Original paper

Insights on the deep roots of Mesozoic ring complexes in Namibia from aeromagnetic and gravity modelling of the Messum and Brandberg complexes

Vietor, Tim; Trumbull, Robert B.; Nowaczyk, Norbert R.; Hutchins, David G.; Emmermann, Rolf

Zeitschrift der Deutschen Geologischen Gesellschaft Band 152 Heft 2-4 (2001), p. 157 - 174

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published: Dec 11, 2001

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Abstract

This study attempts a joint interpretation of geologic and geophysical data from the early Cretaceous Messum and Brandberg intrusive complexes to construct possible crustal models of their roots. Both complexes are characterized by strong positive magnetic anomalies. Additional gravity and seismic refraction data from Messum show a positive gravity anomaly and anomalously high p-wave velocities in the lower and mid crust below it. The Messum complex consists mostly of concentric sets of gabbro and syenite intrusions with little topographic relief whereas the Brandberg is a 1500 meter-high massif made up almost entirely of granite with a small precursor intrusion of monzonite. The crustal model proposed for the Messum complex envisages a near-vertical intruded zone whose width is close to that of the complex at surface. The density and seismic velocity contrast, compared with non-intruded crust on either side, is nearly constant at all levels which suggests a uniform degree of intrusion throughout. The magnetic and gravity modelling suggests that the crust beneath Messum consists of at least 30% gabbroic material down to the Moho. This contradicts the often-cited proposal that Messum is the eruptive center for some 8500 km3 of felsic volcanics in the Paraná–Etendeka province. A crustal model which satisfies the Brandberg magnetic anomaly suggests a layered intrusion with a gabbroic base. The model is consistent with the petrologic evidence that the Brandberg granite is derived ultimately from mantle-sourced basaltic magma. The geometry and layer thicknesses of the magnetic model are not well constrained but several features are certain. First, neither the Brandberg main granite nor the monzonite are sufficiently magnetic to produce the observed anomaly. There must be a much more magnetic body under both the granite and monzonite, which we suggest is mantle-derived gabbro and crystal cumulates resulting from the fractionation which produced the granitoids. Second, the shape of the magnetic anomaly demands that the gabbroic intrusion be in the upper crust and that the margins of the intrusion be wider than the exposed massif and dip outward.

Kurzfassung

Diese Arbeit unternimmt den Versuch einer gemeinsamen Interpretation der geologischen und geophysikalischen Daten der oberkretarzischen Intrusivkomplexe von Messum-Krater und Brandberg. Beide Komplexe sind durch starke magnetische Anomalien gekennzeichnet. Für Messum vorliegende Schweredaten und refraktionsseismische Profile zeigen im Bereich des Kraters eine positive Schwereanomalie und anomal hohe P-Wellengeschwindigkeiten in der mittleren und unteren Kruste. Der Messum-Komplex besteht vorwiegend aus einer konzentrischen Abfolge von Gabbro- und Syenitintrusionen, die nur ein geringes topographisches Relief aufweisen. Dagegen erhebt sich der Brandberg 1500 m über die Ebene der Namib-Wüste und besteht – abgesehen von einer kleinen monzonitischen Vorläuferintrusion – ausschließlich aus Granit. Unser Modell für die Krustenstruktur des Messum zeigt eine subvertikale Intrusionszone, deren Breite den Ausmaßen des Kraters an der Oberfläche nahe kommt. Dichte- und seismischer Geschwindigkeitskontrast zu den unintrudierten Bereich der Sektion sind entlang des vertikalen Krustenprofils unter Messum konstant und deuten damit auf ein gleichbleibendes Verhältnis von intrudiertem Material und Nebengestein hin. Modellierungen der magnetischen und der Schweredaten lassen bis hinab zur Moho auf einen Anteil von ca. 30% Gabbro schließen. Dies steht im Gegensatz zu der Annahme, dass der Messum-Krater das Eruptionszentrum für 8500 km3 felsischer Vulkanite der Paraná-Etendeka-Provinz ist. Unser mit den magnetischen Daten des Brandbergs übereinstimmendes Krustenmodell zeigt eine geschichtete Intrusion mit einer gabbroiden Basis. Das Modell ist konsistent mit den petrologischen Daten, die eine Mantelherkunft des Brandbergs-Granits anzeigen. Obwohl die Geometrie des Modells einige Unsicherheiten aufweist, sind doch bestimmte Eigenschaften als gesichert einzustufen. Zunächst sind weder der Granit noch der Monzonit allein in der Lage, die beobachtete magnetische Anomalie zu erklären. Es muss ein Körper wesentlich höherer Suszeptibilität unter dem Granit und dem Monzonit vorhanden sein, bei dem es sich unserer Ansicht nach um einen Mantel-abgeleiteten gabbroiden Körper handelt, der im Prozess der Fraktionierung die Granitoide produziert hat. Weiterhin verlangt die Form der magnetischen Anomalie, dass die gabbroide Intrusion in der Oberkruste liegt, ihre Breite größer ist als die des anstehenden Granits und ihre Ränder nach außen einfallen.

Keywords

ring complexesMessum complexBrandberg complexmagnetic anomaliesgravity anomaliestwo-dimensional modelsgranitesgabbrosNamibia