 Figura 2.2 – Possíveis etapas de cristalização de zircão durante o metamorfismo em um orógeno quente, durante um período de tempo (∆t) da ordem de milhões de anos (modificado de Harley et al., 2007). Vide texto para explicação. 11 Figura 2.3 - Morfologias externas e texturas internas típicas de zircão metamórfico. A) Morfologia ovóide, com faces e arestas arredondadas, resultantes da interação com fluidos insaturados em Zr (Hoskin & Schaltegger, 2003). B) Zircão euédrico, denominado “soccer-ball”, descrito em leucossoma de fácies granulito (Schaltegger et al., 1999). C) Sequência de estruturas geralmente observadas em zircão cristalizado no episódio metamórfico de alto-grau. O núcleo herdado (1) é envolto por uma zona de baixa luminescência (2), a qual é subsequentemente envolta por uma zona de alta catodoluminescência (Hoskin & Schaltegger, 2003). D) Zircão recristalizado no metamorfismo de alto-grau; nota-se um domínio externo com zonação caótica e não planar, bem como reentrâncias que migram da borda para o núcleo do grão (dimensão em torno de 200µm; Corfu et al., 2003). 13 Figura 2.4 – Mobilidade de elementos traço em zircão durante o metamorfismo de alto-grau (modificado de Martin et al., 2008). Em A, ilustra-se a situação na qual há uma nova cristalização, representada por bordas neoformadas ao redor de núcleos antigos, e em B observa-se um episódio de recristalização do zircão. Ressalta-se a presença de uma fase fluida em ambos os casos, a qual facilita a troca de elementos com o meio. 14 vii Lista de Figuras Figura 2.5 – Padrão de elementos terras raras de zircão metamórfico normalizados pelo condrito (Hoskin & Schaltegger 2003; Fraser et al. 1997). Ambas as curvas representam a cristalização de novos indivíduos ou o sobrecrescimento de bordas ao redor de núcleos herdados. 15 Figure 3.1 - A) Regional sketch map of the Brasilia Belt, in the eastern part of the Tocantins Province (modified from Giustina et al., 2009). B) Geological map of the central part of the Anápolis-Itauçu Complex (modified from Piuzana et al., 2003). The star represents the location of sample INHO-01. 22 Figure 3.2 - Geology of the Damolândia Complex (from unpublished report of International Nickel Venture Ltd.). 25 Figure 3.3 - A) View of the area close to the drill hole FSDM-07. Rare outcrops and abundant dark brownish termite mounts developed on soil from ultramafic rocks (close to drill hole FSDM-07). B) Orthopyroxenite with interstitial white plagioclase (close to drill hole FSDM-07). C) Harzburgite from drill hole FSDM-07. D) Photomicrograph of harzburgite consisting of cumulus olivine (Ol) enclosed in large orthopyroxene oikocryst (opx). E) Photomicrograph of norite consisting of cumulus orthopyroxene (opx) and plagioclase (Pl). F) Zircon-bearing hornblende gabbronorite. Sample DM-16 from drill hole FSDM-07. G) and H) Photomicrograph of partially recrystallized plagioclase-bearing orthopyroxenite. Large igneous orthopyroxene crystals are recrystallized into fine-grained granoblastic aggregates. 26 Figure 3.4 - Log, MgO content and εεεεNd(T) for drill hole FSDM-07. 27 Figure 3.5 - Plot of MgO versus CaO, TiO , Cr and K O for the drill hole FSDM07. 28 2 2 Figure 3.6 - Geology of the northern area of the Taquaral Complex (from unpublished report of International Nickel Venture Ltd.). 30 Figure 3.7 - A) Boulder of highly foliated mafic granulite. The mineral assemblage consists of orthopyroxene, clinopyroxene, plagioclase, hornblende and magnetite. Abundant reddish termite mounts are developed on soil from mafic rocks (locality of sample TQ-22). B) Outcrop of highly foliated subvertical peridotite. Elongated pyroxene crystals and pyroxene aggregates become evident in the weathered surface. C) Sharp contact between peridotite (left side) and pyroxenite (right side) from drill core FSTQ-01. Large pyroxene crystals in the peridotite show up in lighter colors. D) Photomicrograph of peridotite consisting of partially serpentinized olivine crystals (Ol) associated with large orthopyroxene (opx) and chromite (Cr). E) Orthopyroxenite with interstitial sulfides from drill core FSTQ-01. 31 Figure 3.8 - Log, MgO content and εεεεNd(T) for drill hole FSTQ-01 (see Fig. 6 for location). 32 Figure 3.9 - Plot of MgO versus CaO, TiO , Cr and K O for the drill hole FSTQ-01. 33 2 2 Figure 3.10 – CL images of zircon from sample DM-16 (A, B), sample DM-20 (C, D) and sample TQ-14 (E, F). Smaller spots (30 µm) represent the location of U-Pb analyses, whereas larger spots (40 µm) correspond to Hf isotopic investigation. 38 Figure 3.11 - LA-ICPMS (A-C), SHRIMP (D) and ID-TIMS (E-F) U-Pb plots for Damolândia (DM), Taquaral (TQ, TAQ) and Goianira-Trindade complexes (INHO). 39 Figure 3.12 - Zircon in situ Hf isotopic data (A, 176Hf/177Hf; B, ε ) versus U-Pb age plots. 51 t Hft viii