Original paper

Structures, flow stresses, and estimated strain rates in metamorphic rocks of the Small Cyclades Islands Iraklia and Schinoussa (Aegean Sea, Greece)

Behrmann, Jan H.; Seckel, Claudia

Abstract

Like the larger Cyclades Islands (e.g. Naxos, Paros, Ios) the Small Cyclades Islands form part of the Attic-Cycladic crystalline basement belt. Subduction in the Paleogene was associated with high-pressure metamorphism, followed by a Barroviantype overprint, local partial melting and granitic plutonism in the Neogene. On the islands of Iraklia and Schinoussa Neogene metamorphism did not exceed mid-greenschist grade, and there are some well preserved older high-pressure/low temperature metamorphic assemblages. The rocks and structural geology of both islands had previously not been analysed in detail. Rocks present are calcite and dolomite marbles, in part with preserved paleosoils (metabauxites and metalaterites), and a suite of metapelitic schists with associated glaucophane schists and piemontite quartzites. There is a ductile deformation history comprising four events. The two older ones (D1, D2) are associated with high strains, and have resulted in a subhorizontal foliation, a N-S trending stretching lineation, and recumbent isoclinal folds with variable axial orientations. At least D1 is bracketed by the growth of glaucophane, with uncertain kinematics. D2, syn-blueschist grade on Iraklia, however, has a clear top-to-north sense of shear. D3 and D4 caused upright folds with N-S and E-W trending fold axes, respectively. This is evidence for late, two-phase horizontal shortening. As the deformed rocks show only a slight static metamorphic overprint, we have estimated flow stresses from dynamically recrystallized grain sizes of quartz and calcite. Coincident flow stress estimates are 28-62 MPa in quartzites, and 31-56 MPa in the marbles. Together with syntectonic temperature extimates, and applying published flow laws, this leads to estimated deformation rates on the order of 10−12 to 10−14 sec−1. Even though deformation history and kinematics is very similar to that on Naxos Island, the clear relation of the earlier part to high-pressure metamorphism on Iraklia and Schinoussa speaks in favour of a subduction-related setting here. This is in contrast to the later formation of metamorphic core complexes in the north (Naxos) and south (Ios).

Kurzfassung

Die Kleinen Kykladen gehören wie die großen Kykladeninseln (z.B. Naxos, Paros, Ios) zum Attisch-Kykladischen Kristallin. Dieses hat seit dem Alttertiär während und nach einer Hochdruckmetamorphose eine komplexe, tektonische Überprägung erfahren, die Versenkung und Exhumierung in einer Subduktionszone begleitet und möglicherweise gesteuert hat. Kalk- und Dolomitmarmore (zum Teil mit Metabauxiten und Metalateriten) sowie die metamorphen Schiefer (zum Teil Glaukophanschiefer, Piemontit-Quarzite und Granat-Glimmerschiefer) der beiden Inseln Iraklia und Schinoussa sind bisher noch nicht detailliert strukturgeologisch untersucht worden. Besonders in den Schieferserien ist eine vierfache Abfolge von Deformationen ausgeprägt. Die beiden älteren (Phasen 1 und 2) erzeugten hohe Verformungsbeträge mit ausgeprägter, subhorizontaler Foliation, etwa N-S orientierter Streckungslineation und isoklinalen Falten mit variabler Achsenlage. Wenigstens Ereignis 1 ist co-genetisch mit dem Hochdruckmineral Glaukophan. Bei Phase 2, die die makroskopisch strukturbildenden Gefüge erzeugt hat, war der regionale Schersinn Top-Nord. Zumindest auf Iraklia herrschten lokal während Phase 2 noch Bedingungen der Blauschieferfazies. Die Phasen 3 und 4 erzeugten aufrechte, N-S und E-W streichende Falten. Dies lässt auf eine mehrfache, koaxiale, horizontale Stauchung am Ende der tektono-metamorphen Entwicklung schließen. Da die deformierten Gesteine so gut wie keine statische, metamorphe Überprägung zeigen, wurde versucht, mit Hilfe der dynamisch rekristallisierten Korngröße von Quarz und Calcit die Fließspannung abzuschätzen. Hierbei ergaben sich in Abhängigkeit der verwendeten Kalibrierungen übereinstimmende Werte von etwa 28-62 MPa für die syntektonische Rekristallisation der Quarzite und etwa 31-56 MPa für die der Marmore. Diese Daten erlauben unter Einbeziehung der syntektonischen Temperaturen von 400-450° C und unter Verwendung publizierter Fließgesetze Rückschlüsse auf Fließraten in der Größenordnung von 10−12 bis 10−14 sec−1. Auch wenn Deformationsgeschichte und -kinematik sehr ähnlich zu der auf Naxos sind, vermuten wir aus der klaren Beziehung zur Hochdruckmetamorphose für Iraklia und Schinoussa für den älteren Teil eine eher subduktionsbezogene, tektonische Prägung. Dies steht im Gegensatz zur Ausbildung der metamorphen Kernkomplexe auf Naxos (im Norden) und Ios (im Süden).