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Sören Matthias Tholen

• Upper mantle shear zones are complex systems where deformation is commonly closely interacting with metamorphic (solid-solid) and/or melt/fluid-rock reactions. Here, feedback processes between deformation, reactions, grain size reduction and phase mixing result in strain weakening and the localization of deformation. The expression of these interlinked processes is portrayed by the microfabrics of strained peridotites and pyroxenites. The present thesis is focusing on these processes and their impact on the deformation in three upper mantle shear zones situated in the peridotite massifs of Lanzo (Italian Alps), Erro-Tobbio (Italian Alps) and Ronda (Betic Cordillera, Spain). In all three shear zones, the presence of melt led to phase mixing either by interstitial crystallization of pyroxenes from a Si-saturated and partially also highly evolved melt or by melt-rock reactions of pyroxene porphyroclasts with a Si-undersaturated melt. The effect of melt on the localization of strain is twofold and variable. Enhanced deformation by melt-wetted boundaries is assumed for all shear zones. Additionally, phase mixing by crystallization of interstitial pyroxenes or melt-rock reactions reduce or maintain the grain size by the formation of fine grained neoblasts and secondary phase boundary pinning. In this regard, pre- to early syn-kinematic, map-scale percolation of OH-bearing, evolved melts in the NW Ronda peridotite massif and the associated crystallization of interstitial pyroxenes result in the activation of grain size sensitive deformation mechanisms in the entire melt-effected area. In the rocks collected at Erro-Tobbio, syn-kinematic melt-rock reactions of pyroxene porphyroclasts and Si-undersaturated melt led to the formation of ultramylonitic neoblast tails (grain size ~10 μm). Compared to the adjacent coarser-grained olivine-dominated matrix, the activation of diffusion creep led to an increase in the strain rate by an order of magnitude within interconnected ultramylonitic layers. Strain localization and softening in ultramylonitic layers are also documented in the Lanzo samples. Neoblast tails of pyroxene porphyroclasts were likewise identified as their precursor. The phase assemblage of the tails, including ortho- and clinopyroxene, olivine, plagioclase, and spinel (± amphibole), and their geochemical trends suggest, unlike in Erro-Tobbio, a formation by continuous net-transfer reactions enhanced by the spinel lherzolite to plagioclase lherzolite transition. The new results obtained from the three studied shear zones underscore the importance of reactions for the interlinked processes of grain size reduction, phase mixing, strain localization and strain softening in upper mantle shear zones. Concerning strain localization, the nature of the reaction (solid-solid, melt/fluid-rock) seems to play a subordinate role compared to its timing. Pre- to early syn-kinematic melt-triggered reactions result in strain localization along map-scale shear zones. Late stage syn-kinematic melt-rock or metamorphic reactions under high stress conditions are capable of localizing the deformation along discrete, sub-centimeter thick ultramylonites.
• Scherzonen des oberen Erdmantels sind komplexe Systeme, in denen Deformation in enger Wechselwirkung mit metamorphen (fest-fest) und/oder Schmelz/Fluid-Reaktionen steht. Rückkopplungsprozesse zwischen Deformation, Reaktionen, Korngrößenreduktion und Phasenmischung sind entscheidend für die Lokalisierung von Deformation und ihre Aufrechterhaltung. Mikrogefüge deformierter Peridotite und Pyroxenite zeugen von solchen Prozessen. In der vorliegenden Studie werden drei Scherzonen der Peridotitmassive Lanzo (Alpen, Italien), Erro-Tobbio (Alpen, Italien) und Ronda (Betische Kordillere, Spanien) mikrogefügekundlich und geochemisch untersucht, um diese Wechselwirkungs- und Rückkopplungsprozesse zu entschlüsseln. Hinweise auf schmelzinduzierte Phasenmischung sind in allen drei Scherzonen vorhanden. Sie geht entweder auf die Kristallisation von interstitiellen Pyroxenen aus Si-reicher oder hoch entwickelter, OH-reicher Schmelze oder auf Reaktionen von Pyroxen-Porphyroklasten mit Si-armer Schmelze zurück. Der Einfluss der Schmelze auf die Lokalisierung der Deformation wirkt sich in zweifacher Hinsicht aus: Eine gegenüber schmelzfreien Gesteinen verringerte Viskosität durch schmelzbenetzte Korn- und Phasengrenzen ist für alle drei Scherzonen anzunehmen. Des Weiteren bedingt Korngrößenreduktion und die Stabilisierung von feinkörnigen Phasenmischungen durch interstitielle Pyroxene und/oder durch Schmelz-Porphyroklast-Reaktionen eine Aktivierung von korngrößenabhängigen Deformationsmechanismen. In der Ronda Scherzone führte die prä- bis synkinematische Kristallisation von Pyroxenen zur Aktivierung von DRX-Kriechen (dynamische Rekristallisation mit dominanter Korngrenzmigration) und disGBS (Versetzungskriechen-gestütztes Korngrenzgleiten) im km-skaligen schmelzbeeinflussten Bereich. In den Erro-Tobbio Proben bedingten synkinematische Schmelzreaktionen von Pyroxen-Porphyroklasten und Si-armer Schmelze die Bildung ultramylonitischer Neoblasten (Korngröße ~10 μm) in Porphyroklast-Druckschatten. In miteinander vernetzten, weniger als 1 cm mächtigen Ultramyloniten erhöht sich die Strainrate durch die Aktivierung von Diffusionskriechen im Vergleich zur angrenzenden olivindominierten Matrix um etwa eine Größenordnung. Eine solche Lokalisierung von Deformation mit begleitender Verformungsentfestigung ist auch in Ultramyloniten der Lanzo-Proben zu beobachten. Der Ursprung liegt wie in den Erro-Tobbio-Gesteinen in den Neoblasten von Pyroxen-Porphyroklast-Druckschatten. Die geochemische Zusammensetzung der Neoblasten deutet hier jedoch auf eine Bildung durch kontinuierlich stattfindende Reaktionen hin. Die Zusammensetzung aus Ortho- und Klinopyroxenen, Olivin, Plagioklas und Spinell (± Amphibol) weist auf den Übergang von Spinell- zu Plagioklas-Lherzolith als Auslöser dieser Reaktionen hin. Die aus den drei Untersuchungsgebieten gewonnenen Daten und Erkenntnisse belegen die fundamentale Bedeutung von Reaktionen für die Lokalisierung und Entfestigung der Verformung in Scherzonen des oberen Erdmantels durch Korngrößenreduktion und Phasenmischung. Für die Lokalisierung der Deformation scheint die Art der Reaktion (fest-fest-, Schmelz-, Fluid-Reaktionen) im Vergleich zu ihrem Zeitpunkt eine eher untergeordnete Rolle zu spielen. Prä- bis früh synkinematische, durch Schmelze initiierte Reaktionen führen zur Lokalisierung der Deformation im km-Bereich. Spätere synkinematische durch Schmelze oder Metamorphose getriggerte Reaktionen unter hohen Differentialspannungen lokalisieren die Deformation entlang von Ultramyloniten im Subzentimeterbereich.