Structural and geochemical analyses of fragment-rich pseudotachylite bodies and the Vredefort Granophyre of the Vredefort Impact Structure, South Africa

Abstract

This study investigated the formation of the central uplift structure and pseudotachylitic breccia zones of the large, complex 2023±4 Ma old Vredefort Impact Structure. The central portion of the impact structure, the so-called Vredefort Dome, is the eroded relic of structurally uplifted rocks, generally referred to as the central uplift. The Vredefort Dome consists of a core, ca. 40 km in diameter, of a predominantly polydeformed Archean migmatitic gneisses, with subsidiary tonalite-trondhjemite-granodiorite assemblage, syn- tectonic granitoids and remnants of greenstone units. The core is surrounded by a 15-20 km wide ‘collar’ of subvertical to overturned, 3.07 and 2.1 Ga supracrustal strata that were deposited unconformably on the Archean crystalline basement rocks. Comprehensive structural analysis of pre-impact mineral fabrics and properties of fragment-rich pseudotachylite in the Vredefort Dome have shown that these fabrics and pseudotachylite zones have commonly radial or concentric trends. The high spatial coverage of the data revealed that fabric strike is symmetric about a NW-SE striking vertical mirror plane passing through the Dome centre. The fabric symmetry is consistent with vertical stretching and uplift of the inner core and outward rotation and dilation in the outer core zone as is predicted for rocks at the current erosion level by numerical modelling of the impact event. More specifically, the well-developed centro-symmetric patterns of distribution, geometry and brecciation intensity of pseudotachylite bodies correspond geometrically to the variation in total strain predicted by numerical modelling. Comprehensive petrographical and geochemical analyses of matrices in pseudotachylitic veins and dikes and their respective wall rocks from the Vredefort Dome have shown that locally the chemical compositions of matrices deviate significantly from their immediate wall rocks and that assimilation of wall rock substantially modified the pseudotachylite matrix compositions. Chemical trends in the compositional deviation of metre-wide pseudotachylite dikes from their respective wall rocks would be consistent with the presence of a primary melt component having a broadly granitoid composition akin to the composition of the Vredefort Granophyre, possibly a product of differentiation of the original impact melt sheet. Collectively, these points suggest that the melt is allochthonous and was emplaced into tensional fracture systems in the crater floor at an advanced stage of cratering, i.e. during collapse of the central uplift. In order to determine the influence of impact melt on the pseudotachylite melt, it is necessary to know the chemical composition of the Vredefort Granophyre. Therefore, the melt of the Vredefort Granophyre was analyzed. Whole-rock chemical and thin section analyses of profiles across two dikes have shown moderate but general chemical heterogeneity between core and core/collar dikes as well as within one core/collar dike. Thereby, the analyzed core/collar dikes contain fragment-rich and fragment-poor areas with compositional differences. Two chemically and texturally different areas in the Granophyre have shown that two emplacement melt pulses were involved. Structural consideration of the Vredefort Granophyre dikes points to dike formation by crater floor fracturing, possibly driven by late-stage isostatic readjustment of crust underlying the impact structure. The Granophyre melt were possibly formed by injection of melt from the overlying impact melt sheet into target rocks. In contrast to the pseudotachylitic melt, fractures (Vredefort Granophyre) were filled by two impact melt emplacement pulses from a differentiated impact melt pool some thousands of years after impact.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Entstehung des Zentralberges und der fragmentreichen pseudotachylitischen Zonen der komplexen, 2.023±4 Ga alten Vredefort Impaktstruktur in Südafrika. Der zentrale Bereich der Vredefort Impaktstruktur, der sogenannten Vredefort Dome, repräsentiert den erodierten Rest der angehobenen Gesteinspakete des Zentralberges. Der Vredefort Dome umfasst einen 40 Kilometer breiten archaischen Kern (Vredefort Core) bestehend aus migmatischen Gneisen mit einer Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit- Vergesellschaftung sowie granitoide Plutone und Gesteine des Grünsteingürtels. Dieser innere Bereich des Vredefort Domes ist umgeben von dem 15-20 Kilometer breiten „Collar“, der aus steil gestellten bis überkippten, 3.07 bis 2.1 Ga alten Metasedimentgesteinen sowie intrudierten Alkaligraniten und Dioriten besteht. Die umfangreiche strukturelle Analyse dieser Arbeit von dem prä- impakt Mineralgefüge und fragmentreichen Pseudotachyliten des Vredefort Domes hat gezeigt, dass die Gefüge und Pseudotachylite radial und konzentrisch hinsichtlich des Kraterzentrums angeordnet sind. Dabei ergab die Gefügeanalyse eine nordwest-südost streichende Spiegelebene. Die Gefügesymmetrie ist konsistent mit einer vertikalen Dehnung und Anhebung des inneren Kernbereichs sowie einer auswärts gerichteten Rotation und Dilatation des äußeren Kernbereichs, was durch numerische Modellierungen von Impaktereignissen berechnet wurde. Die symmetrische Anordnung, Geometrie und Brekzienintensität von pseudotachylitischen Körper stimmen mit der Verformung überein, die ebenfalls die numerischen Modelle wiedergaben. Der Vergleich von geochemischen Daten der fragmentreichen Pseudotachylite mit denen der unmittelbaren Nebengesteinstypen zeigte, dass diese signifikant voneinander abweichen und dass die Assimilation des Nebengesteins die Schmelzzusammensetzung der pseudotachylitischen Schmelze modifizierte. Die chemischen Trends der kompositionellen Abweichung von Meter breiten fragmentreichen Pseudotachyliten vom direkten Nebengestein sind konsistent mit der Präsenz einer allochthonen granitoiden Schmelze, deren Zusammensetzung dem Vredefort Granophyr ähnelt. Der Vredefort Granophyr gilt als das Produkt der Differentiation des originalen Impaktschmelzsees. Die Analysen der strukturellen und geochemischen Daten zeigten, dass in der Spätphase der Kraterbildung eine allochthone Schmelze aus dem überhitzten Impaktschmelzsee in Extensionsbrüche im Kraterboden intrudiert sein muss, um fragmentreiche Pseudotachylite zu bilden. Zusätzlich zur geochemischen Analyse der pseudotachylitischen Körper wurden geochemische Daten vom Vredefort Granophyr ermittelt, um den Einfluss der Impaktschmelze auf fragmentreichen Pseudotachylite zu bestimmen. Geochemische Untersuchungen von Vredefort Granophyrgängen ergab eine chemische Heterogenität zwischen Gängen im Vredefort „Core“ und denen, die im „Core“ und „Collar“ verlaufen sowie innerhalb einzelner Gänge. Innerhalb der Gänge wurden zusätzlich neben den chemischen auch texturelle Unterschiede sowie unterschiedliche Fragmentverteilungen festgestellt, die sich in zwei Zonen trennen lassen. Diese beiden Zonen innerhalb der Vredefort Granophyre geben dabei zwei Intrusionsphasen an. Die strukturelle Betrachtung dieser Gänge deutet darauf hin, dass die Vredefort Granophyr-Impaktschmelze in ein Bruchsystem intrudierte, welches erst während der isostatischen Ausgleichsbewegung der darunterliegenden Kruste zehntausende Jahre später angelegt wurde.