Probing the thermodynamic properties of mantle rocks in solid and liquid states

Our understanding of the structure and evolution of the deep Earth is strongly linked to knowledge of the thermodynamic properties of rocky materials at extreme temperatures and pressures. In this thesis, I present work that helps constrain the equation of state properties of iron-bearing Mg-silicate perovskite as well as oxide-silicate melts. I use a mixture of experimental, statistical, and theoretical techniques to obtain knowledge about these phases. These include laser-heated diamond anvil cell experiments, Bayesian statistical analysis of powder diffraction data, and the development of a new simplified model for understanding oxide and silicate melts at mantle conditions. By shedding light on the thermodynamic properties of such ubiquitous Earth-forming materials, I hope to aid our community’s progress toward understanding the large-scale processes operating in the Earth’s mantle, both in the modern day and early in Earth’s history.

I. Impact spallation experiments: fracture patterns and spall velocities. II. Craters in carbonate rocks: an electron paramagnetic resonance analysis of shock damage

This work is divided into two independent papers.

PAPER 1.

Spall velocities were measured for nine experimental impacts into San Marcos gabbro targets. Impact velocities ranged from 1 to 6.5 km/sec. Projectiles were iron, aluminum, lead, and basalt of varying sizes. The projectile masses ranged from a 4 g lead bullet to a 0.04 g aluminum sphere. The velocities of fragments were measured from high-speed films taken of the events. The maximum spall velocity observed was 30 m/sec, or 0.56 percent of the 5.4 km/sec impact velocity. The measured velocities were compared to the spall velocities predicted by the spallation model of Melosh (1984). The compatibility between the spallation model for large planetary impacts and the results of these small scale experiments are considered in detail.

The targets were also bisected to observe the pattern of internal fractures. A series of fractures were observed, whose location coincided with the boundary between rock subjected to the peak shock compression and a theoretical "near surface zone" predicted by the spallation model. Thus, between this boundary and the free surface, the target material should receive reduced levels of compressive stress as compared to the more highly shocked region below.

PAPER 2.

Carbonate samples from the nuclear explosion crater, OAK, and a terrestrial impact crater, Meteor Crater, were analyzed for shock damage using electron para- magnetic resonance, EPR. The first series of samples for OAK Crater were obtained from six boreholes within the crater, and the second series were ejecta samples recovered from the crater floor. The degree of shock damage in the carbonate material was assessed by comparing the sample spectra to spectra of Solenhofen limestone, which had been shocked to known pressures.

The results of the OAK borehole analysis have identified a thin zone of highly shocked carbonate material underneath the crater floor. This zone has a maximum depth of approximately 200 ft below sea floor at the ground zero borehole and decreases in depth towards the crater rim. A layer of highly shocked material is also found on the surface in the vicinity of the reference bolehole, located outside the crater. This material could represent a fallout layer. The ejecta samples have experienced a range of shock pressures.

It was also demonstrated that the EPR technique is feasible for the study of terrestrial impact craters formed in carbonate bedrock. The results for the Meteor Crater analysis suggest a slight degree of shock damage present in the β member of the Kaibab Formation exposed in the crater walls.

Oxygen, carbon and hydrogen isotope studies of contact metamorphism

The O¹⁸/O¹⁶, C¹³/C¹², and D/H ratios have been determined for rocks and coexisting minerals from several granitic plutons and their contact metamorphic aureoles in northern Nevada, eastern California, central Colorado, and Texas, with emphasis on oxygen isotopes. A consistent order of O¹⁸/O¹⁶, C¹³/C¹², and D/H enrichment in coexisting minerals, and a correlation between isotopic fractionations among coexisting mineral pairs are in general observed, suggesting that mineral assemblages tend to approach isotopic equilibrium during contact metamorphism. In certain cases, a correlation is observed between oxygen isotopic fractionations of a mineral pair and sample distance from intrusive contacts. Isotopic temperatures generally show good agreement with heat flow considerations. Based on the experimentally determined quartz-muscovite O¹⁸/O¹⁶ fractionation calibration curve, temperatures are estimated to be 525 to 625°C at the contacts of the granitic stocks studied.

Small-scale oxygen isotope exchange effects between intrusive and country rock are observed over distances of 0.5 to 3 feet on both sides of the contacts; the isotopic gradients are typically 2 to 3 per mil per foot. The degree of oxygen isotopic exchange is essentially identical for different coexisting minerals. This presumably occurred through a diffusion-controlled recrystallization process. The size of the oxygen isotope equilibrium systems in the small-scale exchanged zones vary from about 1.5 cm to 30 cm. A xenolith and a re-entrant of country rock projecting into on intrusive hove both undergone much more extensive isotopic exchange (to hundreds of feet); they also show abnormally high isotopic temperatures. The marginal portions of most plutons have unusually high O¹⁸/O¹⁶ ratios compared to "normal" igneous rocks, presumably due to large-scale isotopic exchange with meta-sedimentary country rocks when the igneous rocks were essentially in a molten state. The isotopic data suggest that outward horizontal movement of H₂O into the contact metamorphic aureoles is almost negligible, but upward movement of H₂O may be important. Also, direct influx and absorption of water from the country rock may be significant in certain intrusive stocks.

Except in the exchanged zones, the O¹⁸/O¹⁶ ratios of pelitic rocks do not change appreciably during contact metamorphism, even in the cordierite and sillimanite grades; this is in contrast to regional metamorphic rocks which commonly decrease in O¹⁸ with increasing grade. Low O¹⁸/O¹⁶ and C¹³/C¹² ratios of the contact metamorphic marbles generally correlate well with the presence of calc-silicate minerals, indicating that the CO₂ liberated during metamorphic decarbonation reactions is enriched in both O¹⁸ and C¹³ relative to the carbonates.

The D/H ratios of biotites in the contact metamorphic rocks and their associated intrusions show a geographic correlation that is similar to that shown by the D/H ratios of meteoric surface waters, perhaps indicating that meteoric waters were present in the rocks during crystallization of the biotites.

Evolução geológica do Complexo Quirino, Terreno Paraíba do Sul, Setor Central da Faixa Ribeira, com base em dados isotópicos de Sm-Nd e Sr

A área estudada está inserida na Faixa Ribeira, Segmento Central da Província Mantiqueira (Almeida et al., 1973, 1977, 1981), que representa um cinturão de dobramentos e empurrões gerado no Neo-proterozóico/Cambriano, durante a Orogênese Brasiliana, na borda sul/sudeste do Cráton do São Francisco (Almeida, 1971, 1977; Cordani et al., 1967, 1973; Cordani & Brito Neves, 1982; Teixeira & Figueiredo, 1991). Neste contexto, o Complexo Quirino é o embasamento retrabalhado do Terreno Paraíba do Sul (Heilbron et al., 2004). O Complexo Quirino é formado por extensos corpos de ortognaisses foliados a homogêneos, leuco a mesocráticos, de granulometria média à grossa, composicionalmente variando entre granitóides tonalíticos/granodioríticos a graníticos, e apresentando enclaves de rochas ultramáficas, máficas e cálcio-silicáticas (ricas em tremolita). Os ortognaisses tonalíticos/granodioríticos apresentam porfiroblastos de plagioclásio e a hornblenda como máfico principal, contrastando com os de composição granítica que apresentam porfiroblastos de K-feldspato e biotita predominante. Como acessórios aparecem zircão, titanita, apatita e epidoto. Também estão associados a estes ortognaisses, granitóides neoproterozóicos que formam corpos individualizados ou lentes anatéticas no conjunto paleoproterozóico. Estes são compostos predominantemente por biotita gnaisse e hornblenda-biotita gnaisse. A análise litogeoquímicas dos ortognaisses do Complexo Quirino demonstrou a existência de duas séries magmáticas distintas. A primeira pertencente à série cálcio-alcalina de alto-K apresenta uma composição mais expandida granítica-adamelítica/granodioritica/tonalítica e é correlacionável aos bt-ortognaisses e alguns hb-bt-ortognaisses. Os ortognaisses da série médio-K apresentam composição predominantemente tonalítica, sendo correlacionáveis à maioria dos hornblenda-biotita gnaisses. Enclaves lenticulares de metapiroxeníticos e anfibolíticos ocorrem em muitos afloramentos. Também ocorrem granitóides neoproterozóicos de composição graníticas a quartzo-monzoníticas O estudo isotópico de Sm-Nd e Sr demonstrou que os ortognaisses da série cálcio-alcalina de alto-K e aqueles da série cálcio-alcalina de médio-K possuem idades modelo TDM variando entre paleoproterozóicas a arqueanas, consistentes com dados U-Pb em zircão publicados na literatura. A série cálcio-alcalina de alto-K é mais antiga (2308 9,2 Ma a 2185 8 Ma) do que a série calcio-alcalina de médio-K (2169 3 a 2136 14 Ma) e a existência de zircões herdados com idades mínimas de 2846 Ma e 2981 Ma para série de médio-K e 3388 16 para série de alto-K. Os granitóides brasilianos possuem idades de cristalização neoproterozóica correlacionada a Orogênese Brasiliana (602 a 627 Ma) (Viana, 2008; Valladares et al., 2002)./Com base nos dados de Sr e Sm-Nd foi possível caracterizar 4 grupos distintos. Os grupos 1 e 2 são formados por rochas de idade paleoproterozóica (2,1 a 2,3 Ga) com idades modelo TDM variando de 2,9 e 3,4 Ga, εNd entre -8,1 e -5,8 e 87Sr/86Sr(t) = 0,694707 (Grupo 1) e TDM variando de 2,5 a 2,7 Ga, εNd entre -5,8 e -3,1 e 87Sr/86Sr(t) = 0,680824 (Grupo 2), formados no paleoproterozóico com contribuição de uma crosta arqueana. O grupo 3 é formado por rochas juvenis de idade paleoproterozóica, com idades de cristalização variando entre 2,0 e 2,2 Ga e com idades modelo TDM variando de 2,1 a 2,2 Ga e εNd entre + 1,5 e + 1,2. O grupo 4 é formado durante o neoproterozóico (645 Ma) por rochas possivelmente de idade paleoproterozóico com idades modelo TDM igual a 1,7 Ga e εNd igual a -8,3.

Oxygen isotope ratios in coexisting minerals of regionally metamorphosed rocks

The O¹⁸/O¹⁶ ratios of coexisting minerals from a number of regionally metamorphosed rocks have been measured, using a bromine pentafluoride extraction-technique. Listed in order of their increasing tendency to concentrate O¹⁸, the minerals analyzed are magnetite, ilmenite, chlorite, biotite, garnet, hornblende, kyanite, muscovite, feldspar, and quartz. The only anomalous sequence detected occurs in a xenolith of schist, in which quartz, muscovite, biotite, and ilmenite, but not garnet, have undergone isotopic exchange with surrounding trondjemite.

With few exceptions, quartz-magnetite and quartz-ilmenite fractionations decrease with increasing metamorphic grade determined by mineral paragenesis and spatial distribution. This consistency does not apply to quartz-magnetite and quartz-ilmenite fractionations obtained from rocks in which petrographic evidence of retrogradation is present.

Whereas measured isotopic fractionations among quartz, garnet, ilmenite, and magnetite are approximately related to metamorphic grade, fractionations between these minerals and biotite or muscovite show poor correlation with grade. Variations in muscovite-biotite fractionations are relatively small. These observations are interpreted to mean that muscovite and biotite are affected by retrograde re-equilibration to a greater extent than the anhydrous minerals analyzed.

Measured quartz-ilmenite fractionations range from 12 permil in the biotite zone of central Vermont to 6.5 permil in the sillimanite-orthoclase zone of southeastern Connecticut. Analyses of natural assemblages from the kyanite and sillimanite zones suggest that equilibrium quartz-ilmenite fractionations are approximately 8 percent smaller than corresponding quartz-magnetite fractionations. Employing the quartz-magnetite geothermometer calibrated by O'Neil and Clayton (1964), a temperature of 560°C was obtained for kyanite-bearing schists from Addison County, Vermont. Extending the calibration to quartz-ilmenite fractionations, a temperature of 600°C was obtained for kyanite-schists from Shoshone County, Idaho. At these temperatures kyanite is stable only at pressures exceeding 11 kbars (Bell, 1963), corresponding to lithostatic loads of over 40 km.

I. The Superstition Hills, California, earthquakes of 24 November 1987. II. Three-dimensional velocity structure of southern California.

Part 1 of this thesis is about the 24 November, 1987, Superstition Hills earthquakes. The Superstition Hills earthquakes occurred in the western Imperial Valley in southern California. The earthquakes took place on a conjugate fault system consisting of the northwest-striking right-lateral Superstition Hills fault and a previously unknown Elmore Ranch fault, a northeast-striking left-lateral structure defined by surface rupture and a lineation of hypocenters. The earthquake sequence consisted of foreshocks, the M_s 6.2 first main shock, and aftershocks on the Elmore Ranch fault followed by the M_s 6.6 second main shock and aftershocks on the Superstition Hills fault. There was dramatic surface rupture along the Superstition Hills fault in three segments: the northern segment, the southern segment, and the Wienert fault.

In Chapter 2, M_L≥4.0 earthquakes from 1945 to 1971 that have Caltech catalog locations near the 1987 sequence are relocated. It is found that none of the relocated earthquakes occur on the southern segment of the Superstition Hills fault and many occur at the intersection of the Superstition Hills and Elmore Ranch faults. Also, some other northeast-striking faults may have been active during that time.

Chapter 3 discusses the Superstition Hills earthquake sequence using data from the Caltech-U.S.G.S. southern California seismic array. The earthquakes are relocated and their distribution correlated to the type and arrangement of the basement rocks. The larger earthquakes occur only where continental crystalline basement rocks are present. The northern segment of the Superstition Hills fault has more aftershocks than the southern segment.

An inversion of long period teleseismic data of the second mainshock of the 1987 sequence, along the Superstition Hills fault, is done in Chapter 4. Most of the long period seismic energy seen teleseismically is radiated from the southern segment of the Superstition Hills fault. The fault dip is near vertical along the northern segment of the fault and steeply southwest dipping along the southern segment of the fault.

Chapter 5 is a field study of slip and afterslip measurements made along the Superstition Hills fault following the second mainshock. Slip and afterslip measurements were started only two hours after the earthquake. In some locations, afterslip more than doubled the coseismic slip. The northern and southern segments of the Superstition Hills fault differ in the proportion of coseismic and postseismic slip to the total slip.

The northern segment of the Superstition Hills fault had more aftershocks, more historic earthquakes, released less teleseismic energy, and had a smaller proportion of afterslip to total slip than the southern segment. The boundary between the two segments lies at a step in the basement that separates a deeper metasedimentary basement to the south from a shallower crystalline basement to the north.

Part 2 of the thesis deals with the three-dimensional velocity structure of southern California. In Chapter 7, an a priori three-dimensional crustal velocity model is constructed by partitioning southern California into geologic provinces, with each province having a consistent one-dimensional velocity structure. The one-dimensional velocity structures of each region were then assembled into a three-dimensional model. The three-dimension model was calibrated by forward modeling of explosion travel times.

In Chapter 8, the three-dimensional velocity model is used to locate earthquakes. For about 1000 earthquakes relocated in the Los Angeles basin, the three-dimensional model has a variance of the the travel time residuals 47 per cent less than the catalog locations found using a standard one-dimensional velocity model. Other than the 1987 Whittier earthquake sequence, little correspondence is seen between these earthquake locations and elements of a recent structural cross section of the Los Angeles basin. The Whittier sequence involved rupture of a north dipping thrust fault bounded on at least one side by a strike-slip fault. The 1988 Pasadena earthquake was deep left-lateral event on the Raymond fault. The 1989 Montebello earthquake was a thrust event on a structure similar to that on which the Whittier earthquake occurred. The 1989 Malibu earthquake was a thrust or oblique slip event adjacent to the 1979 Malibu earthquake.

At least two of the largest recent thrust earthquakes (San Fernando and Whittier) in the Los Angeles basin have had the extent of their thrust plane ruptures limited by strike-slip faults. This suggests that the buried thrust faults underlying the Los Angeles basin are segmented by strike-slip faults.

Earthquake and explosion travel times are inverted for the three-dimensional velocity structure of southern California in Chapter 9. The inversion reduced the variance of the travel time residuals by 47 per cent compared to the starting model, a reparameterized version of the forward model of Chapter 7. The Los Angeles basin is well resolved, with seismically slow sediments atop a crust of granitic velocities. Moho depth is between 26 and 32 km.

Evolução estrutural das zonas de cisalhamento dúcteis na porção centro-leste do domínio da Zona Transversal na Província Borborema

A área estudada está inserida no Domínio Transversal da Província Borborema. As unidades litoestratigráficas que compõem o embasamento paleoproterozócio (riaciano) são representadas por rochas ortoderivadas dos Complexos Salgadinho e Cabaceiras. Esses complexos foram individualizados de acordo com as suas diferenças composicionais, texturais e/ou geocronológicas. As rochas metassedimentares de idade paleoproterozóica (Orosiriano) foram interpretadas como constituintes do Complexo Sertânia. O magmatismo no estateriano é caracterizado por ortognaisses sienogranítcos da Suíte Carnoió-Caturité e por metanortositos do Complexo Metanortosítico Boqueirão. As unidades litoestratigráficas do Neoproterozóico são representadas por sucessões metassedimentares Criogenianas do Complexo Surubim e ortognaisses granodioríticos e sienograníticos do início do Ediacarano, denominados de Complexo Sumé e Ortognaisse Riacho de Santo Antônio, respectivamente. O magmatismo granítico do Ediacarano foi caracterizado pelo alojamento dos Plutons Inácio Pereira e Marinho. Os dados geocronológicos (U-Pb em zircão) obtidos indicam, no mínimo, o desenvolvimento de três eventos tectono-magmáticos. As idades de 2042 + 11Ma e 1996 + 13Ma obtidas nos ortoanfibolitos do Complexo Cabaceiras foram interpretadas como a idade de cristalização do protólito e metamorfismo, respectivamente. A idade de 1638 + 13Ma proveniente de hornblenda ortognaisse sienogranítico da Suíte Carnoió-Caturité foi interpretada como a idade de cristalização do protólito, marcando um evento magmático Estateriano de afinidade anorogênica. A idade de 550 + 3.1Ma encontrada em monzogranito porfirítico do Pluton Marinho é um registro do último evento magmático no final do Ediacarano, associado ao estágio tardio de desenvolvimento da Zona de Cisalhamento Coxixola. Os dados estruturais permitiram a individualização de três fases de deformação dúcteis, individualizadas como D1, D2 e D3. A fase D1 foi responsável pela geração de uma foliação S1, observada somente na charneira de dobras F2. O evento D2 é assinalado por uma tectônica contracional com transporte para NNW, observado a partir de bandas de cisalhamento assimétricas e dobras de arrasto em cortes paralelos a lineação de estiramento (L2x). Zonas de cisalhamento dúcteis de geometria e cinemática distintas desenvolveram-se durante a fase D3. As zonas de Cisalhamento Boa Vista, Carnoió e Congo estão orientadas na direção NE-SW e exibem cinemática sinistral em cortes paralelos à lineação de estiramento (L3x). As terminações meridionais dessas zonas de cisalhamento estão conectadas com a Zona de Cisalhamento Coxixola. Essa zona de cisalhamento, de direção WSW-ENE e cinemática destral, atravessa toda a área de estudo, com uma espessura média de rochas miloníticas de 300m. A Zona de Cisalhamento Inácio Pereira ocorre na porção leste da área de estudo, orientada na direção WNW-ESE. A análise geométrica e cinemática dessa zona de cisalhamento sugere uma evolução deformacional através de regime transpressivo oblíquo sinistral. O padrão anastomosado final resultante do desenvolvimento de todas as zonas de cisalhamento da área é relacionado à evolução estrutural de um sistema de zonas de cisalhamento dúcteis conjugadas.

High frequency wave propagation in the earth: theory and observation

The wave-theoretical analysis of acoustic and elastic waves refracted by a spherical boundary across which both velocity and density increase abruptly and thence either increase or decrease continuously with depth is formulated in terms of the general problem of waves generated at a steady point source and scattered by a radially heterogeneous spherical body. A displacement potential representation is used for the elastic problem that results in high frequency decoupling of P-SV motion in a spherically symmetric, radially heterogeneous medium. Through the application of an earth-flattening transformation on the radial solution and the Watson transform on the sum over eigenfunctions, the solution to the spherical problem for high frequencies is expressed as a Weyl integral for the corresponding half-space problem in which the effect of boundary curvature maps into an effective positive velocity gradient. The results of both analytical and numerical evaluation of this integral can be summarized as follows for body waves in the crust and upper mantle:

1) In the special case of a critical velocity gradient (a gradient equal and opposite to the effective curvature gradient), the critically refracted wave reduces to the classical head wave for flat, homogeneous layers.

2) For gradients more negative than critical, the amplitude of the critically refracted wave decays more rapidly with distance than the classical head wave.

3) For positive, null, and gradients less negative than critical, the amplitude of the critically refracted wave decays less rapidly with distance than the classical head wave, and at sufficiently large distances, the refracted wave can be adequately described in terms of ray-theoretical diving waves. At intermediate distances from the critical point, the spectral amplitude of the refracted wave is scalloped due to multiple diving wave interference.

These theoretical results applied to published amplitude data for P-waves refracted by the major crustal and upper mantle horizons (the Pg, P*, and Pn travel-time branches) suggest that the 'granitic' upper crust, the 'basaltic' lower crust, and the mantle lid all have negative or near-critical velocity gradients in the tectonically active western United States. On the other hand, the corresponding horizons in the stable eastern United States appear to have null or slightly positive velocity gradients. The distribution of negative and positive velocity gradients correlates closely with high heat flow in tectonic regions and normal heat flow in stable regions. The velocity gradients inferred from the amplitude data are generally consistent with those inferred from ultrasonic measurements of the effects of temperature and pressure on crustal and mantle rocks and probable geothermal gradients. A notable exception is the strong positive velocity gradient in the mantle lid beneath the eastern United States (2 x 10^-3 sec^-1), which appears to require a compositional gradient to counter the effect of even a small geothermal gradient.

New seismic-refraction data were recorded along a 800 km profile extending due south from the Canadian border across the Columbia Plateau into eastern Oregon. The source for the seismic waves was a series of 20 high-energy chemical explosions detonated by the Canadian government in Greenbush Lake, British Columbia. The first arrivals recorded along this profile are on the Pn travel-time branch. In northern Washington and central Oregon their travel time is described by T = Δ/8.0 + 7.7 sec, but in the Columbia Plateau the Pn arrivals are as much as 0.9 sec early with respect to this line. An interpretation of these Pn arrivals together with later crustal arrivals suggest that the crust under the Columbia Plateau is thinner by about 10 km and has a higher average P-wave velocity than the 35-km-thick, 62-km/sec crust under the granitic-metamorphic terrain of northern Washington. A tentative interpretation of later arrivals recorded beyond 500 km from the shots suggests that a thin 8.4-km/sec horizon may be present in the upper mantle beneath the Columbia Plateau and that this horizon may form the lid to a pronounced low-velocity zone extending to a depth of about 140 km.

The geochronology of the plutonic and metamorphic rocks of New Zealand

Extensive Rubidium-Strontium age determinations on both mineral and total rock samples of the crystalline rocks of New Zealand, which almost solely crop out in the South Island, indicate widespread plutonic and metamorphic activity occurred during two periods, one about 100-118 million years ago and the other about 340-370 million years ago. The former results date the Rangitata Orogeny as Cretaceous. They associate extensive plutonic activity with this orogeny which uplifted and metamorphosed the rocks of the New Zealand Geosyncline, although no field association between the metamorphosed geosynclinal rocks and plutonic rocks has been found. The Cretaceous plutonic rocks occur to the west in the Foreland Province in Fiordland, Nelson, and Westland, geographically separated from the Geosynclinal Province. Because of this synchronous timing of plutonic and high pressure metamorphic activity in spatially separated belts, the Rangitata Orogeny in New Zealand is very similar to late Mesozoic orogenic activity in many other areas of the circum-Pacific margin (Miyashiro, 1961).

The 340-370 million year rocks, both plutonic and metamorphic, have been found only in that part of the Foreland Province north of the Alpine Fault. There, they are concentrated along the west coast over a distance of 500 km, and appear scattered inland from the coast. Probably this activity marks the outstanding Phanerozoic stratigraphic gap in New Zealand which occurred after the Lower Devonian.

A few crystalline rocks in the Foreland Province north of the Alpine Fault with measured ages intermediate between 340 and 120 million years have been found. Of these, those with more than one mineral examined give discordant results. All of these rocks are tentatively regarded as 340-370 million year old rocks that have been variously disturbed during the Rangitata Orogeny, 100-120 million years ago.

In addition to these two periods, plutonic activity, dominantly basic and ultrabasic, but including the development of some rocks of intermediate and acidic composition, occurred along the margin of the Geosynclinal Province at its border with the Foreland Province during Permian times about 245 million years ago, and this activity possibly extended into the Mesozoic.

Evidence from rubidium-strontium analyses of minerals and a total rock, and from uranium, thorium, and lead analyses of uniform euhedral zircons from a meta-igneous portion of the Charleston Gneiss, previously mapped as Precambrian, indicate that this rock is a 350-370 million year old plutonic rock metamorphosed 100 million yea rs ago during the Rangitata Orogeny. No crystalline rocks with primary Precambrian ages have been found in New Zealand. However, Pb²⁰⁷/Pb₂₀₆ ages of 1360 million years and 1370 million years have been determined for rounded detrital zircons separated from each of two hornfels samples of one of New Zealand's olde st sedimentary units, the Greenland Series. These two samples were metamorphosed 345- 370 million years ago. They occur along the west coast, north of the Alpine Fault, at Waitaha River and Moeraki River, separated by 135 km. The Precambrian measured ages are most likely minimum ages for the oldest source area which provided the detrital zircons because the uranium, thorium and lead data are highly discordant. These results are of fundamental importance for the tectonic picture of the Southwest Pacific margin and demonstrate the existence of relatively old continental crust of some lateral extent in the neighborhood of New Zealand.

Caracterização do maciço Santa Clara no município de Cujubim (RO) com base em litogeoquímica, geocronologia e estudos isotópicos

A Suíte Intrusiva Santa Clara está inserida na Província Estanífera de Rondônia, na porção SW do Cráton Amazônico. Essa suíte intrusiva é composta pelos maciços Santa Clara, Oriente Velho, Oriente Novo, Manteiga-Sul, Manteiga-Norte, Jararaca, Carmelo, Primavera e das Antas. Os litotipos que perfazem a Suíte Santa Clara ocorrem hospedados nas rochas do Complexo Jamari, uma associação polideformada composta por gnaisses ortoderivados e paraderivados. Características observadas em campo e em análises petrográficas permitiram subdividir o Maciço Santa Clara em cinco fácies distintas: fácies porfirítica, fácies isotrópica, fácies fina, fácies piterlítica e fácies viborgítica. Os litotipos observados correspondem a hornblenda-biotita granitos e biotita granitos intermediários a ácidos, com composições médias semelhantes àquelas verificadas para sienogranitos e monzogranitos. Geoquimicamente, três magmas podem ser identificados. O magma menos evoluído corresponde às rochas das fácies porfirítica e equigranular, e o mais evoluído compreende as fácies de granulometria fina e piterlítica. A fácies viborgítica representa o terceiro líquido magmático, e aparentemente é diferente de todas as outras fácies em termos de aspectos de campo e geoquímica. A análise litogeoquímica indica que estes granitoides são subalcalinos, bastante empobrecidos em MgO e exibem caráter metaluminoso a fracamente peraluminoso. Os padrões de elementos-traços evidenciam que tais granitóides possuem alto conteúdo em elementos incompatíveis (Rb, Zr, Y, Ta, Ce) e ETR, com exceção do Eu. Além disso, também exibem leve enriquecimento em LILE, forte depleção em elementos como Sr e Ti, e leve empobrecimento de Ba, indicando que o fracionamento de minerais como plagioclásio e titanita foi importante na evolução do líquido magmático analisado. A anomalia negativa de Nb indica envolvimento de material crustal nos processos magmáticos que geraram estes granitoides. Os litotipos analisados possuem características típicas de granitos tipo-A ferroan, e as razões FeOt/MgO entre 4,27 e 26,22 sugerem tratar-se de uma série de granitos félsicos fracionados. Os padrões de ETR observados para os litotipos analisados exibem um considerável enriquecimento em ETRL, e anomalia negativa de Eu, sugerindo fracionamento de feldspato durante o processo de diferenciação do líquido magmático. Diagramas discriminantes de ambientes tectônicos sugerem que os litotipos do Maciço Intrusivo Santa Clara são típicos de ambiente intraplaca, do tipo-A2, isto é, associados a ambientes pós-colisionais/pós-orogênicos. As características isotópicas observadas para os granitoides do Maciço Santa Clara sugerem que os mesmos foram gerados a partir da fusão parcial de uma crosta inferior pré-existente. As idades U-Pb entre 1,07 e 1,06 Ga são compatíveis com um magmatismo ocorrido nos estágios finais da colagem do supercontinente Rodínia (1,2-1,0 Ga) e estágios finais do Ciclo Orogênico Sunsás-Aguapeí (1320-1100 Ma). Sugere-se ainda que na verdade o Maciço Santa Clara seja formado por uma coalescência das três intrusões graníticas que são representadas pelos três magmas anteriormente descritos.

Comportamento germinativo de espécies rupícolas de inselbergs do Morro da Urca, Rio de Janeiro - RJ

Inselbergs são afloramentos rochosos isolados que emergem abruptamente acima das planícies que os circundam, formados principalmente por afloramentos de rochas graníticas e gnáissicas. São lugares com alta diversidade e endemismo, e caracterizados por alto grau de insolação, temperaturas do ar e do solo, com ventos fortes e solos com baixa retenção de água. Sementes de três espécies típicas dos inselbergs (Alcantarea glaziouana, Barbacenia purpurea e Tibouchina corymbosa) foram estudadas para avaliar o efeito das temperaturas constantes (15 a 40C) e alternada (20-30C), o estresse hídrico (Ψw = 0,0 a -1,2 MPa) promovido por soluções de polietileno glicol 6000 (PEG) e a qualidade da luz sob diferente valores de razão vermelho: vermelho extremo (V:VE), na porcentagem final e velocidade de germinação. Os resultados mostraram que todas as espécies têm sementes muito leves, variando entre 0,005 - 0,04 g. As três espécies apresentaram alta germinação sob temperaturas entre 20C e 30C, e não germinaram a 40C, exceto A. glaziouana. A máxima germinação foi obtida em água destilada (0 MPa) e as diferentes condições de estresse hídrico reduziram a percentagem e a velocidade de germinação de todas as espécies estudadas. A. glaziouana foi a espécie menos sensível a redução do potencial hídrico. As sementes de todas as espécies necessitam de exposição a luz para a máxima germinação (fotoblásticas positivas) e a porcentagem final de germinação foi inibida sob baixos valores de V:VE. A razão V:VE que resultou em 50% da máxima germinação variou entre as espécies. Estes resultados demonstram que a germinação pode limitar a capacidade das espécies em colonizar tanto novas áreas como área perturbadas, além de contribuir para a distribuição das espécies nos inselbergs.

Comparação entre o Complexo Juiz de fora e a Unidade Granulítica Ponte de Zinco: geocronologia U-Pb em zircão (LA-ICPMS), geoquímica isotópica e composição das fontes geradoras

A comparação entre o Complexo Juiz de Fora e a Unidade Granulítica Ponte de Zinco (Mangaratiba - RJ) revelou que existem diferenças significativas entre essas unidades. Na Unidade Granulítica Ponte de Zinco, são encontrados ortogranulitos de composição granítica e granodiorítica, que representam o embasamento da Unidade, denominada aqui de Ortogranulitos Ribeirão das Lajes. Dois outros litotipos ortoderivados também foram encontrados: (i) um ortognaisse com granada (MAN-JEF-03a), sendo que a granada ocorre de forma subordinada; (ii) ortognaisse leucocrático (MAN-JEF-04), com características miloníticas. Além dessas, rochas metassedimentares também afloram na Unidade Granulítica Ponte de Zinco. Foi interpretado que um ortogranulito (MAN-JEF-01a) de alto-K, com composição monzogranítica, cristalizou em ca. 2653 37 Ma (U-Pb em zircão por LA-ICPMS), afetado por um evento no Neoproterozóico, que gerou os minerais máficos hidratados, observados na análise petrográfica e como mostram as borda de sobrecrescimento em zircão. Sua idade modelo de Nd de 2,7 Ga e seu εNd positivo de +2,1, apontam para uma gênese mantélica, tendo assimilado rochas crustais, pois são encontrados grãos de zircão herdados de aproximadamente 2996 17 Ma e 3343 3.8 Ma. Os dados de litogeoquímica e sua razão 87Sr/86 Sr(t) (0,70529), são compatíveis com uma geração em um arco continental. O ortognaisses com granada do ponto MAN-JEF-03 possui composição granodiorítica. A idade de cristalização interpretada pela análise geocronológica U-Pb em zircão (LA-ICPMS), foi ca. 2117 15 Ma. Esse litotipo foi metamorfizado no Neoproterozóico, sendo a idade obtida pelo intercepto inferior de 631 40 Ma. Seus dados isotópicos apontam para uma rocha juvenil gerada a partir do manto (TDM ≈ de 2,1 Ga e εNd = +3,4). Sua alta razão 87Sr/86 Sr(t) (0,710 ) juntamente com os grãos de zircão herdados (2,6 Ga) e a presença de enclaves, indicam assimilação de rochas crustais. O ortognaisse leucocrático (MAN-JEF-04) classificado como alto-K, possui composição monzogranítica, idade 2132 9,4 Ma U-Pb em zircão (LA-ICPMS). Um único grão relíquiar de ortopiroxênio encontrado em lâmina, , indica que a rocha já foi submetida a metamorfismo de fácies granulito, porém esse evento não deixou registro nos grãos analisados. O retrometamorfismo pode ter ocorrido em dois momentos, 647 11 Ma e 595 38 Ma, calculados através da concordia age, em sobrecrescimentos homogêneos e, pelo intercepto inferior, respectivamente. Sua baixa razão 87Sr/86 Sr(t) (≈ 0,703) associada com εNd positivo (+2,3) e sua idade modelo de aproximadamente 2,1 Ga, revelam que a rocha foi formada por um material mantélico juvenil. Já as análises geocronológicas em U-Pb em zircão (LA-ICPMS) na região de Juiz de Fora (MG), revelaram a existência de dois litotipos Arqueanos: um ortogranulito granodiorítico (MB-JEF-01b), de baixo-K com idade de 2849 11 Ma e com herança de 2975 10 Ma. Seu εNd positivo (+5,9) aponta para uma gênese a partir do manto depletado, já sua alta razão 87Sr/86Sr(t) (≈0,709) indica contaminação de Rb de fontes externas, talvez causada pela assimilação da crosta, como revelam os zircões herdados e/ou fluidos retrometamorficos. Outro litotipo é uma rocha gabróica do tipo E-MORB, cuja idade foi calculada em 2691 14 Ma, com retrometamorfismo ocorrido no intervalo de 604 67 Ma, obtida pelo intercepto inferior. Seu εNd igual a +3,4 e sua razão 87Sr/86 Sr(t) (≈0,701) mostram extração a partir do manto depletado. Novos dados isotópicos do CJF na região de Três Rios (RJ) e Juiz de Fora (MG), sugerem que os ortogranulitos calcioalcalinos podem representar grupos distintos. Rochas com εNd positivos são consequentemente associadas ao manto depletado, porém rochas com εNd negativos devem ter sido geradas por fusão crustal, que podem ser fusão de crosta inferior, devido a razão 87Sr/86 Sr(t) (0,70514) encontrada no amostra MB-JEF-02a (ortogranulito de alto-K) ou tendo a crosta contribuição nas gênese dessas rochas. Os ortogranulitos básicos possuem εNd positivos com baixas razões 87Sr/86 Sr(t) , o que indica extração a partir do manto depletado, porém sua razões La/YbN e La/NbN maiores que 1, revelam alguma contribuição de uma fonte enriquecida, assim também mostram suas razões Pb/Pb, que são maiores do que as razões calculadas para evolução de Pb na Terra. Essas interpretações ainda podem ser estendidas para um ortoanfibolito da série alcalina, encontrado na região de Três Rios (RJ).

Geocronologia U-Pb SHRIMP no Complexo Mantiqueira na região entre Juiz de Fora e Santos Dumont, sudeste de Minas Gerais

O Orógeno Ribeira representa um cinturão de dobramentos e empurrões, gerado no Neoproterozóico/Cambriano, durante a Orogênese Brasiliana, na borda sul/sudeste do Cráton do São Francisco e compreende quatro terrenos tectono-estratigráficos: 1) o Terreno Ocidental, interpretado como resultado do retrabalhamento do paleocontinente São Francisco, é constituído de duas escamas de empurrão de escala crustal (Domínios Andrelândia e Juiz de Fora); 2) o Terreno Oriental representa uma outra microplaca e abriga o Arco Magmático Rio Negro; 3) o Terreno Paraíba do Sul, que constitui-se na escama superior deste segmento da faixa; e 4) o Terreno Cabo Frio, cuja docagem foi tardia, ocupa pequena área no litoral norte do estado do Rio de Janeiro. Em todos os diferentes compartimentos do segmento central da Faixa Ribeira podem ser identificadas três unidades tectono-estratigráficas: 1) unidades pré-1,8 Ga. (ortognaisses e ortogranulitos do embasamento); 2) rochas metassedimentares pós-1,8 Ga; e 3) granitóides/charnockitóides brasilianos. O Complexo Mantiqueira é composto por ortognaisses migmatíticos, tonalíticos a graníticos, e anfibolitos associados, constitui o embasamento pré-1,8 Ga das rochas da Megasseqüência Andrelândia no domínio homônimo do Terreno Ocidental. Foram integrados 68 dados litogeoquímicos dentre ortognaisses e metabasitos do Complexo Mantiqueira. As rochas dessa unidade pertencem a duas séries distintas: série calcioalcalina (rochas intermediárias a ácidas); e série transicional (rochas básicas, ora de afinidade toleítica, ora alcalina). Com base em critérios petrológicos, análise quantitativa e em valores [La/Yb]N, verificou-se que o Complexo Mantiqueira é bastante heterogêneo, incluindo diversos grupos petrogeneticamente distintos. Dentre as rochas da série transicional, foram identificados 2 conjuntos: 1) rochas basálticas toleiíticas, com [La/Yb]N entre 2,13 e 4,72 (fontes do tipo E-MORB e/ou intraplaca);e 2) rochas basálticas de afinidade alcalina, com [La/Yb]N entre 11,79 e 22,78. As rochas da série calciolacalina foram agrupadas em cinco diferentes conjuntos: 1) ortognaisses migmatíticos quartzo dioríticos a tonalíticos, com [La/Yb]N entre 11,37 e 38,26; 2) ortognaisses bandados de composição quarzto diorítica a granodiorítica, com [La/Yb]N entre 4,35 e 9,28; 3) ortognaisses homogênos de composição tonalítica a granítica, com [La/Yb]N entre 16,57 e 38,59; 4) leucognaisses brancos de composição tonalítica/trondhjemítica a granítica, com [La/Yb]N entre 46,69 e 65,06; e 5) ortognaisse róseo porfiroclástico de composição tonalítica a granítica, com [La/Yb]N entre 82,70 e 171,36. As análises geocronológicas U-Pb SHRIMP foram realizadas no Research School of Earth Science (ANU/Canberra/Austrália). Foram obtidas idades paleoproterozóicas para as rochas das duas séries identificadas, interpretadas como a idade de cristalização dos protólitos magmáticos desses gnaisses e metabasitos. Os resultados obtidos mostram uma variação de idades de cristalização de 2139 35 a 2143,4 9,4, para as rochas da série transicional, e de 2126,4 8 a 2204,5 6,7, para aquelas da série calcioalcalina. Dentre todas as amostras estudadas, apenas a amostra JF-CM-516IV forneceu dados discordantes de idades arqueanas (292916 Ma), interpretados como dados de herança. Contudo, evidências dessa herança semelhantes a esta são observadas em outras amostras. Ambas as séries também apresentaram idades de metamorfismo neoproterozóico, no intervalo de 548 17 Ma a 590,5 7,7 Ma que é consistente com o metamorfismo M1 (entre 550 e 590 Ma), contemporâneo à colisão entre os Terrenos Ocidental e Oriental do setor central da Faixa Ribeira (Heilbron, 1993 e Heilbron et al., 1995).