German Title: Veränderung magnetischer Eigenschaften von Granit während hydrothermaler Alteration (EPS-1 Bohrung, Oberrheingraben)

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Abstract

Rock magnetic properties and petrological investigations of the magnetite-bearing Variscan Soultz granite from the EPS-1 borehole (Upper Rhine Graben) provided a significant contribution for the understanding of the “old” (Middle Carboniferous to Permo-Triassic) hydrothermal alteration history. This alteration history is generally subdivided into two stages. Stage I alteration is related to processes during magma cooling and solidification of the plutonic body in Middle Carboniferous times. Stage II alteration is associated with post-emplacement tectonics from Late Carboniferous to Permo-Triassic, such as exhumation of the plutonic body to a paleo-erosion surface, near surface processes beneath the paleo-surface and the influence of the overlying Permo-Mesozoic sedimentary cover. This study focuses on two main scopes: (i) chronological succession of the alteration history of the Soultz granite, and (ii) modification of the magnetic properties in relation to the different geological processes mentioned above. During the stage I alteration the plutonic body solidified, which led to the formation of first permeable fault zones at temperatures ~300 °C, obtained from chlorite-geothermometry. The formation of permeable zones allowed the circulation of O2-rich fluids, which caused the oxidation of magnetite into martite (hematite) within discrete zones. Granites, which are situated further away from a fault zone remained unaffected, and thus are called “fresh” from the magnetic point of view (magnetic susceptibility, k > 10 x 10-3 SI). The k(T) measurements revealed thermomagnetic behavior typical for multi-domain magnetite in fresh granite and an irreversible thermomagnetic behavior in altered granite reflecting the oxidation degree of magnetite. Such degree is related to an alteration index (Al-index) obtained from the difference between k of the heating and the cooling run at room temperature. The AMS (anisotropy of magnetic susceptibilty) fabric in fresh granites is related to the subhorizontal primary magmatic fabric indicating emplacement within a decelerating flow regime. Along with the oxidation of magnetite k was decreased to values < 1 x 10-3 SI. The primary horizontal magnetic fabric changed to a steeply dipping and NW-SE trending magnetic fabric in the altered granite due to a microcrack-controlled oxidation. This oxidation caused elongated and aligned small magnetite relics within the host mineral martite. Paleomagnetic investigations revealed that this first faulting event took place during Middle Carboniferous. During Late Carboniferous, probably until Perm, the plutonic body was affected by unloading and exhumation. The initial fault zones were reactivated and k(T) curves revealed the formation of pyrite and Fe-carbonates. The AMS fabric in wall rocks of the fault zones evolved from a normal to an inverse fabric due to decreased (single-domain) grain sizes of the magnetite relics. At the same time, the AMS fabric in the cataclastic granites was destroyed by brittle deformation. The exhumation of the plutonic body to a paleo-erosion surface resulted in near surface processes within the upper borehole section . These processes caused an oxidation of pyrite, which led to the circulation of strongly acidic fluids. Such acidic fluids led to the decomposition of Fe-carbonates and martite until they were neutralized by mixing with meteoric fluids, which in turn caused the precipitation of abundant fine-grained hematite. This event led to a widespread hematitization of the upper borehole section. The fine-grained hematite shows paleofield vectors typical for Permo-Triassic. In contrast, fault zones at the bottom of the borehole remained unaffected by this near surface processes. Granites from these fault zones display a reduction of martite back to magnetite caused by the infiltration of organic matter from the overlying Permo-Mesozoic sedimentary cover. In such granites, no relevant paleomagnetic information could be obtain.

Translation of abstract (German)

Die gesteinsmagnetischen und petrologischen Untersuchungen des Magnetit-führenden Soultz-Granits aus der EPS-1 Bohrung (Oberrheingraben) lieferten einen bedeutenden Beitrag zum Verständnis über die „alte“ (Mittel-Karbonische bis Permo-Triassische) hydrothermale Alteration. Diese ist im allgemeinen in zwei Alterationsstufen unterteilt. Stufe I bezieht sich auf Prozesse während der Abkühlung und Erstarrung des Magmas im Mittel-Karbon, hervorgegangen aus paleomagnetischen Untersuchungen. Stufe II ist assoziiert mit Spät-Karbonischen bis Permo-Triassischen tektonischen Prozessen, die nach der Platznahme des Granitplutons stattfanden: Exhumierung zu einer Paläo-Landoberfläche, oberflächennahe Prozesse und der Einfluss der überlagernden Permo-Mesozoischen sedimentären Decke. Diese Studie konzentriert sich auf zwei Hauptschwerpunkte: (i) die chronologische Abfolge der Alterationsgeschichte im Soultz Granit und (ii) die Modifikation der magnetischen Eigenschaften in Bezug auf die oben genannten geologischen Prozesse. Hierzu wurden drei generelle Methoden aus der Gesteinsmagnetik verwendet: AMS (Anisotropie der magnetischen Suszeptibilität), Untersuchungen der remanenten Magnetisierung und die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Suszeptibilität (k(T)). Während der ersten Alterationsstufe erstarrte der Granitpluton, was zu der Bildung von ersten permeablen Störungszonen bei Temperaturen ~300 °C führte, ermittelt mit Hilfe von Chlorit-Geothermometrie. Die Bildung dieser permeablen Zonen erlaubte die Zirkulation O2-reicher Fluide, welche zur Oxidation von Magnetit zu Martit (Hämatit) innerhalb von diskreten Zonen führte. Granite, die sich in weiterer Entfernung zu den Störungszonen befinden, blieben dabei unbeeinflusst. Vom magnetischen Standpunkt betrachtet werden solche Proben als „frisch“ bezeichnet (magnetische Suszeptibilität, k > 10 x 10-3 SI). Diese k(T) Messungen zeigen einen typischen Verlauf für multi-domain Magnetit und ein AMS (Anisotropie der magnetischen Suszeptibilität) -Gefüge, das mit einem primär subhorizontalen magmatischen Gefüge korreliert und die Platznahme des Magmas in einem sich horizontal ausbreitenden Fließregime widerspiegelt. Aufgrund von Mikroriss-kontrollierter Oxidation von Magnetit nahm die Suszeptibilität ab (k < 1 x 10-3 SI). Das primär horizontale magnetische Gefüge wechselte zu einem steil einfallenden, NW-SE orientierten sekundären Gefüge im alterierten Granit, was am AMS-Gefüge und an orientierten Dünnschliffen beobachtet wurde. Paleomagnetische Untersuchungen zeigen, dass die initiale Bildung von solchen Störungszonen noch während des Mittel-Karbons stattfand. Während der Exhumierung im Spät-Karbon wurden die frühen Störungszonen reaktiviert, was zur Bildung von Pyrit und Fe-Karbonaten führte, die mit Hilfe von k(T) Messungen identifiziert werden konnten. Die Heraushebung zu einer Paläo-Landoberfläche führte zu oberflächennahen Prozessen im oberen Bereich des Plutonkörpers, was die Oxidation von Fe-Karbonaten und Pyrit bewirkte. Die Oxidation von Pyrit führte zur Zirkulation von stark sauren Lösungen, die wiederum den Abbau von Fe-Karbonaten und Martit verursachten. Das Verdünnen der saueren Fluide mit meteorischen Wässern an der Oberfäche resultierte in der Fällung von großen Mengen an feinkörnigem Hämatit im oberen Bereich des Bohrprofils. Die Störungszonen des unteren Bereichs blieben von diesen Oberflächenprozessen unbeeinflusst, zeigen jedoch eine Reduktion von Martit zurück zum Magnetit, verursacht durch den Eintrag von organischer Substanz in Fluiden aus der überlagernden Permo-Mesozoischen Sedimentdecke.