The magma system of the Kłodzko-Złoty Stok intrusion: origin and evolution

Intruzja Kłodzko-złotostocka (dalej KZSI) jest jedną z licznych intruzji waryscyjskich odsłaniająca się w Sudetach. KZSI wyróżnia się od pozostałych zróżnicowaniem skał. Niniejsza dysertacja próbuje przedstawić ewolucję KZSI i związanego z nią systemu magmowego w połączeniu analizy przestrzennej, oraz petrologicznych, mineralogicznych i geochemicznych metod. Duże zróżnicowanie skał to efekt mieszania się magm oraz krystalizacji frakcjonalnej. Zidentyfikowano dwa główne typy pierwotnych, prymitywnych stopów: bazaltowy (tworzący melanokratyczny szereg gabro-diorit-tonalit-granodioryt) i wapniowo-alkaliczny lamprofirowy (tworzący szereg od durbachitu do monzonitu podttyp kwarcowy). Natomiast najpowszechniejsze skały samej intruzji to melanokratyczne odmiany monzodiorytu, monzodiorytu kwarcowego i granodiorytu. Wytworzyły się one z mieszania się pierwotnych stopów lub/i ich produktów krystalizacji frakcjonalnej. Wynikiem analizy przestrzenno-petrograficznej jest nowa mapa KZSI, która wyróżnia dwie główne części: jednorodną późno-karbońską część (okolice Laski-Laskówki na NW), oraz heterogeniczną (ok. 75% powierzchni obecnego poziomu intersekcji) wczesnokarbońską. Skład chemiczny i jego zróżnicowanie w minerałach określa pochodzenie stopu. Skład plagioklazów waha się od albitu do bytownitu (0 do 85% An (anortyt)) w skali intruzji (aż +/-50% An w skali pojedynczych skał). Wszystkie odmiany amfibolu w składzie tremolitu, aktinolitu, hornblendy, pargasitu i hastyngsytu, edenitu oraz richteritu i arfvedsonitu wykazują wyłącznie średnio i mocno magnezowy skład. Pirokseny jak i amfibole są wyłącznie magnezowe. Najpowszechniejszy jest diopsyd oraz augit-diopsydowy. Większość rzadko występujących ortopiroksenów (enstatyt) jest w silnej nierównowagi. Stabilne skupienia ortopiroksenów występują w niektórych skałach żyłowych, w durbachitach oraz w skałach ultramaficznych. Dominujący skład biotytu to średnia nisko-glinowa odmiana od anitu do flogopitu. W akcesorycznych minerałach dominuje apatyt-F, ale zaobserwowano też odmiany apatytu-Cl i apatytu-OH. Połączenie analiz apatytowych z geochronologią pozwala stwierdzić, że wczesnokarboński magmatyzm wyróżnia się systematycznym wzbogaceniem Cl w ostatnich plutonicznych skałach tego wieku, Cl w apatycie osiąga 1.0 apfu. Apatyty późnokarbonskich skał są wyraźnie uboższe w Cl (na poziomie detekcji). Niektóre z tytanitów zawiera aż 3.5% pierwiastków ziem rzadkich oraz Zr. Kompilacja wszystkich dostępnych wyników datowań skał ujawnia dwie główne fazy plutoniczne, z wyraźną przerwą długości 15-20 Ma. Pierwsza faza – wieloimpulsowa wczesnokarbońska (ok. 350-330 Ma), druga, krótkotrwałą późnokarbońska (ok. 305 Ma). Relacje wieku i petrografii skał pokazują również, że pierwsza połowa wczesnokarbońskej fazy była zdominowana przez magmy bazaltowo-tonalitowe, a druga przez lamprofirowo-monzonitowe. Termobarometria oparta na składzie chemicznym amfibolu, pochodzącego ze skał plutonowych, wskazuje, że intruzja musiała zostać pochylona w kierunku NW ok. 45° dopiero po późnokarbonskej fazie plutonizmu. Wyniki również pokazują, że magma zbierała się na ok. 7-10 km głębokości, a temperatura magm intrudujących wynosiła między 800-1050 ℃. Termobarometrię opartą na składzie amfibolu oraz dwóch piroksenów zastosowano też na skałach żyłowych. Wyniki, w połączeniu z kompilacją geochronologiczną, rzucają światło na kinematykę termiczną płaszcza litosfery i dolnej skorupy (obejmując wiek od 342 Ma do 323 Ma i częściowo ok. 300 Ma). Wskazują one, że płaszcz litosfery schłodził się do temperatury ok. 920 ℃ (notowana stabilność amfiboli do około 90 km głębokości) z wartości powyżej 1050 ℃, notowanej w dolnej skorupie (stabilność piroksenu) w okresie 342-333 Ma. Zaobserwowano też wzrost udziału H2O i Cl w tym samym okresie. Około 333 Ma temu temperatury litosfery i skorupy zaczęły powracać do podobnego gradientu, notowanego przez skały o wieku 342 Ma. Ok. 327 Ma można uznać za wiek powrotu do temperatury wyjściowej.

The Kłodzko Złoty-Stok intrusion (KZSI) from Polish Sudetes, is one of many Variscan granitoid intrusions. It is, however, unique by its extreme variability in rock textures and composition. This dissertation tries to depict evolution of KZSI and related igneous system using in combination GIS, petrographical, mineralogal and geochemical methods. The complicated igneous history of the KZSI, spanning near 50 Ma, was dominated by processes of magma mixing and fractional crystallisation which had led to formation of huge variety of rock types. Two types of primary parent melts were identified: basaltic (forming melanocratic gabro-diorite-tonalite-granodiorite) and calc-alkaline lamprophyric (forming durbachite-monzonite and quartz bearing subtypes). The most common rock types of melanocratic monzodiorite, Qtz monzodiorite and granodiorite were formed by mixing those primary melts, or their fractional crystallisation products. The new map of intrusion, based on spatial-petrographic analysis, distinguishes the two major parts: homogeneous late Carboniferous Laski-Laskówka (NW) part, and the heterogeneous (ca. 75% of the outcropping intrusion) early Carboniferous part. Chemical composition and its variations of the minerals gives hints about origin of the melt. Plagioclases exhibit an extreme range of chemical composition from albite to bytownite (0 to 85% anorthite (An)) for whole intrusion (the An component fluctuation up to 50% in single rock). Common occurrence of An-rich plagioclase points to the melt source of mantle origin. Analysed varieties of amphibole, including tremolite, actinolite, hornblende, pargasite and hastyngsite, edenite, richterite and arfvedsonite, are moderately and strongly magnesian. Pyroxenes are exclusively magnesian too. Diopside and augite-diopside are the most commonly encountered types. Orthopyroxene (enstatite) is rare, and occurences of relics point to high disequilibrium with the melt. Stable occurrences of it were found in some of the dykes, durbachite and ultramafic rocks. The composition of dominant mica – biotite – is the average low-aluminous variant between the annit and the phlogopite. Phlogopite occurs in the rocks closely associated with lamprophyres. Accessory apatites had recorded the activities of volatiles in the melt. Apatite-F is the most dominant with some substantial but very important apatite-Cl and apatite-OH occurrences. It show the systematic enrichment of melt in the chlorine at early Carboniferous, where it had reached even 1.0 apfu. The late Carboniferous apatites are Cl-poor. Some of titanites contain up to 3.5% of rare earth elements and Zr which suggest subduction(-like) origin of the melts. Fresh compilation of pulished and unpublished rock ages reveals two major plutonic phases with a clear hiatus of 15-20 Ma: early Carboniferous multi-pulse (350-330 Ma) and late Carboniferous short-lived (ca. 305 Ma) phases. The first half of early Carboniferous phase was dominated by basaltic-tonalitic magmas, and the other half by lamprophyric-monzonitic. Amphibole thermobarometry, applied to plutonic rocks, hints that the intrusion had to be tilted towards NW (ca. 45°) following after late Carboniferous plutonic phase. It also suggests that the intrusion was emplaced/assembled at ca. 7-10 km depth, where the temperatures of intruding magma were in between 750-1050 °C. Amphibole- and two-pyroxene- thermobarometers applied for dyke rocks and combined with geochronological compilation allow to reconstruct the thermal kinematics of the underlying (lower-) crust and lithosphere mantle from 342 Ma to 323 Ma. The results point to lithosphere mantle cooling down to ca. 920 °C (amphibole stability down to ca. 90 km depth) from ≫1050 °C lower crust (pyroxene stability) and increase in H2O and Cl activity during 342 Ma – 333 Ma period. At ca. 333 Ma the lithosphere and crust had to begin heating reaching the similar geothermal gradient as from 342 Ma at 327 Ma.