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Age of intrusion and rapid cooling of the Frankenstein gabbro (Odenwald, SW-Germany) evidenced by40Ar/39Ar and single-zircon207Pb/206Pb measurements

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Zusammenfassung

Der Frankenstein-Gabbro im nördlichen Odenwald gehört zu den Plutonen variscischen Alters in der saxothuringischen Zone der Varisciden. An Mineralien aus Gabbro-Gesteinen dieses Komplexes wurden87Sr/86Sr-Anfangswerte (Pyroxen),40Ar/39Ar-Alter (Hornblende, Plagioklas, Biotit, Pyroxen) und207Pb/206Pb-Einzelkorndaten (Zirkon) bestimmt.

Das87Sr/86Sr-Anfangsverhältnis des Gabbro weist mit 0.70380 auf Mantelherkunft hin. Die K-Ar-Alter legen den Zeitpunkt der Intrusion fest und zeigen schnelle Abkühlung nach der Intrusion an. Während die Biotit- und Pyroxen-Altersdaten gestört erscheinen, sind die Ergebnisse an den Hornblenden (363±7 Ma), Plagioklasen (359±3 Ma) und Zirkonen (362±9 Ma) in sehr guter Übereinstimmung (1-sigma STD) und datieren die Intrusion auf die Wende Devon/Karbon. Diese Minerale wurden innerhalb einer Zeitspanne unter ihre Schließtemperatur abgekühlt, die kleiner als die genannten Fehlergrenzen ist (10 Ma). Die Daten repräsentieren deswegen nicht wie im südlich anschließenden Gebiet des Bergsträßer Odenwaldes Abkühlalter nach großräumiger, langsamer Abkühlung infolge von Hebungsvorgängen, sondern das Eindringen des Gabbros in ein relativ seichtes Krustenniveau. Der Hiatus von etwa 20 Ma der K-Ar-Alter der beiden Gebiete zeigt, daß das Frankensteinmassiv seine eigene tektonische Entwicklung während des Karbons hatte und unterstreicht die Wichtigkeit der dazwischen liegenden Störungszone.

Die vorgestellten Daten belegen, daß die verwendete Kombination von Methoden und Techniken sich sehr gut eignet, die geologische Geschichte mafischer Plutone zu erforschen.

Abstract

The Frankenstein gabbro complex in the northern Odenwald/FR Germany is one of the Hercynian plutonic bodies of the Saxothuringian zone in the Variscan belt.87Sr/86Sr isotopic investigations on pyroxene,40Ar/39Ar age determinations on hornblendes, plagioclases, biotites and pyroxenes and207Pb/206Pb dating on single zircon crystals have been carried out.

The87Sr/86Sr initial ratio of the gabbro (0.70380) indicates uncontaminated derivation of the magma from the mantle. The results on hornblendes, plagioclases and zircons establish the isotopic age of intrusion and the mode of cooling. Pyroxene and biotite data indicate disturbed K-Ar systems of these minerals. The average ages of the hornblendes (363±7 Ma), of the plagioclases (359±3 Ma) and of the zircons (362 ±9 Ma) agree within the 1-sigma levels and constrain the early history of the plutonic intrusion at the turn from Devonian to Carboniferous times. These minerals must have been cooled below their closure temperatures within a time-interval shorter than the error margins of 10 Ma. The ages therefore are, unlike those of the neighbouring Bergsträßer Odenwald, not long-time cooling ages due to largescale and slow geological uplift of the crustal segment. Instead, they will closely estimate the time of intrusion of the Frankenstein pluton into a shallow crustal level. The hiatus of about 20 Ma compared to the average ages of the crystalline rocks of the Bergsträßer Odenwald in the south characterizes the mafic Frankenstein pluton as a separated unit of the Odenwald crystalline, and underlines the importance of the Carboniferous tectonic fault zone in-between.

The present data set clearly demonstrates the importance of the applied combination of methods and techniques to constrain the history of intrusion and cooling of mafic plutonic rocks.

Résumé

Le gabbro de Frankenstein, situé dans la partie nord de l'Odenwald (sud-ouest de la R. F. A.) fait partie des plutons mafiques varisques de la zone saxothuringienne de la chaîne hercynienne. Les minéraux de ce gabbro ont fait l'objet des mesures suivantes: rapport initial87Sr/86Sr (pyroxène), âge40Ar/39Ar (hornblende, plagioclase, biotite, pyroxene),207Pb/206Pb, (zircons isolés).

Le rapport87Sr/86Sr initial du gabbro, d'une valeur de 0,70380, indique une origine mantellique. Les déterminations K-Ar fixent l'âge de l'intrusion et indiquent un refroidissement subséquent rapide. Les résultats fournis par les pyroxènes et les biotites indiquent une perturbation de leur système K-Ar; par contre les résultats obtenus sur les hornblendes, (363±7 Ma), les plagioclases (359±3 Ma) et les zircons (362 ±9 Ma) sont très concordants (1σ) et correspondent à la limite Dévomen-Carbonifère. Ces minéraux ont été refroidis jusqu'en-dessous de leur température de fermeture en un temps qui est plus court que l'approximation des mesures (environ 10 Ma). Les âges mesurés ne représentent donc pas des âges isotopiques de refroidissement de longue durée, liés au soulèvement lent d'un vaste segment crustal, comme c'est le cas pour les roches voisines du Bergsträsser Odenwald; ils fournissent au contraire le moment de l'intrusion dans un niveau peu profond de la croûte. L'hiatus entre les âges isotopiques de ces deux domaines (Frankenstein et Bergsträsser Odenwald) montre que le massif gabbroïque possédait au Carbonifère une position tectonique propre et souligne l'importance de la zone failleuse carbonifère qui les sépare.

Nos résultats prouvent que l'application combinée des deux méthodes de datation offre un grand avantage dans l'étude de l'histoire géologique des plutons mafiques.

Краткое содержание

Габбро из Франкенште йна в северной части О денвальда относят к шгутонам ва рисского возраста саксотюрингской зоны Варисцид. Минера лы, изолированные из пород этого габбро, были исследованы с по мощью 3-? радиометрических ме тодов:87Sr/86Sr / пироксен /,40Аг/34Аг / роговая обман ка, плагиоклаз, биотит, пироксен / и207Pb/206Pb / отдельные зерна цирк онов/.

Исходные значения со отношения изотопов с тронция в габбро дали величин у 0,70380, что говорит о его происхождении из ман тии. Возраст по К/Аг-мет оду разрешает предполаг ать, что внедрение и ох лаждение интрузии, по всей веро ятности, происходило быстро. Данные о возрасте по б иотитам и пироксенам противоречивы, зато по роговой обман ке /363 + 7 Ма/, полевому шпату /359±ЗМа/и цирконам /362±9 Ма/ совпадают /1 — сигма STD / и на основани и этих данных считают, что внедрение интруз ии произошло на рубеж е девонкарбон. Названные минералы о хлаждались в течение одного и того же перио да до температуры зак рытия, причем этот период ме ньше ошибки методики, которая составляет 10 М а. Все эти полученные д анные указывают на внедрен ие габбро в сравнител ьно тонкую кору; а у пород региона Бергштрассе Оденвал ьда, расположенного южне е и прилегающего к мас сиву Франкенштейн охлажд ение шло, по всей вероя тности, медленнее, в результа те их постепенного по днятия. Разрыв их возраста пр имерно в 20 Ма, определе нный по методу калий-аргон а в обоих регионах ука зывает на то, что образование ма ссива Франкенштейн ш ло в каменноугольном периоде довольно нез ависимо и, т.о., подчеркивает значим ость зоны нарушений, р асположеной между этими структур ными единицами.

Представленные данн ые указывают на то, что для изучения геологичес кой истории мафическ их плутонов целесообразным явля ется комплексное при менение методов исследовани я.

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Kirsch, H., Kober, B. & Lippolt, H.J. Age of intrusion and rapid cooling of the Frankenstein gabbro (Odenwald, SW-Germany) evidenced by40Ar/39Ar and single-zircon207Pb/206Pb measurements. Geol Rundsch 77, 693–711 (1988). https://doi.org/10.1007/BF01830178

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